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7/25/2019 Informe Final de Turbina de Gas
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Repblica Bolivariana de Venezuela
Universidad Nacional Experimental Politcnica Antonio Jos de Sucre
Vicerrectorado Luis Caballero Mejas
Ctedra: Instalaciones Trmicas
Profesor: Integrantes:
Carlos Segura Grupo Nro. 2
Caracas, septiembre de 2015
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INTEGRANTES DEL GRUPO Nro.2
NOMBRES EXPEDIENTE
1.- lvarez Jos 2011203144
2.- Colmenares Gregori 2011103261
3.- Daz Octavio 200510580
4.- Espinoza Frank 2011103016
5.- Moreno Alexis 2009203016
6.- Peinado Juleina 2009103119
7.- Pereira Cesar 2011203090
8.- Rangel Daniel 2011103031
9.- Rivera Joel 2011103040
10.- Rodrguez Carlos 2010203364
11.- Rojas Ricardo 2010203167
12.- Snchez Miguel 2010103208
13.- Santana Cesar 2011103016
14.- Surez Juan 2010203037
15.- Villegas Nixon 2010103295
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INDICE
INTRODUCCIN ..1
OBJETIVOS ...2
TEORA .....3 - 8
EQUIPOS UTILIZADOS........9 - 10
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.......11 - 12
ANLISIS DIMENSIONAL........... 13
CLCULOS Y RESULTADOS...14 - 17
DISCUSIN DE RESULTADOS18
CONCLUSIN .19
RECOMENDACIN...20
ANEXOS...21 - 23
BIBLIOGRAFA...24
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INTRODUCCIN
La turbina cussons de gas de doble eje incorpora un conjunto de generador,
compresor de gas de flujo axial, una turbina de flujo radial y una cmara de combustin de
gas. La unidad est diseada para permitir un anlisis de la caracterstica de un generador
de gas, una turbina de potencia y una cmara de combustin utilizando la instrumentacin
situada en el panel. Es posible hacerla trabajar sobre un rango muy amplio de velocidad y
carga, que junto con la facilidad para variar la variacin de velocidades entre el generador
de gas y la turbina de potencia, hace que se pueda llevar a cabo un programa muy completo
de ensayos. Los servicios empleados en ella son electricidad, agua y bomba de aceite.
Las turbinas de gas se utilizan cada vez ms en las centrales elctricas para una
variedad de aplicaciones en todo el mundo. Originalmente fueron solamente desarrolladaspara la propulsin de aviones donde su inherente bajo peso especfico (i.e masa/potencia de
unidad) las haca esenciales para vuelos de alta velocidad. Por esta razn particular fueron
desarrolladas a un alto grado de rendimiento en trminos termodinmicos y mecnicos.
Debido parcialmente al mpetu del campo de motores de avin y tambin a otras
ventajas operacionales significativas, las turbinas de gas industriales han sido y estn
siendo desarrolladas para aplicaciones tan diversas como para las centrales de pico, bombas
de bomberos, unidades compresoras y de bombeo de gas natural, energa de planta yplantas de proceso de calentamiento, propulsin de camiones pesados, propulsin de trenes
y barcos. La Unidad de Turbina de Gas P9005 de Cussons se ofrece ahora como mquina
de doble eje con equipo de arranque incorporado, sistema de absorcin de potencia y
opcin de registro de datos (P9008). Ofrece los medios de poder llevar a cabo un extenso
programa de experimentos de la tecnologa de las turbinas de gas utilizando solamente la
instrumentacin o vista.
Las caractersticas particulares de la Turbina de Gas de doble eje son su versatilidad,
facilidad de operacin, seguridad y bajos niveles de ruido. Toda la instrumentacin y los
controles se hallan en el panel, el cual muestra un diagrama de flujo con una clara
indicacin de todas las mediciones identificadas mediante smbolos e indicadores
luminosos. La medicin del par de turbina se logra mediante un dinammetro elctrico
calibrado.
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OBJETIVOS
Objetivo General
Conocer el funcionamiento y las partes que integran un ciclo brayton (turbina de gas).
Objetivos Especficos
Encender la turbina de gas.
Identificar los componentes de una turbina de gas.
Apreciar los parmetros de la turbina de gas.
Calcular la eficiencia de la turbina de gas.
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TEORA
Turbinas de gas
Una turbina de gas es un motor que utiliza el flujo de un gas como flujo de trabajo,
para convertir energa trmica en energa mecnica. Las turbinas de gas (TG) se
caracterizan por presentar una baja relacin peso potencia y una velocidad de giro elevada.
Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y
la generacin de energa elctrica.
Cuando se emplean en propulsin de aviones, la turbina de gas produce la potencia
suficiente para accionar el compresor y un generador elctrico que alimenta el equipo
auxiliar. Los gases de escape a velocidad alta son los que generan el empuje necesario paramover la aeronave. Las turbinas de gas tambin se utilizan en centrales estacionarias que
producen energa elctrica. Las centrales elctricas de turbina de gas son empleadas por la
industria de generacin elctrica en emergencias y durante periodos picos debido a su bajo
costo y tiempo de respuesta rpido.
Compresores
Los compresores, as como las bombas y los ventiladores, son dispositivos tiles paraaumentar la presin de un fluido. El trabajo es suministrado a estos dispositivos por una
fuente externa mediante un eje rotatorio. Una vez que el gas se comprimi es enviado a la
cmara de combustin. En general existen dos tipos de compresores los centrfugos y los de
flujo axial. A continuacin se describe el principio de funcionamiento de cada uno de ellos.
El compresor centrfugo (Fig. 1.1) consiste de una carcasa fija que contiene en su
interior un rodete que al girar imprime una gran velocidad al aire, ms una serie deconductos divergentes fijos en los cuales el aire se desacelera con el consiguiente aumento
de la presin esttica. Este ltimo proceso es una difusin y en consecuencia la parte del
compresor que comprende dichos conductos divergentes se le conoce como difusor.
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Figura 1.1 Partes de un Compresor Centrfugo.
Las ventajas del compresor centrfugo son que ocupa un espacio menor que el
compresor axial equivalente y que su comportamiento no se ve afectado por la acumulacin
de depsitos en las superficies de los canales de aire al trabajar en una atmosferacontaminada y es capaz de funcionar con un buen rendimiento dentro de un amplio margen
de gastos msicos para cualquier velocidad de giro.
En el compresor de flujo axial (Fig.1.2) se aplica el principio bsico de la aceleracin
del fluido seguida de una desaceleracin o difusin que convierte la energa cintica
adquirida en aumento de presin, esto se consiguen haciendo pasar el fluido a travs de una
sucesin de conductos que se van ensanchando, con las consiguientes disminuciones de lavelocidad.
Este proceso se lleva a cabo en una serie de pasos o escalonamientos. El flujo del gas
es paralelo al eje del compresor y no cambia de sentido como en los compresores
centrfugos.
Figura 1.2 Compresor de Flujo Axial
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Cmara de combustin
La cmara de combustin (Fig. 1.3) es el lugar donde se realiza la combustin . La
combustin es continua y solo requiere una chispa elctrica para iniciar el proceso, despus
de lo cual la llama debe ser autosostenida. Cuanto mayor sea la temperatura de la
combustin mayor ser la potencia a desarrollar por la turbina, es por ello que el diseo
delas cmaras de combustin est enfocado a soportar temperaturas superiores a los
1000C, mediante recubrimientos cermicos, y a su vez evitar que el calor producido dae
otras partes de la turbina que no estn diseadas para soportar temperaturas altas. A
menudo se divide al aire que sale del compresor en una serie de corrientes, cada una de las
cuales alimenta a una cmara de combustin tubular. Estas cmaras se hallan espaciadas
alrededor del eje que une al compresor y la turbina.
Figura 1.3 Cmara de Combustin de gas Industrial.
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Turbina
La turbina es un motor basado en la rotacin de una rueda con labes curvados,
colocados en su periferia que recibe el impacto de una corriente de vapor, gas o agua En las
turbinas de gas el fluido es el gas proveniente de la cmara de combustin y est diseada
para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustin y convertir su energa
cintica en energa mecnica de rotacin.
Ciclo brayton
Las turbinas de gas en ciclo abierto o cerrado operan con base en el principio del
ciclo de potencia Brayton tambin llamado de Joule, en donde el aire comprimido esmezclado con el combustible y quemado bajo condiciones de presin constante. El gas
caliente producido por la combustin se expande a travs de la turbina y la hace girar para
realizar trabajo.
Ciclo abierto
El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir la energa en forma de
calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en trminos de eficiencia trmica. A
continuacin se muestra el ciclo Brayton en su modalidad de ciclo abierto (Fig. 1.4).
Figura 1.4 Ciclo Abierto de una Turbina de Gas.
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Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura
1.4 Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su
temperatura y presin se elevan. El aire a presin alta sigue hacia la cmara de combustin
donde se mezcla con el combustible y se quema a presin constante. Luego los gases de
temperatura alta que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin
atmosfrica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la
turbina se expulsan hacia la atmsfera lo que provoca que el ciclo sea abierto.
Ciclo cerrado
El ciclo Brayton en su modalidad de ciclo cerrado (Fig. 1.5) es el siguiente:
Figura 1.5 Ciclo Cerrado de una Turbina de gas.
Este ciclo est integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2
compresin isentrpica (en el compresor), 2-3 Adicin de calor a presin constante, 3-4
Expansin isentrpica (en la turbina), 4-1 Rechazo de calor a presin constante.
En este ciclo los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el
proceso de combustin se sustituye por un proceso de adicin de calor a presin constante
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de una fuente externa (fluido auxiliar) en la cmara de combustin. En el proceso de escape
no hay descarga hacia la superficie sino que los gases son redirigidos para ser enfriados
antes de vuelvan a entrar al compresor.
Descripcin general de la turbina de gas del laboratorio
La unidad de la Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd est
construida con un sistema de entrada de aire y una unidad de carga elctrica. Es un equipo
independiente que cuenta con un generador de gas (compresor, eje y turbina de trabajo),
turbina de potencia, unidad de carga, instrumentacin y un control manual, todo esto
montado en un mdulo. Adems la TG cuenta con un panel frontal (Fig. 1.6) dotado con las
vlvulas y los indicadores para manipular y medir las variables del proceso. El panel frontalde la TG muestra la secuencia del proceso. El proceso de la turbina comienza energizando
el soplador, el aire es direccionado por medio de una vlvula de dos posiciones accionada
desde el panel frontal. En la posicin de Start el aire sigue una trayectoria desde el
soplador hasta la cmara de combustin a travs del eje comn del compresor y la turbina
de trabajo. En este punto se inicia el suministro del gas que servir de combustible para la
ignicin en la cmara de combustin, para llegar a ese punto previamente se regula la
presin y el flujo del gas por medio de la vlvula reductora y de la vlvula de gas las dos
manipuladas manualmente.
La combustin en la cmara de combustin se inicia con una chispa dentro sta. Los
gases de la cmara de combustin mueven la turbina de trabajo, cuando el indicador de
velocidad de la turbina de trabajo alcanzan las 1000 RPS, se cambia la posicin de la
vlvula de aire a la posicin Run direccionado as el aire del soplador hacia el
silenciador, permitiendo que el compresor comience a trabajar y llevando al sistema de
inicio a un estado estable. Los gases despus de pasar por la turbina de trabajo se
direccionan a la turbina de potencia que tiene acoplado un generador elctrico. Por ltimo
los gases de la turbina de potencia se descargan a la atmsfera a travs de la chimenea.
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EQUIPOS UTILIZADOS
Unidad Turbina de Gas (TG) de dos ejes P9005 de la marca Cussons Ltd.
Vista frontal de la unidad de turbina de gas de doble eje
Este sistema est conformado por los siguientes componentes:
A -Silenciador de Admisin de Aire.
B Compresor.
C -Cmara de Combustin.
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D -Turbina Generadora de Gas.
E -Turbina de Potencia.
F -Silenciador de Escape.
G -Compresor de Aire de Arranque.
HDinammetro.
I -Deposito de Aceite.
J -Bomba de Aceite.
K -Refrigerador de Aceite.
L -Admisin Elctrica Principal.
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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Arranque
1.- Conectar el agua de refrigeracin y el drenaje.
2.- Conectar la botella de gas.
3.- Conectar la alimentacin elctrica.
4.- Ajustar el control de entrada de aire a la posicin de arranque.
5.- Cerrar la vlvula de gas y abrir la vlvula en la botella de gas.
6.- Ajustar la excitacin del dinammetro a un mximo.
7.- Poner en marcha la bomba de aceite.
8.- Apretar el botn de puesta cero.
9.- Poner en marcha el soplante.
10.- Ajustar la presin del gas a 2.0 bar con la vlvula reductora.
11.- Apretar el botn de encendido y mantenerlo con la vlvula de gas abierta hasta
obtener un flujo de gas de 5 kg/s.
12.- Si hay un encendido, lo que se ve con el aumento de la temperatura T3, y esto debe
ocurrir en unos 5 segundos de flujo de gas. Pero si no lo hubiera se cierra la vlvula de gas
hasta que los gases no quemados desaparezcan en el sistema, antes de empezar otra vez enel 11.
13.- Soltar el botn de encendido.
14.- Abrir la vlvula de gas lentamente hasta tener una velocidad en el generador de gas
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de una 1000 rev/s teniendo cuidado de mantener la temperatura de la cmara de combustin
por debajo de 800 C( esta operacin puede necesitar unos minutos, dependiendo de la
temperatura del aceite).
15.- Llevar el control de aire de entrada a la posicin de marcha.
16.- Cerrar el soplante.
17.- Permitir que la turbina gire a unas 1000 rev/s hasta que la temperatura del aceite
alcance unas 95 C.
18.-Comenzar el procedimiento de ensayo.
NOTA:
A) Ajustar la presin del gas a 1.5 bar antes de hacer lecturas del flujo de gas.
B) No exceder de 1500 rev/s la velocidad del generador de gas.
C) No exceder de 600 rev/s la velocidad de la turbina de potencia.
D) El equipo est provisto de varias medidas de seguridad. Si la temperatura de la cmara
de combustin T3 pasara de 800 C, debido a exceso de combustible , o si la presin del
aceite baja de 1.5 bar entonces la alimentacin de gas queda cortada mediante una vlvula
selenoidal, Para volver a ponerla en marcha seguir las instrucciones de 4 -17.
Parada
1.- Cerrar la llave de la botella de gas.
2.- Cerrar de la vlvula de gas.
3.- Mantener el agua de refrigeracin y la bomba de aceite en marcha hasta que la
temperatura del aceite baje a 50 C.
4.- Desconectar la alimentacin elctrica.
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ANLISIS DIMENSIONAL
ECUACION N1Potencia requerida por el compresor:
( ) ( )
Dnde: potencia requerida por elcompresor
:flujo msico del aire
entalpia a la salida del compresorentalpia a la entrada del compresor
ECUACION N2Calor entregado por la cmara de
combustin:
( ) ( )
Dnde: calor entregado por la cmara decombustin flujo msico del aireentalpia a la salida de la cmara decombustinentalpia a la entrada de la cmara decombustin
ECUACION N4Potencia suministrada por la turbina:
( ) ( )
Dnde: potencia requerida por elcompresor :flujo msico del aireentalpia a la salida del compresorentalpia a la entrada del compresor
ECUACION N5Flujo msico de la sustancia de trabajo
(aire) :
ECUACION N5Eficiencia trmica de la turbina a gas:
( )
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CALCULOS Y RESULTADOS
Datos
T1 Tg T2R T3R T4R T5R P3R P4 P2-P3R
39 33 80 900 720 620 0.4 // 2Nota: Estas temperaturas estn medidas en grados Celsius (C), para efecto de clculo fuenecesario realizar una conversin a grados Kelvin (K)
Flujo de Gas(Gr/seg)
R.P.MTurbina
R.P.M GG Voltaje AmperajePresin de
Aceite
1.7 450 1100 36 20 3.5
Nota: estos datos fueron medidos experimentalmente desde el panel de mediciones de laturbina empleada en la prctica; Las temperaturas fueron medidas en grados Celsius (C);Las presiones medias en Bar; La diferencia de presin en mmHg.
Datos obtenidos tericamente
Entalpias Reales(KJ/Kg)
Temperaturas Ideales(K)
Flujo msicode trabajo(Kg/seg)
Potencia delcompresor (KW)
h2r = 353.51 T2 = 337.82
0.1191 5.513h3r = 1247.1 T3 = T3Rh4r = 1077 T4 = 1117.42
h5r = 957.94 T5 = 851.40Nota: Por la diferencia tan pequea que presenta la presin entre los tramos 2 y 3, seasumir que el proceso ocurri de manera isobrica y por lo tanto T3 = T3R; para el clculo
de las temperaturas ideales, se asumi que el aire presenta propiedades constantes atemperatura ambiente (Cp = cte).
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Presiones(Kpa)
Potencia dela turbina
(KW)
Potencianeta (KW)
Caloraadido(KW)
Eficienciatrmica
Eficiencia deCarnot
P3 = 141.4
11.95 11.95 98.06 12.18 % 73.8 %P4 = 119.33Nota: El eje que conecta al compresor con la turbina de gas no es el mismo sobre el cualest montada la turbina de potencia, por lo cual la potencia producida por la primera turbinano suma a la potencia generada por la Turbina 2.
Trabajoideal
(KW)
Trabajoreal
(KW)
Eficiencia delcompresor
Eficiencia dela turbina de
gas
Eficiencia dela turbina de
potenciaCompresor 3.68 5.5367 % 30.87% 70.6%Turbina 1 21.52 6.64
Turbina 2 16.93 11.95
Las formulas usadas para la obtencin de estos valores fueron las siguientes :
()= Trabajo real de la turbina de gas
()= Trabajo ideal de la turbina de gas
()= Trabajo real del compresor
()= Trabajo ideal del compresor
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()= Trabajo real de la turbina de potencia
()= Trabajo ideal de la turbina de potencia
Esquema del ciclo de la turbina de gas
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Diagrama Temperatura Vs. Entropa
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DISCUSIN DE RESULTADOS
De acuerdo a los datos obtenidos despus de haber realizado el encendido de la
TURBINA DE GAS P9005 CUSSONS y observado el comportamiento de los dispositivos
y elementos de sta, se pudo analizar lo siguiente:
1. Los datos arrojados por los diferentes instrumentos de medicin no fueron un 100%
exacto, debido a que estos instrumentos presentaban problemas de calibracin.
2. Observando los trabajos ideales de los componentes (compresor, turbina 1 y 2) y
comparndolos con los trabajos reales podemos ver una variacin de este. El del
compresor aumenta y las turbinas disminuyen.
3. El trabajo requerido por el compresor para llevar el fluido de trabajo a una presin ms
elevada es del todo compensado por la primera turbina ya que el trabajo requerido por
el compresor de manera real es menor que el trabajo aportado por la turbina de gas de
esta manera es suficiente para que el compresor funcione correctamente. Al igual de
manera ideal la turbina de gas satisface la demanda del compresor y se presenta un
remanente de trabajo considerable por parte de la turbina de gas.
4. El trabajo ideal aportado por la turbina de gas presenta una disminucin considerable
cuando lo comparamos con su trabajo real, haciendo esto que la eficiencia sea muy
baja.5. Las eficiencias obtenidas con los datos arrojados por la turbina muestran un desbalance
en cuanto a la turbina de gas y la turbina de potencia pudiendo decir que si elevamos la
eficiencia de la primera turbina hasta un valor cercano o igual a la segunda turbina
obtendremos un mejor rendimiento del compresor y as un mejor trabajo de la turbina
en general.
6. Estudiando una maquina te carnot que trabaje entre los mismos lmites de temperatura
podemos tener una eficiencia de carnot del 73,8%, pudiendo decir que la turbina con
una eficiencia de 12,18% se puede mejorar hasta aproximarse a un valor ms cercano
que el de una mquina de carnot.
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CONCLUSIN
La turbina de Gas de doble eje marca CUSSONS cuyo funcionamiento es el de un ciclo
Brayton est diseada especficamente para la generacin de energa. La misma es
producida netamente por la turbina de potencia, ya que la otra turbina que se encuentra en
el sistema est diseada nica y exclusivamente para suministrar la potencia que necesita el
compresor; este proceso se conoce como trabajo de retroceso, lo que hace que este sistema
o este equipo despus de un determinado tiempo sea autosustentable.
El diagrama T-S correspondiente al ciclo, es importante ya que proporciona
informacin acerca de los intervalos mximos y mnimos de los diferentes puntos de este
proceso de produccin o generacin de energa. Esto nos ayuda a identificar cuando existe
una situacin de prdida en el ciclo bien sea real el mismo, o nos ayuda de la misma forma
a identificar como son los procesos cuando este mismo es ideal.
Para la realizacin de la prctica se fijaron varios objetivos, entre los cuales
destacaba el encendido del equipo, el cual se pudo cumplir de manera exitosa, pudiendo as
recaudar datos necesarios para la realizacin de los clculos que se necesitan para hallar las
distintas eficiencias planteadas en los objetivos especficos, este encendido del equipo no
se realiz una vez sino dos veces y por ende se logr de nuevo alcanzar el objetivo durante
el experimento.
Como objetivo tambin se plante el clculo de la eficiencia del equipo estudiado;
as como tambin de los diferentes componentes que la conforman pudiendo alcanzar lo
antes dicho, siendo la eficiencia trmica 12.18 %, la eficiencia del compresor 67 %, la
eficiencia de la turbina de gas 30.87% y la eficiencia de la turbina de potencia 70.6%.
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RECOMENDACIN
A la hora de iniciar la prctica de turbina de gas se deben tener en consideracin ciertos
parmetros para que la prctica se pueda realizar con xito y sin ningn inconveniente
como lo pueden ser los siguientes:
Verificar el suministro de agua, electricidad y combustible que necesita la mquina
para su funcionamiento.
Seguir todos y cada uno de los pasos establecidos por el fabricante para el
encendido y posterior funcionamiento. Tener en cuenta que el compresor y la
cmara de combustin requieren un suministro de aire inicial que hay que controlar
para poder encender dicha maquina con xito.
Controlar cada uno de los indicadores de la mquina para no llevar est a
condiciones de trabajo forzadas.
Un buen funcionamiento de esta mquina requiere mantenimientos para as evitar
problemas hoy en da existentes. Como lo son el bote de aceite presente en el sistema de
refrigeracin, la mala ignicin en algunos momentos de la cmara de combustin o la
produccin de energa por parte de la turbina de potencia.
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ANEXOS
Turbina de gas marca CUSSONS en funcionamiento
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Despiece de una turbina de gas
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Esquema del ciclo de turbina de gas
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BIBLIOGRAFA
Gordon J. Van Wylen.
Fundamento de termodinmica, 2da edicin.
Mexico: Limusa Wyle. (2009).
M. David Burghardt
Ingenieria termodinmica, 2da edicin.
Mexico: Harla. (1984).
Cengel. Yunus A.
Termodinmica (2009)
Manual del usuario. Turbina de gas de doble flecha cussons technology ltd p9005.
Material suministrado por el Ing. Carlos segura.