Diseño de una micro turbina de gas para producción de potencia eléctrica: ciclo de trabajo y prediseño de turbomáquinas

Abstract

El presente trabajo se enmarca en el ámbito de las tecnologías a la generación distribuida de potencia. En concreto, el trabajo aborda el estudio y diseño parcial de una microturbina de gas para producir una potencia inferior a 100 kW a partir de combustible fósil. La primera parte del trabajo aborda el estudio del ciclo Brayton de la turbina de gas. Se estudian las prestaciones del ciclo y se realizan análisis de sensibilidad a distintos parámetros, con el objetivo final de establecer las condiciones de operación de cada componente del motor y las prestaciones estimadas del mismo. A partir de las especificaciones anteriores, la segunda parte del trabajo aborda el prediseño del turbocompresor que forma parte de la turbina de gas. A partir de las condiciones de operación del compresor obtenidas en el estudio del ciclo de trabajo, se estiman algunos parámetros de diseño del motor a partir de herramientas tradicionales para el diseño unidimensional de este tipo de máquinas. Estos parámetros de diseño se introducen luego en el programa AxSTREAM para proceder a un estudio más exhaustivo. AxSTREAM permite explorar un buen número de disños posibles, resultantes de combinar diferentes geometrías y condiciones de operación, todos los cuales cumplen con las especificaciones exigidas por el ciclo. El trabajo estudia las prestaciones ofrecidas por cada solución posible y selecciona la que permite alcanzar mayor rendimiento. El diseño finalmente seleccionado es estudiado en detalle y, como último paso, se estiman las prestaciones del motor para las especificaciones del compresor concreto que se ha diseñado.

The present work is part of the field of distributed power generation technologies. In particular, the work addresses the study and partial design of a gas microturbine to produce a power of less than 100 kW from fossil fuel. The first part of the work deals with the study of the Brayton cycle of the gas turbine. The performance of the cycle is studied and a sensitivity analysis is carried out to different parameters, with the final objective of establishing the operating conditions of each engine components and their estimated performance. From the previous specifications, the second part of the work deals with the pre-design of the turbocharger that is part of the gas turbine. From the operating conditions of the compressor obtained in the study of the work cycle, some engine design parameters are estimated from traditional tools for the one-dimensional design of this type of machines. These design parameters are then entered into the AxSTREAM program to proceed to a more exhaustive study. AxSTREAM allows to explore a good number of possible designs, resulting from combining different geometries and operating conditions, all of which comply with the specifications demanded by the cycle. The work studies the benefits offered by each possible solution and selects the one that allows achieving greater performance. Finally, the selected design is studied in detail and, the engine performance is estimated according to the specifications of the compressor that has been designed.