3tg eimluzjjgl

RepúblicaBolivariana deVenezuela
UniversidaddelZulia
FacultaddeIngeniería
Escuelade Mecánica
Prof. Juan José González López
Junio 21

JJGL
TURBINAS DE GAS TEMA 2
Componentes mayores en la TG
UniversidaddelZulia
Facultadde Ingeniería
COMPONENTES MAYORES:
Introducción: Máquinas de fluidos Conceptos y Clasificación. Parámetros
adimensionales(repaso)
Compresores. Funcionamiento de compresores centrífugos (sera visto en módulo 5).
Compresores de flujo axial. Teoría de alabes. Oleaje y “Stall”. Sistema de Alabes Guía y
Válvulas de Alivio. Características de funcionamiento de compresor de flujo axial.
Turbinas. Turbina de flujo Axial. Turbinas de impulso y reacción. Conceptos de
enfriamiento de alabes de turbinas.
Cámaras de combustión. Combustión. Combustores. Atomización de combustible e
ignición. Arreglos típicos de combustores. Tubos Cruzallama. Piezas de Transición. Bujías
de Encendido. Detectores de Llama. Problemas de contaminación, Inyección de agua,
vapor; Combustores DNE. Combustión catalítica. Combustibles Gas, Líquido y Dual,
especificación, Propiedades y Tratamiento.
CONTENIDO
CONTENIDO

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Parámetros adimensionales considerando efectos de compresibilidad
Considerando que el fluido, γ y D no varían, se tiene Parámetros cuasi- adimensionales
La relación de Parámetros cuasi- adimensionales se simplifica
En Los módulos de nivelación, se revisaron las representaciones del comportamiento de las
turbomáquinas en función de parámetros adimensionales o en función de parámetros cuasi
adimensionales.
ANÁLISIS DIMENSIONAL
REPASO
∆𝑇0
𝑇01
𝑃02
𝑃01
𝜂
𝑷𝟎𝟐
𝑷𝟎𝟏
, 𝜼,
𝚫𝑻𝟎
𝑻𝟎𝟏
= 𝒇
𝒎 𝑹𝑻𝟎𝟏
𝑫𝟐𝑷𝟎𝟏
,
𝑵 𝑫
𝑹𝑻𝟎𝟏
, 𝑹𝒆, 𝜸

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𝒘 =
𝒘
𝝆𝟎𝟏𝑵𝟑𝑫𝟓 = 𝑭
𝒎
𝝆𝟎𝟏𝑵 𝑫𝟑 ,
𝛁𝒉𝟎
𝑵𝟐𝑫𝟐 ,
𝑵𝑫
𝒂𝟎𝟏
,
𝝆𝟎𝟏𝑵𝑫𝟐
𝝁
,
𝜺
𝑫
, 𝜼 , 𝜸 , 𝑵𝒔
Mapa de comportamiento de un Compresor
Se puede establecer una relación funcional entre los parámetros adimensionales
Al hacer una
simplificación,
considerando un
tipo de máquina
específica los
parámetros se
reducen a los
cuasiadimensional
mostrados en el
mapa de la figura
ANÁLISIS DIMENSIONAL
REPASO

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5
Características del rotor según Ns
  4
/
3
2
/
1
H
Q
g
s

 
  4
/
3
2
/
1
H
Q
N
Ns 
ψ
H
1 g
N
D



Diámetro
Aproximado
min
/
Galones
en
Q
ft
H en
rpm
en
N
 
s
en /
m
Q 3
m
H en
81
.
9 2
s
m
g 
radianes/s
en

ANÁLISIS DIMENSIONAL (selección de Tipo de máquina)
REPASO

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 Se definen las máquinas de fluidos como sistemas mecánicos que
interacciona, en forma de trabajo, con un fluido.
 Analizando la interacción de trabajo se pueden clasificar las máquinas
de fluidos como Conductoras (aquellas en la que la máquina recibe el
trabajo cedido por el fluido, trabajo positivo) y Conducidas (aquellas en
que es el fluido de trabajo el que recibe el trabajo cedido por la maquina,
trabajo negativo). Además si se considera la forma de como se realiza la
interacción de trabajo podemos hacer otra clasificación : Máquinas de
desplazamiento positivo o volumétricas y Turbomáquinas
DEFINICIÓN:
REPASO

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El área bajo la curva en un
diagrama p-v representa el
trabajo de borde o de
desplazamiento.
TRABAJO DE BORDE O de Desplazamiento
X
Proceso de cuasi-equilibrio:
Proceso en el cual el sistema
permanece cerca del equilibrio todo
el tiempo.
𝛿𝑊𝑏 = 𝐹𝑑𝑥 = 𝑃𝑎𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛𝑑𝑥
𝑊 =
1
2
𝛿𝑊𝑏 =
1
2
𝐹𝑑𝑥 =
1
2
𝑝𝑎𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛𝑑𝑥
v
v
v
v
Trayectoria del
proceso
F
v
X1 X2
dx
apistón
Sistema
𝑊 =
1
2
𝑝𝑎𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛𝑑𝑥 =
1
2
𝑝𝑑v = A
𝑎𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛𝑑𝑥 = 𝑑v
REPASO

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Máquinas Desplazamiento, principio de funcionamiento
t
ciclos
ciclo
W
W #
*


Donde:
W es el trabajo realizado
P es la presión dentro de la máquina
v es el volumen del fluido dentro de la
máquina
Donde:

W Es la potencia
Máquinas de fluidos.
𝑾 =
𝟏
𝟐
𝑷 ∗ 𝒅𝒗
REPASO

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Máquinas Desplazamiento, características de funcionamiento
REPASO

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Clasificación Máquinas de fluidos según el Sentido del intercambio de
energía
¨Consumidoras de
Potencia Mecánica¨, la
energía del fluido
aumenta con la
interacción
¨Generadoras de
Potencia Mecánica¨,
la energía del fluido
disminuye con la
interacción
MAQUINAS
DE
FLUIDOS
Bombas
Compresores
Ventiladores y sopladores
Turbinas hidráulicas
Turbinas de vapor
Turbinas de gas
Motores alternativos
Conducidas:
Conductoras:
REPASO

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Clasificación de máquinas de fluidos según forma de intercambio
de energía
DESPLAZAMIENTO
POSITIVO
(Será estudiado con mas detalles
en el módulo 5)
TURBOMÁQUINAS
Según la dirección del
flujo respecto al eje
MAQUINAS
DE
FLUIDOS
ALTERNATIVAS
ROTATORIAS
Axial
Radial
Mixta
REPASO

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Máquinas Desplazamiento alternativas
Fig. 3 Máquinas de desplazamiento positivo alternativas
REPASO

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ECUACIÓN BÁSICA
 
1
1
2
2 C
*
R
C
*
R
* 

 


m
A

A
 es el torque aplicado sobre el eje AA


C es la componente tangencial de la velocidad
a la entrada o a la salida del impulsor.
R = es radio a la entrada o a la salida del impulsor

 





 W
C
U
C
U
m
A 1
1
2
2 *
*
*
* 


R
*


U
= Velocidad angular
U = Velocidad lineal del rotor
 
g
C
U
C
U 1
1
2
2 *
*
H 
 

H = Cabezal (energía por unidad de peso)
Q = caudal
 
dt
dm
dt
dW
/
/
C
*
U
C
*
U 1
1
2
2 
 

g
dt
dm
dt
dW H
/
/

=>
=>
TURBOMÁQUINAS:
REPASO

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14
Máquinas CONDUCTORAS
REPASO

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Máquinas CONDUCIDAS
REPASO

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Curva H Vs. Q (Turbo bomba)
REPASO

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Comparación de Máquinas Desplazamiento, con centrífugas
REPASO

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y
t
l
a
b
El perfil del álabe se define en una tabla de
valores de x, y, t
Donde se tiene que para x=a , y=b la
curvatura es máxima
Usualmente los perfiles se expresan en
función de la cuerda l , i.e la forma de la
linea de curvatura se define con valores de a
b y tmax como fracción de l
Borde de ataque
Borde de estela
x
y
Línea de curvatura
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL
REPASO

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𝛼´1 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 á𝑙𝑎𝑏𝑒
𝛼´2 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑙 á𝑙𝑎𝑏𝑒
𝛼2 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝛼1 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝜃 = á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑢𝑟𝑣𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎
𝑑𝑒𝑙 á𝑙𝑎𝑏𝑒 = 𝛼´1 − 𝛼´2
𝑖 = 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝛼1 − 𝛼´1
𝜀 = 𝑑𝑒𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 = 𝛼1 − 𝛼2
𝛿 = 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑣𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝛼2 − 𝛼´2
𝑠 = 𝑝𝑎𝑠𝑜
𝑙 = 𝑐𝑢𝑒𝑟𝑑𝑎
x= ángulo de ajuste o ataque
=(𝛼´1 + 𝛼´2)/2
𝐶1 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
𝐶2 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑎 𝑙𝑎 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
𝑡 = 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑙
𝜽
REPASO

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



























1
1
01
02
01





P
P
C
T p

 C
U 



1

2

2

1

1
x
C
)
,
,
,
( 2
1
01
02


x
C
U
función
P
P

 
2
1
2
1 tan
tan 



 





 x
C
U
W
C
U
C
 
2
1
2
tan
tan 

 


 x
UC
U
 
  1
01
2
1
2
01
02
1
tan
tan 



















p
x
C
T
UC
U
P
P
 
2
1
2
tan
tan 


 

 x
UC
U
 







 m
UC
U
m
W x }
tan
tan
{ 2
1
2




Rotor




 U
C
W 1
1
1
2





U
W
C
2
2
1

2


1
C

2
C

2
W

2
W
𝑪𝜽𝟏
Δ𝐶𝜃
𝑼
1
x
C
1
x
C
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL (Cantidad de movimiento en el rotor)

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Estator
Rotor
Alabe de Rotor
Alabe de Estator
T
R
P
A
C
A
C
m x
x
*
*
*



 
x
C
x
C
T
R
A
C
P
T
T
R
P
A
C
P
T
m x
x
*
*
*
*
*


Rm


 m
R
U P
A
T
R
m
Cx
*
*
*

Area anular
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL (CURVA DE OPERACIÓN)

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Rotor
Estator
Estator




 2
2 W
U
C




 U
C
W 1
1
0
1
2
3
xa
C
T
R
A
C
P
T
m x
*
*

02
02
P
P
a

1
C

1
W

U

2
W

U

2
C
𝑃𝑜2
𝑃𝑜1
=
 ∗ 𝑈2
− 𝑈𝐶𝑥 tan 𝛼1 + tan 𝛽2
𝑇𝑜1 ∗ 𝐶𝑝
+ 1
𝛾
𝛾−1
𝐶𝑥𝑎 =
𝑚𝑎 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇
𝐴 ∗ 𝑃
∆𝜔𝑚𝑎

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Rotor
Estator
Estator




 1
1 W
U
C




 U
C
W 2
2
0
1
2
3
i-
T
R
A
C
P
T
m x
*
*

02
02
P
P
a
b
xb
C
𝑃𝑜2
𝑃𝑜1
=
 ∗ 𝑈2
− 𝑈𝐶𝑥 tan 𝛼1 + tan 𝛽2
𝑇𝑜1 ∗ 𝐶𝑝
+ 1
𝛾
𝛾−1
𝐶𝑥𝑏 =
𝑚𝑏 ∗ 𝑅 ∗ 𝑇
𝐴 ∗ 𝑃
u
u
∆𝜔𝑚𝑎
∆𝜔𝑚𝑏

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Rotor
Estator
Estator
0
1
2
3
i+




 1
1 W
U
C




 U
C
W 2
2
x
C
T
R
A
C
P
T
m x
*
*

02
02
P
P
a
b
c
P
A
T
R
m
C
b
xb
*
*
*


∆𝜔𝑚𝑐
u
∆𝜔𝑚𝑎
∆𝜔𝑚𝑏

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)
tan(
)
tan( 2
1 
 

t
Comportamiento fuera de diseño ideal de etapa de compresión

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T
R
A
C
P
T
m x
*
*

02
02
P
P
a
b
c
Estrangulamiento
Oleaje
Comportamiento ideal
Comportamiento real

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CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

JJGL
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P
A
T
R
m
C
a
xa
*
*
*


a
m
a R
U 


b
m
b R
U 


Primeras ETAPAS
Ultimas ETAPAS
Ai As
Pi
Ai
Ti
R
m
C
a
xi
*
*
*


Ps
As
Ts
R
m
C
a
xs
*
*
*


Rotor
Estator




 U
C
W 1
1
xa
C

Ca

a
W
a
U

b
U

xb
C
Rotor
Estator




 U
C
W 1
1
xas
C

Ca

a
W
a
U

b
U

xbs
C
i

Baja rpm
Baja rpm
Alta rpm Alta rpm

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Pi
Ai
Ti
R
m
C
a
xi
*
*
*


Ps
As
Ts
R
m
C
a
xs
*
*
*

 As<<Ai
xi
xs C
C 
Ai As
xi
C xs
C
CONDICIONES DE DISEÑO
rpm diseño
rpm diseño a
rpm baja
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO

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Rotor
Estator
Estator
0
1
2
3
i+
La incidencia i disminuye por lo que se
Aleja de la zona de oleaje
x
C
i+
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL (Control de oleaje)

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ESTATOR DE INCLINACION VARIABLE
COMPRESORES DE FLUJO AXIAL (Control de oleaje)

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COMPRESORES DE FLUJO AXIAL(Control de oleaje)

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1
x
C
%
50
Re
%
1
2 

 acción


%
50
Re
%
1
2 

 acción


%
50
Re
%
1
2 

 acción


1

1

GRADO DE REACCIÓN
Dado el triangulo de velocidades en la entrada, el grado de reacción quedará definido por el triangulo de
velocidades a la salida según:
2

2

2


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COMPORTAMIENTO DE UNA ETAPA DE TURBINA

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



 U
C
W 2
2




 3
3 W
U
C
𝛼2
𝛽3
𝛼2
𝛼3
𝛽2
𝜔 = 𝑈 𝐶𝜃3 + 𝐶𝜃2
𝜔 = 𝑈 𝐶𝜃3 − 𝐶𝜃2
𝜔 = 𝑈𝐶𝑥 tan 𝛼2 + tan 𝛼3
𝜔 = 𝑈𝐶𝑥 tan 𝛽2 + tan 𝛽3
𝜔 = 𝑈 𝐶𝜃3 + 𝐶𝜃2 = 𝐶𝑝𝑔 ∗ 𝑇𝑜3 ∗  ∗ 1 −
𝑃𝑜4
𝑃𝑜3
𝛾−1
𝛾
= 𝑈 𝐶𝜃3 + 𝐶𝜃2
𝜔 = 𝐶𝑥 ∗ 𝐴 ∗ 𝜌 ∗ 𝑈 𝐶𝜃3 + 𝐶𝜃2 = 𝐶𝑥 ∗ 𝐴 ∗ 𝜌 ∗ 𝐶𝑝𝑔 ∗ 𝑇𝑜3 ∗  ∗ 1 −
𝑃𝑜1
𝑃𝑜3
𝛾−1
𝛾

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



 U
C
W 2
2




 3
3 W
U
C
𝜔 = 𝑈𝐶𝑥 tan 𝛽2 + tan 𝛽3

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MAPA ADIMENSIONAL DE COMPORTAMIENTO DE UNA TURBINA DE GAS

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SITEMA DE ENFRIAMIENTO DE LOS ALABES DE LAS TURBINAS

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EVOLUCION DE LAS TG
SITEMA DE ENFRIAMIENTO DE LOS ALABES DE LAS TURBINAS

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EVOLUCIÓN DE LAS TG

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EVOLUCION DE LAS TG
CICLO COMBINADO

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EVOLUCION DE LAS TG aumento de la t max.

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MATERIALES EN LAS TURBINAS DE GAS

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EVOLUCION DE LAS TG

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Fundición de alabe tipo mono crista

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El proceso de combustión Consiste en la oxidación exotérmica del combustible en presencia de aire,
produciendo CO2, agua y otros gases inertes a elevada temperatura. La combustión incompleta se produce
debido a la formación de radicales y especies tales como CO y radicales hidrocarbonados (H-C) que pasan a los
gases de escape denominándose hidrocarburos no quemados. Además de bajar la eficiencia, la presencia de
estos compuestos contribuyen a la contaminación ambiental ya que son tóxicos. Las condiciones que
promueven la formación de UHC también promueven el CO. A diferencia del CO, que es un gas incoloro e
inodoro, los UHC tienen el olor característico que suelen encontrarse en los entornos aeroportuarios. La zona
intermedia de combustión normalmente reduce estos radicales mediante la adición de más aire, forzando la
reacción química hacia la producción de dióxido de carbono y agua.
Otro contaminante formado durante la combustión se debe a la oxidación del nitrógeno que se encuentra en
el aire de combustión. Normalmente el nitrógeno no participa en la combustión; Sin embargo, las presiones y
temperaturas que prevalecen en la zona primaria dan lugar a su oxidación. El impacto de la presión y la
temperatura es exponencial. Los óxidos que se forman, NO y NO2, de los cuales NO es dominante, se
denominan normalmente NOx térmico. Los NOx son tóxicos y también participan en la formación de smog
químico, y aumentan el agotamiento del ozono en la estratosfera. Otra fuente de nitrógeno para la formación
de NOx proviene de ciertos combustibles y a menudo se denomina NOx combustible.
La formación de contaminantes depende de la presión de combustión, temperatura y mezcla del combustible y
aire de combustión. Cuanto mayor es la temperatura y la presión, mayor es la velocidad de reacción que
resulta en CO y UHC más bajos, pero también en un aumento en la formación de NOx. La presión de
combustión y la temperatura varían con la carga del motor, disminuyendo cuando se reduce la carga. Por lo
tanto, observamos niveles crecientes de CO y UHC y una disminución en el nivel de NOx con la reducción en la
carga del motor, por lo que se han diseñado varios métodos para su control (Ver Control de nox)
PROCESO DE COMBUSTIÓN

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(ESTABILIDAD DE LA LLAMA)

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(Formación de Contaminantes)

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(Formación de Contaminantes)
Diferencia entre llama difusiva y llama premezclada para el metano

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COMBUSTIBLES
• Combustibles convencionales
Gas natural
Aceite de Combustible Líquido
• Combustibles no convencionales
Petróleo crudo
Gas de refinería
Propano
CARBON
• Combustibles sintéticos
Proceso químico
Proceso físico

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Cámara de Combustión
 El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS QUEMADORES
 Tres tipos posibles: *TUBULAR
* SILO
* TUBO-ANULAR
* ANULAR
 Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro continuo de
combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla.
 La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de flujo involucrado
en el ciclo.
 Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor número de llamas
más cortas.
 Las paredes de la cámara de combustión están sometidas elevadas temperaturas, debiendo
tener una excelente refrigeración para evitar dilataciones de los materiales.
 Pueden estar refrigerados por agua o aire (compresor)
 La inyección de Agua es utilizada para la reducción de los NOx originados por los puntos
calientes de la llama.

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SISTEMA DE IYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

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1) difusor
(2) boquilla de
combustible
(3) zona primaria
(4) zona intermedia
(5) zona de dilución
8%
40% 40%
12%
CÁMARA COMBUSTION – TUBULAR

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CÁMARA COMBUSTION – TUBULAR (Flujo Directo)

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Camara de combustion tubular
CÁMARA COMBUSTION – TUBULAR (Contra Flujo)

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CORTE DE CAMARAS TUBULAR , TUBO ANULAR, ANULAR

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CÁMARA COMBUSTION – TUBULAR (Flujo Directo)
• Una serie de cámaras tubulares
distribuidos alrededor del eje de
forma uniforme conforman este
diseño de cámara de combustión.
• Normalmente están interconectadas
con tubos llamados cruza llama para
minimizar el uso de bujías de
encendido.
• Tienen mejor resistencia estructural
que las anulares, pero menor
rendimiento y mayor peso. Además
si una de ellas deja de funcionar y no
es detectado, pueden producirse
grandes diferencias de temperaturas
en la estructura.

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CÁMARA COMBUSTION – TUBOANULAR

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CÁMARA COMBUSTION –ANULAR

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CÁMARA COMBUSTIÓN - ANULAR
 En este caso la cámara consiste en un cilindro
orientado axialmente instalado alrededor del
eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y
20 inyectores.
 Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga,
aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos
uniforme que en cámaras tuboanulares.
 Este diseño se utiliza en general en turbinas aeroderivadas.

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CAMARA TIPO SILO

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CÁMARA COMBUSTIÓN – SILO

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 CÁMARA COMBUSTION – SILO

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CÁMARA COMBUSTION TIPO SILO–DUCTOS DE TRANSICIÓN
(compresor cámara y cámara turbina)

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CONTROL DE CONTAMINANTES

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DISTRIBUCION DE TEMPERATURA USANDO QUEMADORES PREMEZCLADO Y
CONVENCIONALES

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Combustor de LM 6000

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Combustible
Descarga del difusor
Del Compresor
Aire
Aire
Aire
Pre mezclador
Liner del
Combustor
Carcasa exterior
Tobera
de
Turbina
Corte Esquemático de Combustor LM 6000

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Configuración de arranque
Zona B de Reacción
5-25% de Carga
Zona BC de Reacción
25-50% de Carga
Zona AB de Reacción
50% a Plena Carga
Zona ABC de Reacción
Esquema de funcionamiento de combustor de LM 6000

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