Reconstrucción y diseño de una turbo-turbina
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(2) IM-2004-II-29. RECONSTRUCCION Y DISEÑO DE UNA TURBOTURBINA. GERMAN ANDRES ORDOÑEZ MOSQUERA. Proyecto de grado presentado a la Universidad de los Andes como requisito para obtener el título de Ingeniero Mecánico.. Profesor asesor: JAIME LOBOGUERRERO USCATEGUI. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA ENERO 2005. 2.
(3) IM-2004-II-29. AGRADECIMIENTOS A mis padres, gracias por hacer siempre de mí una mejor persona. A mis hermanos, por su infinito apoyo, que sin importar nuestras distancias siempre estaremos unidos. A mis primos, espero que nos reunamos de nuevo en el árbol donde crecimos. A todos mis amigos, por compartir estos buenos momentos juntos. A mi asesor del proyecto de grado, Ing. Jaime Loboguerrero por su apoyo técnico y teórico. Y a vos, por hacer de esto una vida distinta. Nunca te olvidaré.. 3.
(4) IM-2004-II-29. TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCION………………………………………………………………… OBJETIVOS……………………………………………………………………….. 7 8. 1. SISTEMAS DE POTENCIA…………………………………………………. 1.1 Ciclo Brayton………………………………………………………………. 9 9. 2. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE POTENCIA……………………… 2.1 El Turbocargador………………………………………………………… 2.1.1 Caracterización del Compresor………………………………………... 2.1.2 Caracterización de la Turbina…………………………………………... 12 13 16 20. 3. COMBUSTION……………………………………………………………….. 3.1 Definición…………………………………………………………………. 3.2 Combustión y Termoquímica…………………………………………… 3.2.1 Estequiometría…………………………………………………………… 3.2.2 Temperatura de Llama Adiabática…………………………………….. 3.3 Flujos Generados………………………………………………………… 3.4 Límite Metalúrgico…………………………………………………………. 23 23 23 23 25 26 26. 4 CÁMARA DE COMBUSTIÓN Y SISTEMAS AUXILIARES……………… 4.1 Construcción de la Cámara de Combustión…………………………… 4.2 Sistemas Auxiliares……………………………………………………… 4.2.1 Inducción del gas………………………………………………………… 4.2.2 Generador de chispa……………………………………………………. 4.2.3 Soplante…………………………………………………………………... 28 28 31 31 32 33. 5 SISTEMA DE LUBRICACION………………………………………………. 5.1 Modelo Shigley……………………………………………………………. 5.2 Bomba de Aceite………………………………………………………… 5.3 Motor Eléctrico…………………………………………………………… 5.4 Construcción del Tanque y Soportes………………………………….. 35 35 38 39 41. 6. OPERACIÓN Y RESULTADOS……………………………………………. 6.1 Turbocargador…………………………………………………………… 6.1.1 Inspección y Componentes..…………………………………………… 6.1.2 Efectos por Funcionamiento al Turbocargador……………………….. 6.2 Sistema de Lubricación…………………………………………………. 6.3 Cámara de Combustión…………………………………………………. 6.4 Montaje Final……………………………………………………………… 6.4.1 Instrucciones para el Encendido del Banco de Prueba……………….. 45 45 45 46 46 47 48 48. 4.
(5) IM-2004-II-29. 7. CONCLUSIONES……………………………………………………………… 7.1 Aportes…………………………………………………………………………. 7.2 Recomendaciones……………………………………………………………. 50 50 51. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………….. 52. LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 2.1 Especificaciones del Turbocargador………………………………. Tabla 3.1 Análisis de los componentes del GLP…………………………….. Tabla 3.2 Análisis de Entalpías de Formación………………………………. Tabla 4.1 Características del Soplante……………………………………….. Tabla 5.1 Simulación de parámetros para lubricación……………………… Tabla 7.1 Piezas Faltantes del Turbocargador………………………………. Tabla 7.2 Empaques a reemplazar…………………………………………….. 15 24 26 34 37 45 45. LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 1.1 Esquemático del Ciclo Brayton……………………………………. Figura 1.2 Diagrama Presión – Volumen del ciclo Brayton…………………. Figura 1.3 Diagramas P-V y T-S……………………………………………….. Figura 2.1 Esquemático del Sistema de Potencia…………………………… Figura 2.2 Diagrama de operación de un turbocargador……………………. Figura 2.3 Imagen del turbocargador………………………………………….. Figura 2.4 Vista posterior del compresor……………………………………… Figura 2.5 Diagrama de velocidades del compresor…………………………. Figura 2.6 Gráficos del compresor: caudal, temperatura, compresión…….. Figura 2.7 Diagrama de velocidades de la turbina………..………………….. Figura 2.8 Gráficos de la turbina: potencia, temperatura, compresión……. Figura 4.1 Cámara de Combustión……………………………………………. Figura 4.2 Tubo de Llama………………………………………………………. Figura 4.3 Vista superior del inductor de gas………………………………… Figura 4.4 Extensor………………………………………………………………. 5. 9 10 11 12 14 15 16 17 19 20 22 29 30 31 32.
(6) IM-2004-II-29. Figura 4.5 Difusor………………………………………………………………… Figura 4.6 Vista lateral soplante………………………………………………... Figura 4.7 Perspectiva soplante………………………………………………... Figura 5.1 Vista seccional del eje y cojinetes del turbocargador……………. Figura 5.2 Piñones de la bomba de aceite…………………………………….. Figura 5.3 Vista seccional de los piñones…………………………………….. Figura 5.4 Motor Eléctrico………………………………………………………. Figura 6.5 Circuito del regulador de voltaje……………………………………. Figura 5.5 Vista completa del Sistema de Lubricación……………………….. Figura 5.6 Soporte Bomba – Motor……………………………………………... Figura 5.7 Vista Superior Soporte……………………………………………….. Figura 5.8 Perspectiva Soporte………………………………………………….. Figura 5.9 Soporte ensamblado………………………………………………… Figura 6.1 Rotor del compresor, eje y turbina…………………………………. Figura 6.2 Montaje Final………………………………………………………….. 32 33 33 36 38 39 40 41 42 43 43 44 44 46 48. LISTA DE ANEXOS Pág. ANEXO A ANEXO B ANEXO C ANEXO D ANEXO E ANEXO F ANEXO G ANEXO H ANEXO I ANEXO J ANEXO K ANEXO L. Mapa del compresor……………………………………………… Plano del tanque de aceite………………………………………. Plano del acople bomba-motor………………………………….. Plano sopote bomba de aceite…………………………………... Plano sopote motor eléctrico…………………………………….. Plano cilindro soporte bomba…………...………………………. Plano extensor de la válvula de control………………………… Plano difusor………………………………………………………. Plano cámara exterior de combustión………………………….. Plano tubo de llama………………………………………………. Plano caja metálica……………………………………………….. Plano ensamble del turbocargador………………………………. 6. 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64.
(7) IM-2004-II-29. INTRODUCCIÓN La Turboturbina, denominada etimológicamente por ser una maquina comprendida entre un turbocargador en función de una turbina, es una maquina diseñada con menores requisitos y componentes a comparación de una planta de potencia como lo son lo motores de avión, con el fin establecer un banco de prueba para futuras referencias académicas.. Este proyecto fue realizado anteriormente hace siete años por la entonces estudiante de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, Carolina Lenz. Ella construyó el banco de prueba con base en estudios analíticos realizados por ella misma (estudios de los cuales algunos se basarán para la realización de este proyecto) que infortunadamente no pudo alcanzar todos los objetivos propuestos, principalmente en el de obtener la funcionalidad de la máquina con los puntos de operación más óptimos dado el corto tiempo recibido. En la actualidad no existe este mismo banco de prueba en la universidad, aspecto que se suma a la motivación del proyecto.. 7.
(8) IM-2004-II-29. OBJETIVOS •. Realizar cálculos analíticos que comprendan y evalúen la viabilidad y la confiabilidad de la maquina en los puntos de mejor operación del compresor, combustor o cámara de combustión, turbina, sistemas de lubricación y bombeo de combustible.. •. Realizar diseños prácticos de la cámara de combustión y construirlo en base de conocimientos previamente investigados y cimentados.. •. Implementar sistemas auxiliares del motor como el de encendido, bombeo de combustible y sistema de lubricación sobre un criterio y margen de seguridad.. •. Evaluar la opción de colocar un regenerador para la reutilización de gases calientes en el ciclo de la turboturbina. 8.
(9) IM-2004-II-29. 1. SISTEMAS DE POTENCIA 1. 1.1 Ciclo Brayton. El ciclo Brayton en un proceso de potencia de tipo estado estable flujo estable (EEFE), el cual se caracteriza por: •. Tener un volumen de control que no se mueve relativo al marco coordinado. Es decir, que todas las velocidades medidas y relativas al marco coordinado también son velocidades relativas a la superficie de control.. •. El estado de la masa en cada punto del volumen de control no varía con el tiempo.. •. Como la masa que fluye a través de la superficie de control, el flujo másico y el estado de esta masa en cada área discreta del flujo en la superficie de control no varía con tiempo. Las tazas en las cuales el calor y el trabajo cruza la superficie de control sigue siendo constante.. Es así, que este ciclo involucra dos procesos a presión constante y dos procesos isentrópicos. Combustible CAMARA DE COMBUSTION. Wneto. COMPRESOR. TURBINA. Aire. Productos. Figura 1.1 Esquemático del Ciclo Brayton2 1. Sonntag. Fundamentals of Thermodynamics.5ta edición. 9.
(10) IM-2004-II-29. Figura 1.2 Diagrama Presión – Volumen del ciclo Brayton. El ciclo simple abierto de turbina de gas utiliza un proceso de combustión interna. La eficiencia en el ciclo es función de la tasa de presión – isentrópica. De aquí también se deduce que las eficiencias del compresor y de la turbina están asociadas a los procesos isentrópicos. En los motores actuales de turbina – gas el ciclo difiere principalmente por las irreversibilidades en el compresor y en la turbina, y también por la caída de presión en los pasos del flujo y la cámara de combustión. El compresor puede requerir entre el 40 y el 80 por ciento de los resultados de la turbina dado por la gran cantidad de trabajo del compresor comparado al de la turbina, es decir, existe un efecto de pérdida en la requisición de trabajo para el compresor dado que la turbina aporta poco comparativamente. Si estas eficiencias bajan del 60% (compresor y turbina), la eficiencia del ciclo llegara hasta cero.. 2. Tomado de la referencia No. 8. 10.
(11) IM-2004-II-29. Figura 1.3 Diagramas P-V y T-S. W2 = − (C P )(T2 − T1 ) = − (h2 − h1 ) 2 Q3 = (C P )(T3 − T 2 ) = ( h3 − h2 ) 3W4 = (C P )(T3 − T4 ) = ( h3 − h4 ). 1. P3 P2 = P4 P1. η TH = 1 −. C P (T4 − T1 ) 1 = 1− CV (T3 − T2 ) ( P2 / P1 ) ( k −1 ) / k. •. Pot = ( m)(Cp )(T2 − T1 ). 11.
(12) IM-2004-II-29. 2. GENERALIDADES DEL SISTEMA DE POTENCIA Teniendo el turbocargador que se podría analogar como el pulmón del proyecto, se procedió al diseño de los demás elementos restantes, los cuales son vitales para la creación del ciclo termodinámico de Brayton. Estos componentes lo comprenden la cámara de combustión, el sistema de lubricación, sistema de encendido y el sistema de ignición. La cámara de combustión provee el lugar para la realización de la combustión, una reacción química entre el la mezcla de aire comprimido y combustible para que libere energía calorífica. El sistema de lubricación, además de lubricar refrigerará las zonas de fricción y trasladará partículas metálicas recogidas. El sistema de encendido, comprende la ignición de la llama a través de la generación de una chispa y la alimentación del combustible a la cámara de combustión. Por último el sistema de ignición del ciclo, es facilitado por un soplante que suministrará un flujo de aire antes previamente al encendido de la cámara de combustión. El combustible que se usó fue el gas licuado del petróleo (GLP), comprendido por propano y butano. La razón de la escogencia de este combustible es gracias a su estado natural, el gas, cuya característica facilita la combinación con aire y proveer una buena mezcla aire-combustible, además que ahorra el paso de atomización como otros combustibles líquidos usados en este tipo de ciclos de potencia.. BATERIA. CAMARADE ÇOMBUSTION. GLP. SOPLANTE. COMPRESOR. TURBINA BOMBADE ACEITE. Figura 2.1 Esquemático del Sistema de Potencia. 12.
(13) IM-2004-II-29. 2.1 El Turbocargador Un turbocargador consiste en un compresor y una turbina que están montados sobre un mismo eje. El propósito principal de este elemento es incrementar la densidad de poder de un motor, esto es logrado usando la energía del exosto de 3 gas de la turbina para comprimir el aire que alimenta el motor . El turbocargador es más usado en motores tipo diesel y de gas. Los turbocargadores son una aplicación de los motores diesel como medios rentables para mejorar la potencia de salida y eficiencia. La siguiente es una analogía del uso del turbocargador en el campo aeronáutico:. Turbocargar un motor de avión es analógicamente a una subida exigente de un montañista que realiza al monte Everest, ayudado por oxígeno suplemental. Sin esta ayuda, cada paso que avance llegará a ser más lento y más difícil. La escasez de oxigeno desvitaliza sus fuerzas de tal manera que cada respiración sea más elaborado que el anterior. Un sorbo de satisfacción del oxígeno embotellado renueva rápidamente la energía requerida para ganar altura. Esta analogía es igual con un motor naturalmente aspirado. Así, un piloto cuida su aeroplano para su servicio a alturas relativas, y el funcionamiento de éste disminuye perceptiblemente. Como el montañista, el aeroplano está funcionando "de respiración corta." Sin embargo, si uno turbocarga ese mismo motor, él responderá como si sea infundido por un poco de adrenalina de altitud alta. Esta alimentación de la fuerza del oxígeno no sólo dobla el potencial del aeroplano, sino también permite que suba hacia 12.000 pies sobre el nivel del mar por casi la mitad del tiempo. (Knuteson, 1997, p. 1). 3. Tomado el 1 de Septiembre en : http://www.abb.com/global/abbzh/abbzh251.nsf!OpenDatabase&db=/global/seapr/seapr035.nsf&v=6311A&e =us&m=9F2&c=CF766064473E6637C1256A80003045DC. 13.
(14) IM-2004-II-29. Figura 2.2 Diagrama de operación de un turbocargador4. El funcionamiento del turbocargador en los motores a pistón de los aviones esta dado por la descarga de presión por parte del compresor, el cual es regulado controlando el flujo de los gases de escape a través de la turbina del turbocargador. El flujo de los gases de escape es modulado por la desviación los gases de exceso a través de una válvula de paso o uno cabezal (poppet). Ambos tipos son actuados por la presurización del aceite del motor que primero fluye a una válvula bypass a través de un orificio restringido y después sale del actuador a uno o más controladores. Sin importar el tipo de controlador usado, cuando el controlador percibe descarga insuficiente de presión del compresor, una válvula de tipo cabezal en el controlador se cierra para que suba la presión del aceite, cerrando las válvulas bypass forzando más gas de escape a través de la turbina del turbocargador. Esto hace que el aumente la velocidad del eje y consecuentemente una descarga de presión por parte del compresor. (Allied Signal Automotive, 1993, p.1). 4. Tomado de la Referencia No. 1. 14.
(15) IM-2004-II-29. Nuestro turbocargador proviene de la compañía fabricante Rajay, esta es el cuadro de especificaciones:. Fabricante RAJAY INDUSTRIES INC. Número de parte 3AT6EE10J2 Aviones donde se usan PIPER series SENECA I, II, III, Turbo Arrow III Tabla 2.1 Especificaciones del Turbocargador. Figura 2.3 Imagen del turbocargador. Según esto pudimos identificar los parámetros de estos tipos de aviones, cuyo motor es de turbopropulsión, o también llamados turbohélice, el cual es una turbina de gas de compresor axial o centrífugo que lleva incorporada un reductor de velocidad entre el motor y la hélice. Estas son sus características:. 15.
(16) IM-2004-II-29. Desplazamiento = 361 in3 Motor = 4 tiempos Vmax = 2900 RPM Relacion Compresión = 8.5 : 1 Patm = 10.8psi = 74463.37 Pa = 0.7348 atm Tatm = 20 C = 293 K Flujo motor = 242.324 CFM ⎛T Pout ⎞ Relacion Densidad = ⎜⎜ admision ⎟⎟ = 1. 38 ⎝ Tout Padmision ⎠ Flujo Real entrada Compresor = 242.324 *1.38 = 334.4 CFM 2.1.1 Caracterización del compresor. 5. Es necesario conocer las características de compresor. Este elemento trabaja como una bomba rotodinámica el cual consta de una carcaza que el fluido forma una espiral de vórtice libre y mantiene una presión constante alrededor de la periferia de un rotor. (Burton – Loboguerrero, 1999, p.45).. Figura 2.4 Vista posterior del compresor 5. Tomado del referencia No.5. 16.
(17) IM-2004-II-29. Figura 2.5 Diagrama de v elocidades del compresor. Estas ecuaciones fueron usadas para el análisis del compresor, basadas en la teoría del ciclo Brayton:. U 2 = (ω )(r ) = vel tg V2 =. Q2 caudal salida compresor = area garganta Ag. •. m : flujo másico del aire r : radio del rotor = 76mm τ : torque •. τ = ( m )(Vu2 )(r ) •. Potencia = (τ )(ω ) = ( m )(Vu2 )(U 2 ) proceso isentrópic o : γ =. Cp isentropic o Cv γ. P ⎛ T ⎞ γ −1 ⎛ (η )(ϕ )(σ )( rw) 2 Relación de compresión : 2 = ⎜⎜ 2 ⎟⎟ = ⎜⎜1 + c ( Cp )(T1) P1 ⎝ T1 ⎠ ⎝. ⎛ (ϕ )(σ )(rw ) 2 ⎞ ⎟⎟ + T1 Temperatur a a la salida de compresor : T2 = ⎜⎜ Cp ⎝ ⎠. 17. γ. ⎞ γ −1 ⎟⎟ ⎠.
(18) IM-2004-II-29. Condiciones Iniciales según medidas del compresor y según medidas ambientales:. r = 38 mm P = Patm = 10 .8 psi 1 γ = 1 .4 aire η = eficiencia isentropic a = 0.6 c ϕ = factor de potencia = 1.035 → 1.04 0 .63 π ⎞ ⎛ σ = deslizamie nto = ⎜1 − ⎟ = 0.8586 n ⎠ ⎝ n = numero de alabes = 14 T = 20 o C = 293 o K 1 P = 10 .8 psi 1 Cp = 1005 J/(kg - K). ρ. aire. = 1 .197 kg/m 3 a 293 o K. Area de la garganta A. g. = (π )(0 .04752 / 2 ) 2 = 0 .001774 m 2. Las ecuaciones deducidas y los gráficos, son de carácter teóricos aún utilizando valores aproximados a la realidad. Si comparamos estos gráficos con el real del 6 compresor Rajay , vemos una equivalencia cercana en los puntos de operación. Para la ignición de compresor deber ser apoyado por un soplante de caudal Q que lo revolucione en un rango de 0-10,000 rpm.. 6. Ver anexo No.1. 18.
(19) IM-2004-II-29. relacion compresion 1.4 1.3 1 P/ 2 P. 1.2 1.1 1. 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 5000. 6000. 5000. 6000. Temperatura Salida Compresor 360 340 ) K( 2 T. 320 300 280. 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Caudal Compresor (teorico) 1000 800 ) M F C( Q. 600 400 200 0. 0. 1000. 2000. 3000 w (rad/seg). 4000. Figura 2.6 Gráficos del compresor: caudal, temperatura, compresión. 19.
(20) IM-2004-II-29. 2.1.2 Caracterización de la Turbina7 En este caso, el flujo de aire no proviene en el sentido axial de eje del turbocargador como en el compresor sino que entra a al zona caliente en sentido tangencial a la turbina como se muestra en la figura.. V1 Vr1. Vr2. w1. Vu1. V2. U2. Figura 2.7 Diagrama de v elocidades de l turbina. Estas son las ecuaciones de la caracterización de la turbina:. n = # alabes = 11 t = espesor alabes b = altura alabe D = diametro alabe VR2 =. 7. Q2 πDb − ntb. Tomado del referencia No.5. 20.
(21) IM-2004-II-29. ⎛P Rel. expansion = ´ = ⎜⎜ 3 T4 ⎝ P4 T −T η t = 3 4´ T3 − T4 T3. P4 ⎛ ϕ ⋅ σ ⋅ (rw ) = ⎜⎜ 1 − P3 ⎝ Cp ⋅T3 ⋅η t T4 − T3 =. 2. ⎞ ⎟⎟ ⎠. ⎞ ⎟⎟ ⎠. γ− 1 γ. γ γ -1. ϕ ⋅ σ ⋅ (rw) 2 Cp. Caudal a la salida de la camara de combustion Q3 = γ = cte isentropica ≅ 1.4 0.63π = 0.82 ≠ σ compresor n ϕ = factor de potencia por perdidas de trabajo = 1.04 σ = deslizamiento = 1 +. r = 0.038 m η t = eficiencia isentropica = 50% T3 = 938.43K P4 = Patmosferica P3 = Psalida de la camara = 1.27P1 ρ 3 = ρ densidad del aire despues de la combustion = 0.315 kg/m 3. 21. Q2 ⋅ cte gases P 3 ⋅ T3 cte gases P 2 ⋅ T2.
(22) IM-2004-II-29. relacio n compresion TURBINA 1 0.95 3 P/ 4 P. 0.9 0.85 0.8. 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 5000. 6000. 5000. 6000. Temperatura salida TURBINA 940 930 ) K( 4 T. 920 910 900 890. 0. 1000. 2000. 3000. 4000. Potencia generada TURBINA 4000 3000 ) W( ai 2000 c n et o 1000 P 0. 0. 1000. 2000. 3000 w (rad/seg). 4000. Figura 2.8 Gráficos de la turbina: potencia, temperatura, compresión. 22.
(23) IM-2004-II-29. 3. COMBUSTION. 3.1 Definición La combustión se define como una oxidación rápida generando calor y luz. La combustión puede ocurrir ya sea con llama o sin llama. La llama se puede observar por la presencia de una zona intensa de reacción química el cual se propaga a través de de la mezcla aire – combustible sin quemar. Esta llama se mueve cruzando el espacio dado para la combustión, la temperatura se incrementa así como la presión. La llama pueden ser catalogada en llamas premezcladas o difusivas. La primera, el combustible y el oxidante (aire) son mezclados previos a una reacción química. La segunda, la reacción ocurre solo en el intermedio de la mezcla entre el combustible y el oxidante. (Turns, 2000, p.6-7) 8 En el proyecto de Carolina Lenz , usaron de combustible Diesel por razones de seguridad. En nuestro caso usamos como combustible GLP (gas licuado del petróleo), para facilitar la combustión de gases y ahorrarnos la atomización de este con el uso de combustible líquido, bajo un manejo de seguridad apropiado.. Como primera medida, tomamos los datos de los últimos lotes de GLP suministrado por ECOPETROL, con las cantidades exactas de sus componentes y conocer el porcentaje de carbono y de hidrógeno.. 3.2 Combustión y Termoquímica. 3.2.1 Estequiometría. 8. Ver referencia No. 4. 23.
(24) IM-2004-II-29. GLP componentes etano/etileno propano propileno iso-butano n-butano butilenos C5. formula C2H6 C3H8 C3H6 C4H10 C4H10 C4H8 C5H12. X C/mol H/mol 0,02 2 6 17,09 3 8 21,03 3 6 21,02 4 10 12,28 4 10 28,04 4 8 0,52 5 12. Moles C 0,0004 0,5127 0,6309 0,8408 0,4912 1,1216 0,026 3,6236. Moles H 0,0012 1,3672 1,2618 2,102 1,228 2,2432 0,0624 8,2658. carbono 3,6236 hidrogeno 8,2658 9 Tabla 3.1 Análisis de los componentes del GLP. La cantidad estequiométrica de un oxidante es solo la cantidad necesaria para completar la combustión de un combustible. Si más de la cantidad estequiométrica del oxidantes es suministrada, se dice que la mezcla es de combustible limpio, de lo contrario, si se suministra menor cantidad la mezcla es rica en comestible. La tasa estequiométrica es la razón de masas entre el combustible y el aire. La siguiente es la reacción estequiométrica de una combustión completa:. β γ⎞ β γ⎞ ⎛ ⎛β ⎞ ⎛ CαHβOγ + ⎜α + − ⎟(O2 + 3.76N2 ) → αCO2 + ⎜ ⎟ H2O + 3.76⎜α + − ⎟ N2 4 2⎠ 4 2⎠ ⎝ ⎝2⎠ ⎝ 8.2658 ⎞ ⎛ 8.2658 ⎞H O + 3.76⎛ 3.6236 + 8.2658 ⎞N C3.6236H8.2658 + ⎛⎜ 3.6236 + ⎟ (O2 + 3.76N 2) → 3.6236CO2 + ⎜ ⎟ 2 ⎜ ⎟ 2 4 ⎠ 4 ⎠ ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎝ C3.6236H8.2658 + (5.69)(O 2 + 3.76N2 ) → 3.6236CO2 + (4.1329)H2O + 3.76(5.69)N2 fs = tasa estequiométrica fuel/air =. M f nf 51,749 *1 = = 0.0735998 M anas 5.69 * (1 + 3.76) * 28.97. El Lower Heat Value (LHV) es el calor de combustión calculado asumiendo que todo el agua de los productos no se condensa, demuestra en una cifra la calidad 9. Fuente ECOPETROL.. 24.
(25) IM-2004-II-29. de combustión obtenido por el tipo de combustible. Esta sería la reacción general de la combustión con exceso aire.. C3.6236H8.2658 + (5.69)λ (O2 + 3.76N2 ) → aCO 2 + bH 2 O + cN 2 + dO 2 Para turbinas de gas, el % de exceso de aire varia entre 100 – 150 %. C3.6236H8.2658 + (5.69)(1.5)(O 2 + 3.76N 2 ) → 3.6236CO 2 + 4.1329H 2O + 32.0916N 2 + 4.4021O2 LHV=45903.164 kJ/kg (GLP) LHV=45521.920 kJ/kg (gasolina). F = tasa de equivalencia = % Exceso aire =. f ⎛ ⎞ acutal = ⎜⎜ ⎟ f s ⎝ estequiometrico ⎟⎠. 100(1- F) = 150% F. F = 0.4. 3.2.2 Temperatura de Llama Adiabática 10 La temperatura de llama adiabática representa la temperatura máxima que pueden alcanzar los productos de una combustión, donde el proceso toma lugar adiabáticamente sin ningún trabajo o sin cambios de energía cinética o potencial. Esta temperatura puede ser alcanzada porque cualquier transferencia de calor de las sustancias reactantes.. HR = HP −o. −o. −. −. ∑ ni ( h f + ∆ h) i = ∑ ne (h f + ∆ h) e R. 10. P. Un proceso adiabático se caracteriza por no haber una transferencia de calor.. 25.
(26) IM-2004-II-29. −o. −. −o. −. −o. ∑ ni ( h f + ∆ h) i = (h f ) C4 H10 = −126,200 kJ/Kmol R. −. −. −. −. ∑ ne ( h f + ∆ h) e = 3.6236(−393522 + ∆ h CO2 ) + 4.1326(−261826 + ∆ h H2 O ) + 4.4021∆ h O2 + 32.0916∆ h N 2 P. Se realiza una iteración para encontrar la temperatura de llama adiabática, iniciando tentativamente con T= 900K: ∆ h+hf ∆h ∆ h+hf 900K 1100K 3,6236 -393522 28030 -1324396,811 38885 -1285062,633 4,1329 -241826 21937 -908779,2481 30190 -874670,4244 4,4021 0 19241 84700,8061 26212 115387,8452 32,0916 0 18223 584805,2268 24760 794588,016 -1563670,026 -1249757,196 Tabla 3.2 Analisis de Entalpías de Formación. n. CO2 H2O O2 N2. hf [kJ/kmol]. ∆h. Interpolando los valores resultantes con respecto a sus correspondientes temperaturas obtenemos que la temperatura adiabática de la llama es 1815.84 K. Pero en la realidad, esta temperatura no se alcanzará fácilmente dado que una parte de los productos, los gases NOx consumen una buena parte del calor generado por el combustor, al final sirve como un parámetro máximo en el cálculo del límite metalúrgico.. 3.3 Flujos Generados. El caudal de salida en la garganta del compresor esta afectado por el cambio del valor de densidad del aire, el cual esta en función de los cambios de temperatura y presión.. rel.densidades =. Tin comp Poutcomp ⋅ Toutcomp Pin comp. Qout =. Q in rel.densidades. Si asumimos el siguiente valor en el grafico del compresor: Qin=275 CFMa 40,000 rpm. 26.
(27) IM-2004-II-29. Entonces la temperatura de salida del compresor es 329.87 K y la relación de presiones es de 1.18 ReL. Densidades = (329.87 K / 293 K)*(1.18)= 1.328 3 Qout = Q2 = (275 CFM)/(1.328)= 207.002 CFM = 0.0977 m /s Flujo masico aire = Q2* aire a 329.87K= (0.0977)(1.088)= 0.1063 kg/s Flujo combustible = Flujo masico aire * f=0.1063 * 0.01472= 0.001565 kg/s. 3.4 Limite Metalúrgico El límite metalúrgico es el cociente entre la temperatura máxima soportada por los 11 alabes de la turbina y la temperatura ambiente, cuyo valor varia entre 3.5 y 4 . Lim.metal=Tmax / To = 3.5 Tmax > T llama adiabática 1192 K > 938.43 K (ok). 11. 4. Tomado de la referencia No.1. 27.
(28) IM-2004-II-29. 4. CÁMARA DE COMBUSTIÓN Y SISTEMAS AUXILIARES 4.1 Construcción de la Cámara de Combustión. La cámara de combustión provee el lugar para la realización de la combustión, una reacción química entre el la mezcla de aire comprimido y combustible para que libere energía calorífica, como le mencionábamos anteriormente. Esta cámara esta compuesta por dos elementos, el tubo de llama y la cámara exterior.. Realizando un análisis comparativo con el turbocargador podemos ver que este puede tener una relación de compresión hasta 3.3 P1 si observamos el mapa del compresor,. P2 P1. ≅ 3.3. P ⋅D 2⋅t P⋅D σl = 4 ⋅t P ⋅ (D + t ) σ t , max = 2 ⋅t. σ t , av =. Para un acero 1020, el esfuerzo permisible es de 125 MPa, y con D=0.15m. La tasa L/D para combustores esta entre 3 – 6, y el tubo de llama entre 2 – 4.. P2 ≅ 3.3 P1 (94568.5Pa) ⋅ (0.15m) σ t ,av = = 125MPa 2⋅t t = 0.057mm. 28.
(29) IM-2004-II-29. Pero para la construcción de la cámara, fue recopilado información de sus principios y de patrones para los elementos contenidos por personas que ya habían construido y experimentado cámaras de combustión. Primero, debemos determinar el espesor mínimo que debe tener para sostener la presión inducida con 1.3 atmósferas que es lo que generará en promedio el turbocargador:. thickness =. din ⋅ P. 2 ⋅ σ permisible. =. 0.159 ⋅131722.5 = 0.084mm 2 ⋅125000000. Para determinar los diámetros y las longitudes respectivas de la cámara exterior y el tubo de llama, fue usado como patrón el diámetro de salida del compresor. Se construyó la cámara con acero 1020 HR para aliviar los esfuerzos a los que tenga estar sometidos debido a la generación de calor, de grosor 1/8”. Se obtuvo una lámina con estas características para la cámara exterior, se realizaron unas pestañas para cerrar el diámetro externo, finalmente se dobló y se efectuaron los debidos trabajos de soldadura.. Figura 4.1 Cámara de Combustión. 29.
(30) IM-2004-II-29. De igual manera para determinar el área total de todos los hoyos del tubo de llama se uso este patrón. Estos hoyos vienen en 3 diámetros distintos.. • Diámetro interno. o A = 1.3 X I =98.95 mm. • Longitud. o B = 3.85 X I = 320 mm. • Area total de los hoyos del tubo de llama. o C = 4 X I = 304.5 mm2. Los diámetros de lo hoyos pueden ser distribuidas con el dato anterior del área total de los hoyos en el tubo de llama.. B. A ZONA. ZONA. ZONA. DILUCION INTERMEDIA PRIMARIA. Figura 4.2 Tubo de Llama. El tubo de llama es un componente interno que facilita la combustión de los gases, genera zonas donde es encendido y es quemado. Tres zonas principales son destacadas: zona primaria, donde se forma una llama casi laminar; la zona secundaria, se encarga de completar la combustión a los gases que no alcanzaron a ser quemados en la zona primaria; y la zona de dilución, con hoyos más grandes, enfriara los gases para que no entren a altas temperaturas en la turbina del turbocargador.. 30.
(31) IM-2004-II-29. 4.2 SISTEMAS AUXILIARES. 4.2.1 Inducción del gas El inductor de gas hace parte de una válvula convencional de gas que ayudará el control de flujo másico del combustible. La válvula contiene una entrada y una salida del gas, pero esta salida está restringida por una pared que contiene orificio en el centro cuyo diámetro no se prolonga a más de 1 mm.. INDUCTOR DE GAS. CHISPERO Figura 4.3 Vista superior del inductor de gas. Pero a ésta válvula se introdujo un extensor donde se acopla en un lado el 12 inductor y por el otro la válvula. El propósito de este extensor , construido en acero 1020 CD, es alejar la válvula de la cámara de combustión por efectos de conducción de calor dado que la mayor parte de material de la válvula está hecha en bronce.. 12. Ver dibujo técnico en el anexo No 7. 31.
(32) IM-2004-II-29. Figura 4.4 Extensor. Figura 4.5 Difusor. 4.2.2 Generador de chispa. Para el encendido de los gases en la cámara de combustión, se necesita un generador de chispa. La ignición por chispa ha sido de gran confiabilidad en las turbinas a gas, y varios quemadores industriales, comerciales y residenciales, dado que no requieren llama pre-existente como en un piloto de ignición.. 32.
(33) IM-2004-II-29. Para este proyecto se utilizo un chispero convencional. Usado en la ignición de calentadores y de estufas. No necesita de una fuente de energía, sino que gracias a un pulso generado por una pequeña bobina crea una corriente eléctrica que es transmitida hasta una punta metálica, el cual sostiene un contacto cercano a una placa metálica, como una bujía de un automóvil. En este espacio generará la 13 chispa.. 4.2.3 Soplante. Figura 4.6 Vista lateral soplante. Figura 4.7 Perspectiv a soplante 13. Ver Figura 5.3. 33.
(34) IM-2004-II-29. Este elemento es de gran importancia en el sistema de encendido. El soplante es un generador de flujo de aire, el cual impulsa éste a través de un rodete en un sentido centrífugo. Se energiza por un conector trifásico de 120V. Ayudará en la precarga de aire para la cámara de combustión en el momento que se mezcle con el combustible antes de ser encendido. Estas son sus características:. Velocidad Rotacional Potencia Frecuencia Caudal. 3475 RPM ¾ HP 60 Hz 275 CFM. Tabla 4.1 Características del Soplante. 34.
(35) IM-2004-II-29. 5 SISTEMA DE LUBRICACION. El sistema de lubricación esta apoyado por una pequeña bomba de aceite, un tanque de depósito, un motor eléctrico y un soporte entre el motor eléctrico y la bomba.. 5.1 Modelo Shigley. Para el análisis de este sistema debemos considerar las características que emplea el turbocargador en esta materia. Para esto se tomaron las medidas necesarias para el análisis del flujo. Sobre el eje se encuentra un cojinete que sostiene el eje del turbocargador a través de una película de aceite. Este aceite o lubricante es suministrado al cojinete a través de presión, para mantener de esta manera un flujo constante y obtener un incremento en la refrigeración del eje. Sobre este cojinete existe una ranura que distribuye el aceite alrededor de todo el eje principal. Para este caso, se recurrió al modelo analítico de Shigley (Pressure 14 Fed-Bearings) el cual se pueden obtener la presión demandada para bombear, la temperatura promedio según a la velocidad que el eje rote, y el flujo volumétrico de aceite: Ecuaciones:. W : peso del eje. r : radio del eje. l' : longitud media del cojinete. c : holgura entre el eje y el cojinete. Ns : revoluciones por segundo. µ : viscosidad cinemática Presion en el cojinete : P[ psi] =. 14. W 4 ⋅ r ⋅ l'. Referencia No. 9. 35.
(36) IM-2004-II-29. 2. ⎛ r ⎞ µ ⋅ Ns Sommerfeld : S = ⎜ ⎟ ⎝c⎠ P ps : presión suministrada por la bomba ε : tasa de excentricidad (obtenido por gráficas) f ⋅ r / c : coeficiente de fricción variable (obtenido por gráficas). π ⋅ ps ⋅ r ⋅ c3 Caudal : Qs[in / s] = 1 + 1. 5 ⋅ ε 2 ) ( 3µ ⋅ l ' 3. 0. 0123 ⋅ ( f ⋅ r / c ) ⋅ S ⋅ W 2 Cambio de temperatura : ∆Tf [F ] = (1 + 1. 5ε 2 ) ps ⋅r 4 ∆T Tav [F o ] = Ts + 2 o. COJINETE EJE PRINCIPAL DEL TURBOCARGADOR. 15. 15. Figura 5.1 Vista seccional del ej e y coj inetes del turbocargador.. Tomado del anexo No. 12: Kelly Aerospace, Turbocharger Assemblies Drawings, P/N: CF600573. 36.
(37) IM-2004-II-29. Modelo de Shigley in r c l' N RPS A T [F], [C] W [lbf], [N] P [psi], [Pa]. mm 0,26475 0,001574 0,27625 5,00E+04 8,33E+02. m 6,725 0,02 7,02 100000. 0,006725 0,00002 0,00702 10000 1,67E+02. 240 115,55 0,9308 4,1405 3,18169194 21926,2013. 10W 10W(50000rpm) 20W 20W-50 (10000rpm) T 250 250 250 viscosidad 4,70E-07 6,70E-07 1,34E-06 Sommerfeld 3,48E+00 4,96E+00 9,93E+00 6,97E-01 l'/d 5,22E-01 5,22E-01 5,22E-01 0,521718602 e 1,30E-01 8,00E-02 4,00E-02 4,60E-01 fr/c 6,30E+01 9,00E+01 1,80E+02 1,07E+01 ∆Tf [F]. 15,47184515 31,9995454 128,917562. 0,409043797. Tav Ps [psi] Qs[in^3/s] Qs[lt/s]. 127,7359226 135,999773 184,458781 40 40 40 3,41E-01 2,36E-01 1,17E-01 5,59E-03 3,86E-03 1,92E-03. 120,2045219 40 4,39E-01 7,19E-03. Tabla 5.1 Simulación de parámetros para lubricación.. En el cuadro anterior, se plantearon varias simulaciones para distintos tipos de aceite, variando solo su viscosidad. Se realiza esta simulación asumiendo una temperatura T en la cual el aceite podría trabajar. A la vez se asume que se bombeara el aceite a 40 psi, que es una regulación promedio por los turbocargadores, y una velocidad rotacional a la que se espera trabajar. La 16 variación del numero Sommerfeld esta dado por la viscosidad del aceite. De esta manera obtenemos unos flujos volumétricos relativamente pequeños, por lo que se tomaron en cuenta para el diseño del tanque de almacenamiento del lubricante. 16. El numero Sommerfeld contiene muchos de los parámetros en el diseño de cojinetes y rodamientos, es adimensional.. 37.
(38) IM-2004-II-29. Los datos resaltados fueron obtenidos por gráficos suministrados en el modelo de Shigley para lubricación.. 5.2 Bomba de Aceite. La bomba proviene de un automóvil cuyas referencias son desconocidas dado que fue donado por un taller mecánico de automóviles, sin embargo se realizó la caracterización de este componente para conocer su capacidad de desplazamiento volumétrico, caudal y velocidad rotacional de operación. Es una bomba de tipo rotativo, es decir que el fluido es impulsado por dos piñones, donde uno de ellos es el seguidor. Estas son sus características: L = 25mm D = 29,6mm d = 20,6 mm N = 12 dientes. Figura 5.2 Piñones de la bomba de aceite. 38.
(39) IM-2004-II-29. Figura 5.3 Vista seccional de los piñones. Para la caracterización de una bomba rotativa se necesita saber el volumen desplazado teóricamente, el caudal y su velocidad angular.. caudal :. ⎞ ⎛π Q = η ⋅ ⎜ ⋅ l ⋅ (D 2 − d 2 ) ⎟ ⋅ n ⎠ ⎝4 ⎛π ⎞ Q = (0.8)⎜ ⋅ 0.025⋅ (0.02962 − 0.02062 ) ⎟ ⋅ n ⎝4 ⎠ Al usar un aceite de referencia 20W-50, vemos que el caudal demandado por el turbocargador es de 1.92E-03 litros por segundo. Para conocer la velocidad que se necesita, reemplazamos este valor en la ecuación anterior.. n=. 1.92E - 06 ⎛π ⎞ (0.8)⎜ ⋅ 0.025⋅ (0.02962 − 0.02062 ) ⎟ ⎝4 ⎠. 5.3 Motor Eléctrico. 39. = 0.27 Hz = 16 rpm.
(40) IM-2004-II-29. Figura 5.4 Motor Eléctrico. Este motor eléctrico trabaja de 3.5 a 30 voltios y genera 100 rpm a 12V con un amperaje de 0.1A. En este tópico, ajustamos el motor para poder obenter las 16 rpm que demanda la bomba de aceite. Con 4.5V y 0.07A el motor gira a 22 rpm. Se puede usar esta velocidad considerando las fuerzas viscosas del aceite y la eficiencia misma de la bomba. La potencia y el torque se pueden hallar de esta manera:. Potencia = V ⋅ A Potencia = 4.5 ⋅ 0.07 = 0.315 W Potencia 0.315 T= = = 1.16N ⋅ m n 0.27 Como fuente de energía usamos una batería de 9V. Se diseño un regulador de voltaje para alcanzar los 4.5V necesitados. Se realizó una modificación en el 17 circuito de un modelo convencional para regular voltaje , y se hizo su previa simulación. Este es el circuito:. 17. Tomado de : Luis Frino, Electrónica en Acción. Recopilado el 9 de dciembre del 2004 en http://www.frino.com.ar/motores.htm. 40.
(41) IM-2004-II-29. Figura 6.5 Circuito del regulador de v oltaj e. Los amplificadores trabajan como filtros y le dan una estabilidad a la señal. Los NANS (CD4011A) junto con el mosfet18 (IRF530) amplifican la corriente a la conexión del motor. La resistencia de 100K es el controla el voltaje, por lo cual se usó un potenciómetro de esta magnitud. Este regulador solamente trabaja hasta 12V. 5.4 Construcción del Tanque y Soportes Se construyó un tanque de lámina metálica, acero A36 con capacidad para albergar 7,87 litros de aceite. 5 láminas de espesor 1/16”, fueron soldadas con soldadura E6010. El turbocargador demanda 0.00192 litros por segundo, lo que es equivalente a un 1.5% de la capacidad del tanque consumido en un minuto. La tapa de este tanque es ajustado sobre los rebordes del tanque con tornillos de ¼”de diámetro UNC, y sostiene la bomba de aceite con su respectivo soporte con el motor eléctrico. 18. MAWS-feht. Siglas para metal-oxide semiconductor field-effect transistor, un tipo común de transistor en el cual los portadores de la carga, tales como electrones, fluyen a lo largo de los canales.. 41.
(42) IM-2004-II-29. Figura 5.5 Vista completa del Sistema de Lubricación.. El soporte que sostiene el motor eléctrico con la bomba de aceite esta compuesto por una placa metálica que soporta la bomba con la tapa del tanque a través de tres tornillos de ¼”de diámetro UNC.. Un pequeño acople sostiene ambos ejes entre la bomba y el motor, 2 prisioneros presionan sobre cada eje haciendo que el acople se una a la velocidad rotacional suministrado por el motor. 42.
(43) IM-2004-II-29. Figura 5.6 Soporte Bomba - Motor. .. Figura 5.7 Vista Superior Soporte. 43.
(44) IM-2004-II-29. Figura 5.8 Perspectiv a Soporte. Figura 5.9 Soporte ensamblado19. 19. Los diseños del soporte y del tanque están especificados en los anexos No. 2, 3, 4, 5, 6, 7. 44.
(45) IM-2004-II-29. 6. OPERACIÓN Y RESULTADOS 6.1 Turbocargador 6.1.1 Inspección y Componentes Al inicio del proyecto, el turbocargador se encontraba aislado en una de las secciones del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad de los Andes (CITEC). Al realizar la inspección del turbocargador, se observó notablemente que al girar el eje, éste rotaba con mucha dificultad. Para esto, 20 desensamblamos este componente y poder observar las piezas a profundidad. En la inspección se detalló que al turbocargador le faltaban las siguientes piezas:. Parte Numero CF600616-00 CF600400-00. Descripción Sleeve Shaft Shim (0.010). Tabla 7.1 Piezas Faltantes del Turbocargador. Y también que se necesitaban reemplazar los empaques, ya desgastados: Parte Numero CF600400-00 CF600406-00. Descripción Gasket Turbine Housing Gasket Compressor Housing Tabla 7.2 Empaques a reemplazar. Se buscaron y se obtuvieron estos elementos del exterior a través de una compañía importadora. Existía la opción de fabricar las piezas localmente, pero al ver que todo el componente está diseñado por elementos de alta tolerancia y precisión se tomó la decisión de adquirirlos externamente. Finalmente el turbocargador fue ensamblado con los torques requeridos según sus especificaciones. El eje rota libremente sin dificultad, que con la alimentación del lubricante, flota sobre una película delgada el cual le permite rotar hasta 50,000 rpm.. 20. Ver anexo No. 12. 45.
(46) IM-2004-II-29. Figura 6.1 Rotor del compresor, ej e y turbina. 6.1.2 Efectos por Funcionamiento al Turbocargador. El turbocargador al girar a tan altas revoluciones genera unos niveles de ruido tan 21 altos aproximándose hasta los 125dBA . Es por esto que se planteó la idea de colocar un silenciado de motocicleta o automóvil con el fin de sostener una comodidad cuando se vayan a realizar los estudios termodinámicos en el banco de prueba.. 6.2 Sistema de Lubricación Una vez construido todas las piezas, se puso en marcha este sistema. Se ensamblaron las piezas, se ajustaron los ejes de la bomba de aceite y el eje del motor al acople diseñado. Entre la tapa del tanque y la base del soporte de la bomba se colocaron empaques de neopreno para sellar el sistema de posibles fugas. Este motor esta ajustado por 3 tornillos a la base del motor eléctrico. Previamente se hizo un ensayo colocando un manómetro de presión para asegurar la presión que se necesita lubricar al turbocargador, el cual demanda de 22 20 hasta 40 psi según el fabricante . Así entonces, se conecto una batería de 9V para dar inicio a la rotación de la bomba. Unos segundos después, se observó que el bombeo del aceite pasaba por las mangueras, pero al llegar al manómetro no dio la suficiente presión y éste 21 22. Tomado el 15 de agosto del 2004 en : http://asciimation.co.nz/turbine/ Tomado de la referencia No. 4. 46.
(47) IM-2004-II-29. comenzó a decaer lentamente. Aparentemente, el motor tuvo que consumir mucha energía para suplir el torque necesario por las fuerzas viscosas del aceite.. En un segundo intento, se usó otro regulador de voltaje DC, perteneciente al CITEC y que fueron usados en experimentos para clases de mecánica de fluidos. Este regulador usa como fuente la toma de la pared, 120V. Surge un inconveniente con el regulador ya que se debe graduar el voltaje deseado en los primeros segundos después de estar conectado, el capacitor que éste contiene se carga en cuestión de segundos y se mantiene estable sin permitir su variación mientras esta conectado. Se realizaron algunas pruebas obteniendo presiones desde 19 hasta 37 psi, La tercera prueba se realizó con el turbocargador. Con este último regulador, bombeamos aceite a este elemento a 29 psi mientras girábamos la turbina con la ayuda del soplante a la entrada de éste. El turbocargador retroalimentó el aceite devolviéndolo nuevamente al tanque de depósito concluyendo así este ensayo del sistema.. 6.3 Cámara de Combustión Para la prueba de este componente se necesita la presencia del soplante, el cual simula la compresión de aire, función que se encarga el compresor del turbocargador. Para la realización de esta prueba se necesita estar en un lugar abierto. También se necesita sellar todas las conexiones, con la ayuda de un 23 sellante que se usa comercialmente en conexiones de gas . Con una extensión para el soplante, buscamos el encendido de esta cámara, lo acoplamos a la entrada de esta, abrimos la válvula del cilindro de gas propano y dejamos abierto la válvula cercana a la cámara. Finalmente se presionó la bobina generadora de chispa, pero no fue suficiente para el encendido de la cámara. Se asume que hubo exceso de aire para la mezcla con el combustible, y que el chispero pudo haber perdido contacto con la bobina generadora.. 23. Sellante Gastop fuerza alta .. 47.
(48) IM-2004-II-29. 6.4 Montaje Final. Figura 6.2 Montaj e Final. Como base se diseñó y se construyó esta caja metálica en el cual se montaron el sistema de lubricación, la cámara de combustión con sus sistemas auxiliares, y sobre esta cámara el turbocargador, el cual se sujeta por medio de una abrazadera con la salida de la cámara. Igualmente el ducto que conecta el compresor con la cámara se encuentra sujetado por dos abrazaderas en ambos puntos, entrada y salida.. 6.4.2 Instrucciones para el Encendido del Banco de Prueba a. Colocación del banco en un ambiente externo. b. Chequeo de útiles y elementos de seguridad. _ Guantes _ Tapa-oídos. 48.
(49) IM-2004-II-29. Caretas Revisión de ajustes de las conexiones de gas. Apertura de la válvula de control de combustible en la cámara de combustión. Revisión de ajustes del sistema de lubricación y el turbocargador. Encendido del sistema de lubricación. Apertura de la válvula del tanque de gas. Inicialización del generador de chispa. Apertura de flujo de aire proveniente del soplante a través del compresor ó la entrada de la cámara de combustión, una vez logrado el encendido del combustible. Este flujo, en un inicio deberá ser mínimo con el fin de no apagar la llama. Una vez alcanzado la ignición de la cámara, se retira el soplante para dejar que el compresor absorba el aire y que sostenga el ciclo de Brayton. Finalizando la ignición, se deberá cerrar la válvula del tanque de gas, y detener el flujo de lubricante una vez detenido la rotación del turbocargador. _. c. d. e. f. g. h.. i.. j.. Alguna anomalía en la llama, no rotación del turbocargador, no alimentación de aceite a este componente, u otra observación se deberá abortar todo el procedimiento de ignición.. 49.
(50) IM-2004-II-29. 7. CONCLUSIONES 7.1 Aportes 24 El proyecto de Carolina Lenz realizaba un primer intento de construcción de una turbina de gas, el cual sustentaba bastante satisfactorio la caracterización del turbocargador, pero no complementaba la construcción y la funcionalidad de la cámara de combustión. De ese proyecto solo permaneció el turbocargador, por lo cual fue necesario comenzar una nueva instalación.. Se logró el objetivo de colocar de nuevo puesta a punto este turbocargador. Sin conocer bien sus antecedentes, se inspeccionó detalladamente y reconocer las falencias que presentaba este elemento, la ausencia de algunas partes y el mal ensamblaje. Finalmente se logro completar el componente en su totalidad, y dar los ajustes apropiados para su funcionamiento. Con la prueba del sistema de lubricación se comprobó que el turbocargador se encontraba listo para ser usado, además que se simuló la rotación de su eje a partir del sistema de lubricación, haciéndolo que flotara por unos segundos sobre la película de aceite.. El diseño y la construcción de la cámara de combustión fue la sección más compleja de este proyecto. No se conocían y tampoco se encontraban patrones que nos ayudaran en el diseño de este elemento, la información era demasiado 25 recursiva. Finalmente gracias a la ayuda de Giandomenico hubo un gran aporte de ideas para comenzar su diseño, que aún durante su construcción se realizaron algunas correcciones con el fin de obtener una cámara sencilla y robusta. El diámetro de la garganta de salida del compresor era la clave. A partir de este dato se pudieron obtener algunos parámetros como la longitud, el diámetro externo, etc. de la cámara de combustión. De igual manera, la construcción el sistema de lubricación tomó algunas semanas para obtener un buen diseño y que facilitara una elaboración no compleja de este. Los ensayos que se hicieron a este sistema fueron satisfactorios. Se alcanzaron las presiones que demanda un turbocargador, con la ayuda de un moto-reductor que facilitaba la rotación de una bomba de aceite. 24 25. Ver Referencia No. 5 http://www.rcdon.com/html/gr-1_turbojet_engine_project.html. 50.
(51) IM-2004-II-29. 7.2 Recomendaciones. Para su operación, se deben tener todos los sistemas funcionando independientemente, es decir, certificar el bombeo de aceite, la generación de chispa, el ensamble del turbocargador, y que la cámara de combustión se encuentre sellada apropiadamente. En el encendido, se debe controlar la entrada de flujo del soplante, este flujo puede ser inducido por el compresor o por la entrada de la cámara de combustión, con el fin de garantizar el encendido de una llama con una mezcla equitativa de aire y combustible, de lo contrario el generador de chispa se verá comprometido por un alto flujo de aire, el cual mantendrá temperaturas bajas a la cámara. Esto último fue algo que sobrepasamos en alto y que hay que tenerlo muy en cuenta. Una vez concluido el encendido de esta cámara, el turbocargador se sostendrá gracias a la absorción de aire que demandara la cámara y que lo suministrara el compresor. La seguridad es un factor que juega desde los inicios de los diseños de los componentes hasta la prueba de la máquina. Se necesitan los guantes apropiados para manejar los líquidos, protección en el rostro y unos tapa-oidos debido al gran ruido que genera el turbocargador. El proyecto demandó una gran magnitud de trabajo e investigación por lo cual se necesitó mas del tiempo estipulado para su desarrollo. Aún así el proyecto no queda ahí. El siguiente paso consiste en la instrumentación de todos los sistemas y componentes buscar un apropiado diseño e implementación para poder verificar los parámetros resultantes que este banco de prueba genera. La evaluación de colocar un silenciador y un regenerador de gases quedó abierta pues mejorará la comodidad en su uso para cuando se vayan a realizar los estudios termodinámicos sobre este banco de prueba.. 51.
(52) IM-2004-II-29. BIBLIOGRAFÍA 1. ALLIEDSIGNAL AUTOMOTIVE. Aircraft Turbocharger & Control Reference with Troubleshooting Guide. P/N: TP25-0111-3. 13va edicion. 19993 Torrence, CA, EEUU 2. BORMAN, Gary. Combustión Engineering. Editorial McGraw Hill. 1998. EEUU. 3. BURTON – LOBOGUERRERO. Bombas Rotodinámicas y Desplazamiento Positivo. Editorial Uniandes. Julio 1999. Colombia 4. KNUTESON, Randy. The Kelly Aerospace Maintenance Technology. Octubre, 1997. EEUU.. Turbocharger.. de. Aircraft. 5. LENZ, Carolina. Diseño y Construcción de un Banco de Turbina de Gas a partir de un Turbocargador. Proyecto de grado. Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes. Bogota, Colombia 1998. 85 pag. 6. PRATT & WHINTEY. Training Guide and Description Manuals for PT6A41/42/45. Pratt & Whitney publication. 1997. 7. SAINZ, Valentin. El Motor de Reacción y sus sistemas auxiliares. Editorial Paraninfo. 8. SONNTAG, Richard. Fundamentals of Thermodynamics. Editorial John Wiley & Sons. 1990. EEUU 9. SHIGLEY, Joseph. Mechanical Engineering Design. Editorial McGraw Hill. 2001. EEUU 10. TURNS, Stephen. An Introduction to Combustion. Editorial McGraw Hill. 2000. EEUU.. 52.
(53) IM-2004-II-29. ANEXO A MAPA DEL COMPRESOR. 53.
(54) IM-2004-II-29. ANEXO B PLANO DEL TANQUE DE ACEITE. 54.
(55) IM-2004-II-29. ANEXO C PLANO DEL ACOPLE BOMBA-MOTOR. 55.
(56) IM-2004-II-29. ANEXO D PLANO SOPOTE BOMBA DE ACEITE. 56.
(57) IM-2004-II-29. ANEXO E PLANO SOPOTE MOTOR ELECTRICO. 57.
(58) IM-2004-II-29. ANEXO F PLANO CILINDRO SOPORTE BOMBA. 58.
(59) IM-2004-II-29. ANEXO G PLANO EXTENSOR DE LA VALVULA DE CONTROL. 59.
(60) IM-2004-II-29. ANEXO H PLANO DIFUSOR. 60.
(61) IM-2004-II-29. ANEXO I PLANO CAMARA EXTERIOR DE COMBUSTION. 61.
(62) IM-2004-II-29. ANEXO J PLANO TUBO DE LLAMA. 62.
(63) IM-2004-II-29. ANEXO K PLANO CAJA METALICA. 63.
(64) IM-2004-II-29. ANEXO L PLANO ENSAMBLE TURBOCARGADOR. 64.
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