Clase de turbinas a gas[1]

17,604 views

Published on

CLASE DE TURBINAS A GAS

Published in: Design

Clase de turbinas a gas[1]

  1. 1. Generación de Potencia IIREPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIAINSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA CARIPITODPTO. DE INGENIERÍA MECANICACARIPITO - ESTADO MONAGAS.IUT CARIPITOCaripito ; Abril / 2011.-Ing. Msc. Ismael Véliz. 1 /24
  2. 2. Generación de Potencia IITURBINAS DE GASIndice.1. Introducción2. Historia de las Turbinas de gas3. Conceptos Básicos4. Tipos de Turbinas de gas5. Partes de una Turbina de gas6. Principios de Funcionamiento de la Turbina de gas7. Analisis Termodinamico de la Turbina de gas8. Ventajas de la Turbina de gas9. Desventajas de la Turbina de gas10.Puesta en marcha de la Turbina de gas11.Parada de la Turbina de gas12.Materiales de los Alabes de la Turbina de gas1.- INTRODUCCIÓNEs importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamientoy los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que elingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipode equipos. Por esto, es de vital importancia conocer el desarrollo de estas maquinas decombustión.La Turbina de gas ha experimentado un progreso y crecimiento fenomenal desde suprimer desarrollo exitoso en 1930. Las primeras turbinas a gas construidas en 1940 y aún en1950 tenian eficiencias de ciclo sencillo de alrededor de 17 % debido a las bajas eficienciasdel compresor y de la turbina, y a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas laslimitaciones de la metalurgía de aquellos tiempos.Por lo tanto, las turbinas a gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y sucapacidad de quemar gran variedad de combustible. Los esfuerzos para mejorar la eficienciadel ciclo se concentraron en tyres áreas :1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbinaÉste ha sido el enfoque primario que se ha asumido para mejorar la eficiencia de laturbina a gas. Las temperaturas de entrada de las turbinas han aumentadoIng. Msc. Ismael Véliz. 2 /24
  3. 3. Generación de Potencia IIestablemente desde 540 ºC en 1940 hasta 1425 ºC hoy en día. Estos incrementosfueron posible por el desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicasde enfriamiento para los componentes como la de revestir las aspas de la turbina concapas cerámicas y enfriar las aspas con aire de descarga del compresor2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomáquinariaEl desempeño de las primeras turbinas a gas sufría grandemente las ineficiencias delas turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y detécnicas avanzadas de diseño asistido por computadora hicieron posible diseñar estoscomponentes aerodinámicamente con pérdidas minimas. Las eficienciasincrementadas de las turbinas y compresores resultaron en un incremento significativoen la eficiencia del ciclo.3. Adiciones de modificaciones al ciclo básicoLa eficiencia del ciclo sencillo de las primeras turbinas a gas prácticamente se duplicóincorporando interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. Estas mejoras, desdeluego, se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operación, yno pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustibleequilibre 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 aumentoen la eficiencia del ciclo sencillo a cerca de 40 % dejo pocas posibilidades para optarpor estas modificaciones.2.- HISTORIA DE LA TURBINA DE GASEl ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipciollamado Hero en 150 A.C. Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una ollahirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidasorganizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).Ing. Msc. Ismael Véliz. 3 /24
  4. 4. Generación de Potencia IIEn 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 rotabadebido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo deberíarotar la carne que estaba asando.En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbinaque 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 vehículoautomotor que usaban vapor de agua para movilizarse.La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado JohnBarber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usabanun compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, perono son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto delproceso.En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba unaturbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelosfuncionales en los años 1900.En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para unaturbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia. La Compañía GeneralElectric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado StanfordMoss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbosupercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover unarueda 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 losaños 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión deaviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograronutilizarlos en la 2° guerra mundial.La primera turbina de gas para una planta generadora de energía eléctrica fueinstalada 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 gasinstaladas hasta mediados de 1970 sufrian de baja eficiencia y escasa confiabilidad. En elpasado, la generación de potencia eléctrica para carga base estaba dominada por grandesplantas generadoras a carbón y nucleares. Sin embargo, ha habido un cambio histórico hacialas turbinas de gas impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias, menorescostos 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 deenergía eléctrica están empleando Turbinas de gas para producción de potencia base asícomo picos.Una turbina de gas fabricada por General Electric al principio de 1990 tenia una razónde presiones de 13.5 y generaba 135.7 MW de potencia neta con una eficiencia térmica de33 % en operación de ciclo sencillo. Una turbina de gas fabricada mas reciente por GeneralIng. Msc. Ismael Véliz. 4 /24
  5. 5. Generación de Potencia IIElectric utiliza una temperatura de entrada a la turbina de 1425 ºC y produce hasta 282 MWmientras logra una eficiencia térmica de 39.5 % en modo de ciclo sencillo.3.- CONCEPTOS BASICOSUna turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: uncompresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base enel principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible yquemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustiónse le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. Enuna turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producidose usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsarun 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 gasescalientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclonormalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinasque usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de35000 hp.Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriadorpara enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible ygenerar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es latemperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existenrestricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partesde la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre vanaumentando. 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 otrascon interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver acontinuación:Ing. Msc. Ismael Véliz. 5 /24
  6. 6. Generación de Potencia II4.- TIPOS DE TURBINA DE GASLas turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenidaen un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o comofuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención asu papel como productor comercial de eléctricidad., ya sea de forma independiente, encogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologíasrenovables.Clasificacion de las turbinas a gasLas turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:1. Turbinas a gas de acción2. Turbinas a gas de reacciónEn las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión seproduce 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 develocidad (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 decombustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos quecomponen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, vadisminuyendo.Ing. Msc. Ismael Véliz. 6 /24
  7. 7. Generación de Potencia IITambién las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, encuyo 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 sucámara 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 laproducción de energía eléctrica en plantas industriales o como microturbinas. Sus principalescaracterísticas son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan conuna gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como enotros tipos de turbinas de gas.Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, perobajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, loque 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 paradasni arranques continuos.Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire abajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración.Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándosealargar 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 escapellegan 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 combustiblesexperimentales.4.4.- Turbina de cámara de 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 unabuena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque sudistribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que enIng. Msc. Ismael Véliz. 7 /24
  8. 8. Generación de Potencia IIcámaras tuboanulares.Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinasaeroderivadas.4.5.- Turbina de cámara de combustión tuboanular:Una serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman estediseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejorresistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además siuna de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias detemperaturas en la estructura.La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión paradirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología esutilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de laturbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:1. Turbinas a gas de un solo eje o monoejes2. Turbinas a gas de dos ejes o multiejes4.6.- Turbina monoeje:El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un únicoeje 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 redgeneral (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generacióneléctrica.4.7.-Turbina multieje:La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina dealta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesariapara su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador,aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología esutilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejorcomportamiento frente a variaciones de carga.Ing. Msc. Ismael Véliz. 8 /24
  9. 9. Generación de Potencia II5.- PARTES DE UNA TURBINA DE GASLas turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:1. Compresor2. Cámara de combustión3. Turbina de expansión4. CarcasaAdemás cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para sufuncionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recintoacústico, bancada, virador, etc.5.1.- COMPRESOR:Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada paracada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axialy necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de1:30, comparada con la turbina de expansión.Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes porun estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consumemucha 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 queenfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficienciade la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.Ing. Msc. Ismael Véliz. 9 /24
  10. 10. Generación de Potencia IIEl control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dosposibilidades.➢ Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dadapor el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo paracomprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como sitrabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En estecaso las primeras etapas diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menosaire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.➢ Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor esindependiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularsepara 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 diseñogeneral similar. Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será lapotencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de lascámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producidodañe 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 elcomburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámaraexterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustiónmediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad deaire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de losgases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido pararefrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.● Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente delcompresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar lospaneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior deforma adecuada.5.3.- TURBINA DE EXPANSIÓN:Esta diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión yconvertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lotanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y laproducción 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 diseñoaerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidossolidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijosIng. Msc. Ismael Véliz. 10 /24
  11. 11. Generación de Potencia IIsujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara decombustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altastemperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesainternamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda susuperficie.5.4.- CARCASA:La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 seccioneslongitudinales:✔ Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de losalabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de laturbina de gas.✔ Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para proteccióntérmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire enla combustión.✔ Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna desujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeraciónpor el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente alexterior.5.5.- OTROS COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS: Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce alcompresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última confiltro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentestecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire. Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o elprovocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida porun material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vezlubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje yse montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contactoes directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados enangulo para detectar vibraciones. Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandesturbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener unapelícula de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suelecontar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra deIng. Msc. Ismael Véliz. 11 /24
  12. 12. Generación de Potencia IIemergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por unaturbina 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 funciónes aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debecontar con un sistema contraincendios y de ventilación. Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con unacimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias delfuncionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta. Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente elsegundo) 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, enparada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar ungiro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectituddel rotor. Si por alguna razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de laturbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes dearrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.6.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA A GASUna turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: uncompresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base enel principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible yquemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustiónse le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. Enuna turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producidose usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsarun dispositivo mecánico, etc.Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujocontinuo cuyo esquema se representa en la Fig. 1.Ing. Msc. Ismael Véliz. 12 /24
  13. 13. Generación de Potencia IIFIGURA 1El principio de funcionamiento de la turbina a gas de un solo eje, de acuerdo alesquema de la Fig. 1 es el siguiente:1. El aire ingresa al compresor axial en el punto (1) a las condiciones ambientes, previo ahaber pasado por un filtro con el fin de retener las partículas de polvo u otras partículascontenidas en el aire ambienteDado que los parámetros ambientales varían durante el día e incluso varían tambiénen función de la ubicación geográfica, es conveniente considerar condiciones standard.Las condiciones standard utilizadas en la industria son las condiciones ISO queestablecen una temperatura de 15 oC y una presión de 1 kg/cm2En el compresor axial el aire es comprimido hasta la presión de combustión, o máximapresión del ciclo, sin aporte de calor del medio y como consecuencia de ello la temperaturadel aire se incrementa debido a la compresión del mismo.El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor al necesario para producir laoxidación 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 alabesmóviles y conductos de escape)b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases de combustión desde que seforman 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 enIng. Msc. Ismael Véliz. 13 /24
  14. 14. Generación de Potencia IIconsecuencia a absorber la mayor parte de la potencia entregada por la turbina, del ordende 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 talcomo se indica en el punto (2) de la Fig. 1, donde el combustible es inyectado produciéndosede esta manera la combustión del mismo, dando lugar al aporte de calor (Q) del medio a lamáquina térmica.El proceso de combustión se realiza a presión constante alcanzando muy altastemperaturas lo que da lugar a que se deba ingresar a la cámara de combustión aire dedilución a fin de disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeración para refrigerarel 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 aireingresado a la cámara de combustión más el caudal de combustible inyectado a la misma3. Los gases de combustión así enfriados a una temperatura aproximada a los 1.200 oCingresan 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 depresión 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 esconvertida en energía mecánica (trabajo mecánico).4. El ciclo finaliza cuando los gases de combustión después de expandirse en la turbinaabandonan la misma y son expulsados a la atmósfera, tal como se indica en el punto (4) delesquema.Ing. Msc. Ismael Véliz. 14 /24
  15. 15. Generación de Potencia IIIng. Msc. Ismael Véliz. 15 /24
  16. 16. Generación de Potencia II7.- ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA TURBINA DE GASDurante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero leentrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye sutemperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo unbalance de energía:Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, peroa diferencia de otras nomenclaturas el trabajo W es considerado positivo si sale delvolumen 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 calortransferido por unidad de masa y v es el volumen específico. Los subíndices s se refieren ala salida y e se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientesconsideraciones:Consideraremos este proceso como adiabático.q = 0➢ El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la bajadensidad de los gases.gze − gzs = 0Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión paraobtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbinadel fluido de trabajo:El termino h es la entalpía la cual se define como h = u + pv.Ing. Msc. Ismael Véliz. 16 /24ww
  17. 17. Generación de Potencia II7.1.- PARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTOA continuación se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una turbina agas ciclo simple.7.2.- CICLO DE BRAYTONEn el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio defuncionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleandouna máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como cicloabierto simple llamado turbina a gas.Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza unciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases decombustión, o sea en un estado diferente al que se tenia cuando se inició el proceso, poreso se dice que es un “ciclo abierto”.El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. Elciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna sepuede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerradoteórico 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. 18. Generación de Potencia IIEl rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.7.3.- RENDIMIENTO TERMICO REAL DE LA TURBINA DE GASSabemos que en toda máquina térmica el rendimiento y la potencia del ciclo realsiempre son inferiores a los del ciclo teórico por varias razones, tales como:1. La compresión no es isoentrópica2. La expansión no es isoentrópica3. En todo el sistema se producen pérdidas de presión4. El proceso de la combustión es incompleto, por lo cual no toda la energía químicacontenida en el combustible es liberada en ella como energía calórica, debido a la presenciade inquemados5. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el cuerpo de la máquina6. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape la cual nose utiliza en las máquinas industrialesIng. Msc. Ismael Véliz. 18 /24
  19. 19. Generación de Potencia IIDe todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la compresión y en laexpansión por ser las más significativas, pudiendo despreciar el resto frente a estas. Por lotanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tener presente que la compresión delaire en el compresor no es isoentrópica como estudiamos anteriormente, sino que esta espolitrópica. Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión de losgases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que esta es también politrópica.FIGURA 2Los diagramas de la Fig. 2 representan las transformaciones reales.Ing. Msc. Ismael Véliz. 19 /24
  20. 20. Generación de Potencia II8.- VENTAJAS DE LA TURBINA DE GASa) Muy buena relación potencia vs. peso y tamañob) Bajo costo de instalaciónc) Rápida puesta en serviciod) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos rotoalternativos 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 alternativosf) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna)g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimientoh) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormentei) 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 decombustión (diferente a los motores de combustión interna)k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbinapropiamente dichal) 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 sedepositen en ellosn) El par motor es uniforme y continuo9.- DESVENTAJAS DE LA TURBINA DE GASBajo 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 losgases de escape por chimenea, entre 495oC a 560 oC2. 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 turbina10.- PUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA DE GASLa puesta en marcha de una turbina a gas comprende una serie de secuenciasprogramadas, entre las cuales podemos mencionar las más importantes en orden de cómose van realizando:1) Se pone en funcionamiento el sistema de lubricación a través de la bomba auxiliar deaceite, la cual es energizada mediante corriente alterna disponible de la red.Ing. Msc. Ismael Véliz. 20 /24
  21. 21. Generación de Potencia II2) Una vez alcanzada la presión adecuada de aceite, se pone en marcha el motor dearranque o también llamado motor de lanzamiento, el cual puede ser indistintamente y segúnlos casos un motor DIESEL, un motor eléctrico de rotor bobinado, o una pequeña turbina avapor. El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidráulico3) Estabilizadas las temperaturas del motor de lanzamiento, se activa el acoplamientomecánico, 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 girara 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 fueraun motor eléctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias rotóricas con locual se incrementa el número de vueltas del mismo.6) A medida que aumenta el número de vueltas del motor de lanzamiento, aumenta tambiénel de la máquina y generador gracias al ya mencionado embrague hidráulico.Esta situación se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitaddel número de vueltas de régimen de la turbina.7) Cuando se alcanza éste estado de giro se habilita el ingreso de combustible a losinyectores ubicados en las cámaras de combustión y paralelamente se energiza la bujía deencendido, produciéndose la combustión del combustible.8) La turbina se acelera, arrastrada por el motor de lanzamiento y por los gases decombustión producidos.9) Cuando el número de vueltas de la turbina supera el del motor de lanzamiento, éste sedesacopla automáticamente.10) La turbina continúa el proceso de aceleración por sí sola gracias ahora a los gases decombustión hasta alcanzar el número de vueltas de régimen.11) Cuando se alcanza el estado de régimen se transfiere el proceso de lubricación a labomba 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 cargahasta llegar a entregar la potencia efectiva del mismo.13) Esta operación se realiza por medio del regulador de velocidad que actúa sobre labomba de combustible. El caudal de combustible depende de la presión de inyección.11.- PARADA DE LA TURBINA DE GASLas principales secuencias para sacar de servicio una turbina a gas que acciona ungenerador eléctrico son las siguientes:1) Se empieza a bajar potencia eléctrica en el generador actuando sobre la válvula deIng. Msc. Ismael Véliz. 21 /24
  22. 22. Generación de Potencia IIregulación 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 desaceleracióndel grupo.5) Cuando el número de vueltas ha bajado a aproximadamente 3 a 5 rpm. entra enfuncionamiento el virador.Este dispositivo está constituido por un motor eléctrico y un reductor de velocidad con lo cualse alcanza un elevado par torsor, suficiente para hacer girar al grupo una vez que éste se hadetenido.El proceso de giro por acción del virador se realiza a fin de permitir un enfriamientouniforme del rotor de la turbina, evitando con ello que éste se deforme por diferencia detemperaturas dentro del estator de la máquina.Esta parte de la detención de la máquina es muy importante dado que si ésta sedetiene, al tener su rotor a alta temperatura, se produce una zona caliente en la partesuperior del eje del rotor, lo cual da lugar a que éste se tuerza con una convexidad haciaarriba.6) Se detiene el virador cuando la temperatura en el interior de la turbina es muy próxima ala temperatura ambiente.7) Se detiene la bomba auxiliar de aceite.12.- MATERIALES DE LOS ALABES DE TURBINASEl material con que están construidos los álabes de las turbinas son muy variados ysobre ellos se han hecho muchas investigaciones a fin de determinar la composición másadecuada que permita:a) Resistir muy altas temperaturasb) Ser resistentes a la corrosiónc) Ser resistentes a la fatiga termo mecánicad) Ser resistentes al escurrimiento molecular que se produce por acción de los esfuerzoscentrífugos y las altas temperaturasNormalmente 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 sehan empleado con gran éxito álabes construidos en porcelana, con lo cual las temperaturasde trabajo han alcanzado valores superiores a los 1.600 Oc con el consiguiente incrementosignificativo en el rendimiento térmico de la máquina.Ing. Msc. Ismael Véliz. 22 /24
  23. 23. Generación de Potencia IIIng. Msc. Ismael Véliz. 23 /24
  24. 24. Generación de Potencia IIIng. Msc. Ismael Véliz. 24 /24

×