Enfriamiento de álabes de turbinas de gas con substancias alternativas Participantes en el proyecto: Miguel Toledo Velásquez, Luis Alfonso Moreno Pacheco, Victoria Esquivel Lara, Miguel Valdovinos Lombera, Raúl Cruz Vicencio, Guilibaldo Tolentino Eslava, Tiburcio Fernándes Roque, Jorge Luis Garrido Tellez. Resumen: En este trabajo se obtuvo el análisis completo de los problemas de enfriamiento en el flujo principal para álabes que tienen perforaciones para enfriamiento por película. Asimismo se hizo un análisis completo de características que pueden tener diferentes substancias que se pueden utilizar como flujo secundario o flujo de enfriamiento para ser mezcladas con el flujo principal de los gases de combustión que provienen de la cámara de combustión y que entran al primer paso de la turbina de gas, entre estos puede señalarse el bióxido de carbono. Introducción: El ciclo de trabajo de una turbina de gas es un ciclo termodinámico abierto que en el campo de la ingeniería consiste básicamente de cuatro procesos, desde el punto de vista teórico las ecuaciones mencionan que la potencia de estar turbomaquinas se puede incrementar a cada grado que se incremente la temperatura T 3 o bien TET de los gases de combustión que entran a la turbina, haciendo el proceso así mucho más eficiente. Lo anterior acarrea diferentes problemas tecnológicos, principalmente en el área de materiales que tendrían que ser sin enfriamiento,materiales totalmente cerámicos pero el costo de los mismos y su manufactura incrementaría el costo de la turbomáquina por lo que se requieren hacer estudios en metales y aleaciones ya que estos tienen un límite de temperatura en el cual pueden perder sus propiedades y normalmente estos elementos presentan grietas o rupturas en los álabes causando grandes daños por la velocidad de giro que tiene la turbina en la turbomáquina. El otro campo importante de la investigación ha sido desde 1944/54 por el profesor Ernst Schmidt en Alemania, el de sistemas de enfriamiento, comenzando en aquella época por el sistema de enfriamiento por convección en los álabes, a partir de entonces se observó que este método arrojaba grandes beneficios como es el que los álabes de turbinas de gas enfriados así tenían más horas de operación por lo que el costo y su eficiencia tenían una relación que permitía tomar la decisión de continuar por este camino. Se desarrollaron varios métodos de enfriamiento como son el de convección, el de chorro o golpe, el de película y el de transpiración.

Figura 1. Sistema de enfriamiento en álabes por película De acuerdo con las consideraciones de los sistemas de enfriamiento se formuló una propuesta de esta investigación seleccionándose el sistema de enfriamiento por película, como se muestra en la figura 2, asimismo se buscó la información para hacer el planteamiento de los experimentos que se podían realizar y del tipo de programa que se podría desarrollar para que fuese un programa de software amigable. Otro de los elementos importantes en esta investigación se muestra en las Figuras 3 y 4 de conceptos de enfriamiento y de flujo principal que intervienen en el análisis del funcionamiento y operación de las turbinas de gas cuando se tienen condiciones de termperatura de entrada a la turbina de gases de combustión mayores a 1400º K.

Figura 2 . Distribución de flujo en las cercanías de un orificio de inyección. Métodos y materiales: El método de enfriamiento que ha sido el más utilizado bajo el concepto de sistema de enfriamiento por película, porque hasta los últimos años es el que ha reportado los mejore resultados y su implementación desde el punto de vista experimental y de diseño computacional ha sido más viable. En este método, por ejemplo, se pueden realizar experimentos únicamente con aire como flujo principal mediante una analogía de temperaturas de números de Reynolds y de número de Mach, simulando las condiciones en que se encuentran los gases de combustión a la entrada a la turbina y como flujo secundario aire que se encuentra en el medio ambiente. Una de las razones para hacer simulación, análisis dimensional y semejanza es que se debe tener presente que en la tecnología de turbinas de gas normalmente las presiones de entrada en la turbina son mayores a 20 bar y menores a 30 bar. En cambio la temperatura de entrada a la turbina puede ser desde 900 º K hasta 1800 º K que son valores en la actualidad que permiten un alto desempeño de la máquina, por lo que para que los materiales utilizados puedan durar más horas de operación se requiere del sistema de enfriamiento por película para formar así una película de protección en los álabes y pueda tener un mayor rendimiento el álabe y la turbomáquina. Para este proyecto se eligió, en trabajo conjunto que se ha realizado con el Instituto de Turbomaquinaria de la Universidad de Hannover y el Laboratorio de Ingeniería Térmica e Hidráulica Aplicada , la parte experimental que se realizó en dicho instituto como se muestra en la figura 5: ÁLABE

TOBERA

FLUJO DE ENFRIAMIENTO

UBICACIÓN EN SENSORES

Figura 3. Instalación experimental. Conformado por: tobera convergete-divergente, para acelerar el flujo, álabe de estator con perforaciones para enfriamiento por película, y localización de instrumentación. Los álabes utilizados en la investigación fueron elementos de una corona estatora conocidos como gemelos como se muestra en la siguiente figura:

Figura 4 .Geometría del álabe estator usado.

De acuerdo con los datos proporcionados por el Instituto de Turbomaquinaria el proyecto realizado en México permitió realizar toda la programación y validación de los resultados experimentales Para procesar estos datos y analizar los efectos del enfriamiento en el perfil de velocidades se realizó un programa en lenguaje PHP (pre-procesador de Hipertexto) “Hyper-text pre-processor” por sus siglas en inglés, que captura las mediciones realizadas antes y después de un álabe, realiza los cálculos, para finalmente presentar gráficas del comportamiento de perfil de velocidades, así como resultados en forma tabulada. La programación se realizó en PHP para hacer que el programa sea multiusuario y de aplicación global ya que PHP es un lenguaje de control y proceso que opera en la Internet. Finalmente se realiza el análisis de los resultados haciendo énfasis en las variables principales (pérdidas, velocidades y angulos) entre el álabe que no lleva enfriamiento contra un álabe enfriado con CO2 usando los resultados obtenidos por el programa. Algoritmo y diagrama de flujo El algoritmo del programa se describe de manera general mediante la secuencia lógica de los procesos de alimentación de datos, la administración del proyecto así como las operaciones y salidas señalando los puntos en donde se requiere alguna acción por parte del usuario, el algoritmo se presenta en la figura 7.

Figura 5. Diagrama de bloques del programa.

El diagrama de flujo es la representación mediante representaciones geométricas en las funciones y operaciones realizadas dentro de un programa de cómputo como se muestra a continuación.

Las variables del campo de mediciones se deberán cargas en la tabla que se genera en la pantalla seleccionando la liga. Además, seleccionando la liga para ayuda en la parte inferior de la pantalla aparecerán las descripciones adecuadas. Como se puede observar en el diagrama de flujo es notorio que existen otros que se encuentran en el programa principal ya desarrollados dentro del Software general producto de esta investigación.

Resultados: Aquí se presenta la discusión de los resultados del ángulo de flujo, de velocidades y de pérdidas, así como el comportamiento del fluido de trabajo. Algunos de los resultados se muestran en las siguientes figuras:

Figura 6. Formato y abreviaturas de gráficas para variables individuales

Figura 7. Ubicación del álabe y campo de mediciones con respecto a las superficies de nivel.

Figura 8. Campo tridimensional de mediciones del ángulo de flujo a la salida del álabe. ( No enfriamiento).

Figura 9. Campo tridimensional del ángulo de flujo a la salida del álabe. ( Con CO2 como enfriamiento )

Figura 10. Comparación de pérdidas sin enfriamiento y enfriamiento con CO2 en la coordenada radial de 22.5mm. Impacto: La conclusión de este programa permite señalar que se tuvo un avance en el área de tecnología de turbomaquinaria similar a la que existe en los países de primer mundo, ya que este desarrollo permite a empresas consumidoras de este tipo de equipos como son las del sector público-CFE, PEMEX-y del sector privado-Grupo Modelo. Por otra parte, se puede concluir lo siguiente. Se desarrolló un programa computacional que calcula el perfil de estator enfriado por el método de película. Se compararon los perfiles de velocidades, ángulos y pérdidas en el caso de no existir enfriamiento y en el caso de inyección con CO2. Además el ángulo de flujo promedio resultante con película de enfriamiento de CO2 fue de 18.4319 grados, siendo este ángulo 5.47% menor que el ángulo de flujo restante fue de 18.0190 grados siendo este ángulo 7.59% menor que el ángulo de diseño, el cual fue establecido en 19.5º. Las pérdidas promedio del perfil bajo las dos condiciones de enfriamiento fueron de 0.1175 sin enfriamiento contra 0.0765 con el enfriamiento por película aplicado al álabe. Las pérdidas fueron en promedio 31. 472% menores en el caso con enfriamiento por película.