secuencias de los figuras de cuadros y rectangulos
Clase de turbinas a gas[1]
1. Generación de Potencia II
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA CARIPITO
DPTO. DE INGENIERÍA MECANICA
CARIPITO - ESTADO MONAGAS.
IUT CARIPITO
Caripito ; Abril / 2011.-
Ing. Msc. Ismael Véliz. 1 /24
2. Generación de Potencia II
TURBINAS DE GAS
Indice.
1. Introducción
2. Historia de las Turbinas de gas
3. Conceptos Básicos
4. Tipos de Turbinas de gas
5. Partes de una Turbina de gas
6. Principios de Funcionamiento de la Turbina de gas
7. Analisis Termodinamico de la Turbina de gas
8. Ventajas de la Turbina de gas
9. Desventajas de la Turbina de gas
10.Puesta en marcha de la Turbina de gas
11.Parada de la Turbina de gas
12.Materiales de los Alabes de la Turbina de gas
1.- INTRODUCCIÓN
Es importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamiento
y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el
ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo
de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer el desarrollo de estas maquinas de
combustión.
La Turbina de gas ha experimentado un progreso y crecimiento fenomenal desde su
primer desarrollo exitoso en 1930. Las primeras turbinas a gas construidas en 1940 y aún en
1950 tenian eficiencias de ciclo sencillo de alrededor de 17 % debido a las bajas eficiencias
del compresor y de la turbina, y a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas las
limitaciones de la metalurgía de aquellos tiempos.
Por lo tanto, las turbinas a gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su
capacidad de quemar gran variedad de combustible. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia
del ciclo se concentraron en tyres áreas :
1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina
Éste ha sido el enfoque primario que se ha asumido para mejorar la eficiencia de la
turbina a gas. Las temperaturas de entrada de las turbinas han aumentado
Ing. Msc. Ismael Véliz. 2 /24
3. Generación de Potencia II
establemente desde 540 ºC en 1940 hasta 1425 ºC hoy en día. Estos incrementos
fueron posible por el desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicas
de enfriamiento para los componentes como la de revestir las aspas de la turbina con
capas cerámicas y enfriar las aspas con aire de descarga del compresor
2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomáquinaria
El desempeño de las primeras turbinas a gas sufría grandemente las ineficiencias de
las turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y de
técnicas avanzadas de diseño asistido por computadora hicieron posible diseñar estos
componentes aerodinámicamente con pérdidas minimas. Las eficiencias
incrementadas de las turbinas y compresores resultaron en un incremento significativo
en la eficiencia del ciclo.
3. Adiciones de modificaciones al ciclo básico
La eficiencia del ciclo sencillo de las primeras turbinas a gas prácticamente se duplicó
incorporando interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. Estas mejoras, desde
luego, se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operación, y
no pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustible
equilibre el incremento en otras áreas. Los costos relativamente bajos de combustible,
el deseo de la industria de minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento
en la eficiencia del ciclo sencillo a cerca de 40 % dejo pocas posibilidades para optar
por estas modificaciones.
2.- HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS
El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio
llamado Hero en 150 A.C. Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla
hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas
organizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).
Ing. Msc. Ismael Véliz. 3 /24
4. Generación de Potencia II
En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos.
Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba
debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería
rotar la carne que estaba asando.
En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina
que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor.
En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo
automotor que usaban vapor de agua para movilizarse.
La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John
Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban
un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero
no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del
proceso.
En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una
turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos
funcionales en los años 1900.
En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una
turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia. La Compañía General
Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford
Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo
supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una
rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar.
Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los
años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de
aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron
utilizarlos en la 2° guerra mundial.
La primera turbina de gas para una planta generadora de energía eléctrica fue
instalada en 1949 en Oklahoma como parte de una planta de energía de ciclo combinado.
Fue construida por la General Electric y producía 3.5 MW de potencia. Las turbinas de gas
instaladas hasta mediados de 1970 sufrian de baja eficiencia y escasa confiabilidad. En el
pasado, la generación de potencia eléctrica para carga base estaba dominada por grandes
plantas generadoras a carbón y nucleares. Sin embargo, ha habido un cambio histórico hacia
las turbinas de gas impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias, menores
costos de capital, tiempos mas cortos de instalación y mejores características de emisiones,
y por la abundancia de suministro de gas natural; más y más empresas productoras de
energía eléctrica están empleando Turbinas de gas para producción de potencia base así
como picos.
Una turbina de gas fabricada por General Electric al principio de 1990 tenia una razón
de presiones de 13.5 y generaba 135.7 MW de potencia neta con una eficiencia térmica de
33 % en operación de ciclo sencillo. Una turbina de gas fabricada mas reciente por General
Ing. Msc. Ismael Véliz. 4 /24
5. Generación de Potencia II
Electric utiliza una temperatura de entrada a la turbina de 1425 ºC y produce hasta 282 MW
mientras logra una eficiencia térmica de 39.5 % en modo de ciclo sencillo.
3.- CONCEPTOS BASICOS
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un
compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en
el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y
quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión
se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En
una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido
se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar
un dispositivo mecánico, etc.
Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador.
El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases
calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo
normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas
que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de
35000 hp.
Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador
para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y
generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la
temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen
restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes
de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van
aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.
Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras
con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a
continuación:
Ing. Msc. Ismael Véliz. 5 /24
6. Generación de Potencia II
4.- TIPOS DE TURBINA DE GAS
Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida
en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como
fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a
su papel como productor comercial de eléctricidad., ya sea de forma independiente, en
cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías
renovables.
Clasificacion de las turbinas a gas
Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:
1. Turbinas a gas de acción
2. Turbinas a gas de reacción
En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se
produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma.
De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de
velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina,
estadios móviles y fijos, permanece constante.
En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de
combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que
componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va
disminuyendo.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 6 /24
7. Generación de Potencia II
También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en
cuyo caso pueden ser:
1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)
2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)
También pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su
cámara de combustión y por su número de ejes.
4.1.- Turbina de gas aeroderivadas:
Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la
producción de energía eléctrica en plantas industriales o como microturbinas. Sus principales
características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con
una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en
otros tipos de turbinas de gas.
Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero
bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo
que hace viable que se lleven acabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.
4.2.- Turbina de gas industriales:
La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad,
buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas
ni arranques continuos.
Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a
bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración.
Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose
alargar lo mas posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.
4.3.- Turbina de cámara de combustión tipo silo:
En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina.
Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape
llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta.
Su diseño no esta muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles
experimentales.
4.4.- Turbina de cámara de combustión anular:
En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al
rededor 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
Ing. Msc. Ismael Véliz. 7 /24
8. Generación de Potencia II
cámaras tuboanulares.
Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas
aeroderivadas.
4.5.- Turbina de cámara de combustión tuboanular:
Una serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman este
diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. 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.
La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para
dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología es
utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.
Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de la
turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:
1. Turbinas a gas de un solo eje o monoejes
2. Turbinas a gas de dos ejes o multiejes
4.6.- Turbina monoeje:
El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único
eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm,
forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red
general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación
eléctrica.
4.7.-Turbina multieje:
La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de
alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria
para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador,
aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es
utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor
comportamiento frente a variaciones de carga.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 8 /24
9. Generación de Potencia II
5.- PARTES DE UNA TURBINA DE GAS
Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:
1. Compresor
2. Cámara de combustión
3. Turbina de expansión
4. Carcasa
Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su
funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto
acústico, bancada, virador, etc.
5.1.- COMPRESOR:
Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para
cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial
y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de
1:30, comparada con la turbina de expansión.
Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por
un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume
mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina.
Para disminuir la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que
enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia
de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 9 /24
10. Generación de Potencia II
El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos
posibilidades.
➢ Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada
por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para
comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como si
trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este
caso las primeras etapas diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos
aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.
➢ Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es
independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse
para una admisión adecuada de aire para cada momento.
5.2.- CÁMARA DE COMBUSTIÓN:
A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño
general similar. Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la
potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las
cámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los
1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido
dañe otras partes de la turbina que no esta diseñadas para soportar tan altas temperaturas.
Están diseñadas mediante una doble cámara:
● Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el
comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara
exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión
mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de
aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los
gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para
refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
● Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del
compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los
paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de
forma adecuada.
5.3.- TURBINA DE EXPANSIÓN:
Esta diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y
convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo
tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la
producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas,
cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño
aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos
solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos
Ing. Msc. Ismael Véliz. 10 /24
11. Generación de Potencia II
sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de
combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.
Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas
temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa
internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su
superficie.
5.4.- CARCASA:
La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones
longitudinales:
✔ Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los
alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la
turbina de gas.
✔ Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección
térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en
la combustión.
✔ Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de
sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración
por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al
exterior.
5.5.- OTROS COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS:
Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al
compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última con
filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes
tecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.
Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el
provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por
un material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez
lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y
se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto
es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en
angulo para detectar vibraciones.
Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes
turbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener una
película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suele
contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra de
Ing. Msc. Ismael Véliz. 11 /24
12. Generación de Potencia II
emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por una
turbina eléctrica extra. Entre sus componentes principales están el sistema de filtros,
el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato,
etc.
Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función
es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe
contar con un sistema contraincendios y de ventilación.
Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una
cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del
funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.
Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el
segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento.
Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en
parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un
giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud
del rotor. Si por alguna razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de la
turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de
arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
6.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA A GAS
Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un
compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en
el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y
quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión
se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En
una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido
se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar
un dispositivo mecánico, etc.
Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo
continuo cuyo esquema se representa en la Fig. 1.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 12 /24
13. Generación de Potencia II
FIGURA 1
El principio de funcionamiento de la turbina a gas de un solo eje, de acuerdo al
esquema de la Fig. 1 es el siguiente:
1. El aire ingresa al compresor axial en el punto (1) a las condiciones ambientes, previo a
haber pasado por un filtro con el fin de retener las partículas de polvo u otras partículas
contenidas en el aire ambiente
Dado que los parámetros ambientales varían durante el día e incluso varían también
en función de la ubicación geográfica, es conveniente considerar condiciones standard.
Las condiciones standard utilizadas en la industria son las condiciones ISO que
establecen una temperatura de 15 oC y una presión de 1 kg/cm2
En el compresor axial el aire es comprimido hasta la presión de combustión, o máxima
presión del ciclo, sin aporte de calor del medio y como consecuencia de ello la temperatura
del aire se incrementa debido a la compresión del mismo.
El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor al necesario para producir la
oxidación del combustible en la cámara de combustión.
Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a:
a) La necesidad de lograr una adecuada refrigeración de las partes calientes de la máquina
(cámara de combustión, conductos de transición, estadios de toberas fijas, ruedas de alabes
móviles y conductos de escape)
b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases de combustión desde que se
forman en la cámara de combustión hasta que estos ingresan en el primer estadio de alabes.
Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial a tener un gran tamaño y en
Ing. Msc. Ismael Véliz. 13 /24
14. Generación de Potencia II
consecuencia a absorber la mayor parte de la potencia entregada por la turbina, del orden
de las 3/4 partes de la misma.
2. Una vez que el aire sale del compresor parte de el ingresa a la cámara de combustión tal
como se indica en el punto (2) de la Fig. 1, donde el combustible es inyectado produciéndose
de esta manera la combustión del mismo, dando lugar al aporte de calor (Q) del medio a la
máquina térmica.
El proceso de combustión se realiza a presión constante alcanzando muy altas
temperaturas lo que da lugar a que se deba ingresar a la cámara de combustión aire de
dilución a fin de disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeración para refrigerar
el material del tubo de llama ubicado en el interior de la misma.
El caudal másico de gases formados será igual a la suma del caudal de aire
ingresado a la cámara de combustión más el caudal de combustible inyectado a la misma
3. Los gases de combustión así enfriados a una temperatura aproximada a los 1.200 oC
ingresan al primer estadio de álabes fijos, o toberas, de la turbina como se indica en el punto
(3) del esquema.
La energía de presión de los gases de combustión es convertida en trabajo.
Esta conversión se realiza en dos etapas:
a) En las toberas de la turbina los gases son expandidos y de esta manera la energía de
presión de los mismos es transformada en energía cinética. (caso de las turbinas de acción)
b) Luego en los estadios (etapas) de álabes móviles de la turbina la energía cinética es
convertida en energía mecánica (trabajo mecánico).
4. El ciclo finaliza cuando los gases de combustión después de expandirse en la turbina
abandonan la misma y son expulsados a la atmósfera, tal como se indica en el punto (4) del
esquema.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 14 /24
16. Generación de Potencia II
7.- ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA TURBINA DE GAS
Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le
entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su
temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un
balance de energía:
Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero
a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo W es considerado positivo si sale del
volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina;
c es la velocidad, u es la energía interna, p es la presión, z es la altura, q es el calor
transferido por unidad de masa y v es el volumen específico. Los subíndices s se refieren a
la salida y e se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes
consideraciones:
Consideraremos este proceso como adiabático.
q = 0
➢ El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja
densidad de los gases.
gze − gzs = 0
Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para
obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina
del fluido de trabajo:
El termino h es la entalpía la cual se define como h = u + pv.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 16 /24
w
w
17. Generación de Potencia II
7.1.- PARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTO
A continuación se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una turbina a
gas ciclo simple.
7.2.- CICLO DE BRAYTON
En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de
funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleando
una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo
abierto simple llamado turbina a gas.
Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un
ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de
combustión, o sea en un estado diferente al que se tenia cuando se inició el proceso, por
eso se dice que es un “ciclo abierto”.
El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El
ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se
puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado
teórico de una turbina de gas simple.
En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina,
el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 17 /24
18. Generación de Potencia II
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.
7.3.- RENDIMIENTO TERMICO REAL DE LA TURBINA DE GAS
Sabemos que en toda máquina térmica el rendimiento y la potencia del ciclo real
siempre son inferiores a los del ciclo teórico por varias razones, tales como:
1. La compresión no es isoentrópica
2. La expansión no es isoentrópica
3. En todo el sistema se producen pérdidas de presión
4. El proceso de la combustión es incompleto, por lo cual no toda la energía química
contenida en el combustible es liberada en ella como energía calórica, debido a la presencia
de inquemados
5. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el cuerpo de la máquina
6. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape la cual no
se utiliza en las máquinas industriales
Ing. Msc. Ismael Véliz. 18 /24
19. Generación de Potencia II
De todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la compresión y en la
expansión por ser las más significativas, pudiendo despreciar el resto frente a estas. Por lo
tanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tener presente que la compresión del
aire en el compresor no es isoentrópica como estudiamos anteriormente, sino que esta es
politrópica. Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión de los
gases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que esta es también politrópica.
FIGURA 2
Los diagramas de la Fig. 2 representan las transformaciones reales.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 19 /24
20. Generación de Potencia II
8.- VENTAJAS DE LA TURBINA DE GAS
a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño
b) Bajo costo de instalación
c) Rápida puesta en servicio
d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto
alternativos de los motores de combustión interna)
e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple,
a diferencia de máquinas con movimiento alternativos
f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna)
g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento
h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente
i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones)
j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de
combustión (diferente a los motores de combustión interna)
k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina
propiamente dicha
l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador)
m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural,
carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se
depositen en ellos
n) El par motor es uniforme y continuo
9.- DESVENTAJAS DE LA TURBINA DE GAS
Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a:
1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los
gases de escape por chimenea, entre 495oC a 560 oC
2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial,
en el orden de las 3⁄4 partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina
10.- PUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA DE GAS
La puesta en marcha de una turbina a gas comprende una serie de secuencias
programadas, entre las cuales podemos mencionar las más importantes en orden de cómo
se van realizando:
1) Se pone en funcionamiento el sistema de lubricación a través de la bomba auxiliar de
aceite, la cual es energizada mediante corriente alterna disponible de la red.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 20 /24
21. Generación de Potencia II
2) Una vez alcanzada la presión adecuada de aceite, se pone en marcha el motor de
arranque o también llamado motor de lanzamiento, el cual puede ser indistintamente y según
los casos un motor DIESEL, un motor eléctrico de rotor bobinado, o una pequeña turbina a
vapor. El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidráulico
3) Estabilizadas las temperaturas del motor de lanzamiento, se activa el acoplamiento
mecánico, vinculando de esta manera el eje del motor con el eje del paquete compresor –
turbina – generador eléctrico, a través del embrague hidráulico.
4) Se pone en marcha el virador, el cual saca del reposo a la masa rotante haciéndola girar
a aproximadamente 3 a 5 rpm.
5) Confirmado que el rotor está en lenta rotación y que el acoplamiento ha sido establecido,
se inicia la etapa de aceleración del motor de lanzamiento, que en el caso de que éste fuera
un motor eléctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias rotóricas con lo
cual se incrementa el número de vueltas del mismo.
6) A medida que aumenta el número de vueltas del motor de lanzamiento, aumenta también
el de la máquina y generador gracias al ya mencionado embrague hidráulico.
Esta situación se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitad
del número de vueltas de régimen de la turbina.
7) Cuando se alcanza éste estado de giro se habilita el ingreso de combustible a los
inyectores ubicados en las cámaras de combustión y paralelamente se energiza la bujía de
encendido, produciéndose la combustión del combustible.
8) La turbina se acelera, arrastrada por el motor de lanzamiento y por los gases de
combustión producidos.
9) Cuando el número de vueltas de la turbina supera el del motor de lanzamiento, éste se
desacopla automáticamente.
10) La turbina continúa el proceso de aceleración por sí sola gracias ahora a los gases de
combustión hasta alcanzar el número de vueltas de régimen.
11) Cuando se alcanza el estado de régimen se transfiere el proceso de lubricación a la
bomba principal de aceite, saliendo de servicio la bomba auxiliar.
12) En estas condiciones el generador entra en paralelo con la red y empieza a tomar carga
hasta llegar a entregar la potencia efectiva del mismo.
13) Esta operación se realiza por medio del regulador de velocidad que actúa sobre la
bomba de combustible. El caudal de combustible depende de la presión de inyección.
11.- PARADA DE LA TURBINA DE GAS
Las principales secuencias para sacar de servicio una turbina a gas que acciona un
generador eléctrico son las siguientes:
1) Se empieza a bajar potencia eléctrica en el generador actuando sobre la válvula de
Ing. Msc. Ismael Véliz. 21 /24
22. Generación de Potencia II
regulación de combustible hasta reducir la potencia a cero.
2) Se saca de paralelo el generador eléctrico.
3) Se pone en marcha la bomba auxiliar de aceite.
4) Se corta el suministro de combustible con lo cual empieza el período de desaceleración
del grupo.
5) Cuando el número de vueltas ha bajado a aproximadamente 3 a 5 rpm. entra en
funcionamiento el virador.
Este dispositivo está constituido por un motor eléctrico y un reductor de velocidad con lo cual
se alcanza un elevado par torsor, suficiente para hacer girar al grupo una vez que éste se ha
detenido.
El proceso de giro por acción del virador se realiza a fin de permitir un enfriamiento
uniforme del rotor de la turbina, evitando con ello que éste se deforme por diferencia de
temperaturas dentro del estator de la máquina.
Esta parte de la detención de la máquina es muy importante dado que si ésta se
detiene, al tener su rotor a alta temperatura, se produce una zona caliente en la parte
superior del eje del rotor, lo cual da lugar a que éste se tuerza con una convexidad hacia
arriba.
6) Se detiene el virador cuando la temperatura en el interior de la turbina es muy próxima a
la temperatura ambiente.
7) Se detiene la bomba auxiliar de aceite.
12.- MATERIALES DE LOS ALABES DE TURBINAS
El material con que están construidos los álabes de las turbinas son muy variados y
sobre ellos se han hecho muchas investigaciones a fin de determinar la composición más
adecuada que permita:
a) Resistir muy altas temperaturas
b) Ser resistentes a la corrosión
c) Ser resistentes a la fatiga termo mecánica
d) Ser resistentes al escurrimiento molecular que se produce por acción de los esfuerzos
centrífugos y las altas temperaturas
Normalmente se construyen en aceros ferríticos aleados con manganeso, cromo,
níquel, molibdeno, titanio y cobalto, en distintas proporciones según sus fabricantes.
En turbinas de gas empleadas como plantas propulsoras de vehículos terrestres se
han empleado con gran éxito álabes construidos en porcelana, con lo cual las temperaturas
de trabajo han alcanzado valores superiores a los 1.600 Oc con el consiguiente incremento
significativo en el rendimiento térmico de la máquina.
Ing. Msc. Ismael Véliz. 22 /24