Capítulo I. Marco Teórico
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CAPÍTULO I CAPÍTULO I MARCO MARCO TEÓRICO TEÓRICO
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CAPÍTULO ICAPÍTULO I
MARCOMARCO TEÓRICOTEÓRICO
Capítulo I. Marco Teórico
TURBINA DE GAS
FUNCIONAMIENTO
La turbina de gas es una turbomáquina motora capaz de convertir la energía
termodinámica de un gas (fluido compresible) en trabajo útil en un eje.
En las turbinas de ciclo abierto, que son las más usadas, el gas se genera en
la misma unidad en el momento de su utilización, siendo éste el producto de la
combustión de un combustible líquido o gaseoso (generalmente un hidrocarburo),
con aire a presión, en una cámara o combustor que precede a la turbina
propiamente dicha. En realidad, la designación genérica de gas corresponde a
una mezcla de diversos gases que son el producto de la combustión. El aire a
presión lo procura un compresor accionado por la misma turbina. El aire se toma
de la atmósfera y en ésta se descargan los gases de escape. Unas toberas
estacionarias lanzan chorros de dicho gas contra los álabes (paletas) de una
turbina, y el impulso de los chorros hace girar el eje de la turbina. Una turbina de
combustión de ciclo simple incluye un compresor que bombea aire comprimido a
la cámara de combustión. El combustible, en forma gaseosa o nebulizada,
también se inyecta en dicha cámara, donde se produce la combustión. Los
productos de la combustión salen de la cámara a través de las toberas y hacen
moverse la turbina, que impulsa el compresor y una carga externa como un
generador eléctrico.
El motor de turbina de gas de ciclo abierto está constituido esencialmente
por: el turbocompresor, el combustor y la propia turbina, formando una sólida
unidad.
La ganancia de energía térmica en el combustor permitirá disponer en la
turbina de una potencia mayor que la absorbida por el turbocompresor, de forma
que se tendrá una potencia extra en el eje que podrá ser utilizada para los fines
que se deseen, como mover un generador eléctrico, una bomba, un
turbocompresor de otro servicio, un automóvil, una hélice de un barco o de un
avión, un sistema mecánico, etc. Para el arranque de la unidad es necesario de un
motor auxiliar.
Ciclo Brayton
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En las máquinas modernas se acostumbra poner dos turbinas, una para
mover el compresor y otra como turbina de potencia. De esta forma los ejes
pueden ser independientes y la turbina de potencia puede girar a otra velocidad
según lo exijan las necesidades del servicio. A estas unidades se les conoce con
el nombre de eje partido.
También puede haber dos compresores, uno de baja y otro de alta presión, con
acción en el mismo eje o en independientes.
Las turbinas de gas funcionan bajo el ciclo Brayton, en el cual las turbinas de
gas de ciclo abierto pueden modelarse como un ciclo cerrado, mediante las
suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y
expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un
proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el
proceso de escape se remplaza por uno de rechazo de calor a presión constante
hacia el aire ambiente. El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos
internamente reversibles:
- Compresión isentrópica (en un compresor).
- Adición de calor a P = constante.
- Expansión isentrópica (en una turbina)
- Rechazo de calor a P = constante.
Ciclo Brayton
Fig. 1. Ciclo Brayton simple
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Ciclo Brayton con regeneración
En el ciclo Brayton simple, los gases a la salida de la turbina conservan todavía
una gran cantidad de calor que puede ser aprovechado para calentar el aire, que
procedente del compresor, entra en la cámara de combustión, reduciendo así el
consumo de combustible y aumentando el rendimiento térmico del ciclo. Esta
operación es posible porque entre la temperatura de salida de los gases y la de
entrada del aire a la cámara de combustión suele haber un valor diferencial de
200ºC o más.
La recuperación de calor se efectúa en un intercambiador de calor denominado
regenerador o recuperador.
Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración
El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de
trabajo de la turbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse
si se reduce el trabajo del compresor o si aumenta el de la turbina o ambos. El
trabajo requerido para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede
disminuirse al efectuar el proceso de compresión en etapas y al enfriar el gas
entre ellas, es decir, si se emplea compresión de etapas múltiples con
Ciclo Brayton
Fig. 2. Ciclo Brayton con regeneración
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interenfriamiento. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de
compresión se vuelve isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el
trabajo de compresión disminuye.
De igual modo, la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles
de presión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre ellas, esto
es, si se utiliza expansión de múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a
cabo sin elevar la temperatura máxima del ciclo. Cuando aumenta el número de
etapas, el proceso de expansión se vuelve isotérmico. El argumento anterior se
basa en un simple principio: el trabajo de compresión o expansión de flujo
permanente es proporcional al volumen específico del fluido. Por consiguiente, el
volumen específico del fluido de trabajo debe ser lo más bajo posible durante un
proceso de compresión y lo más alto posible durante un proceso de expansión.
Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento.
El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor y de la turbina
a una temperatura más alta, cuando se usa interenfriamiento y recalentamiento.
Esto hace que la regeneración sea más atractiva ya que existe un mayor potencial
para ella. Además, los gases que salen del compresor pueden calentarse a una
temperatura más alta antes de que entren a la cámara de combustión debido a la
temperatura más elevada del escape de la turbina.
Ciclo Brayton
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Los componentes que forman la turbina de gas con ciclo de interenfriamiento,
recalentamiento y regeneración son los compresores, el interenfriador, la cámara
de combustión, las turbinas, el recalentador y el regenerador.
Compresor
Los compresores son máquinas en movimiento destinadas a reducir el
volumen de un fluido en estado gaseoso aumentando su presión. En muchos
aspectos los compresores son similares a las bombas. Mecánicamente tienen
partes similares. Sin embargo, operan con diferentes principios, ya que los gases
son compresibles y los líquidos no.
Los diferentes tipos de compresores existentes se pueden dividir en dos
grupos: compresores de desplazamiento positivo, que pueden ser reciprocantes o
rotativos, y turbocompresores.
Los turbocompresores se dividen en dos grupos según la dirección del flujo:
axiales y radiales (centrífugos). El compresor centrífugo está compuesto por un
alimentador de aire y un impulsor, rotando a alta velocidad, y por un sistema
difusor. El aire entra en la base del impulsor y es movido radialmente hacia fuera,
por la acción de la fuerza centrífuga, dejando la punta del impulsor a una alta
velocidad tangencial. El aire entra en el difusor, el cual es un anillo estacionario (o
anillos) de álabes, de diferentes áreas de paso. En el sistema difusor, la velocidad
del aire es reducida y su presión aumenta.
Un compresor de flujo axial consiste en un número de hileras de álabes
rotativos y paletas estacionarias. Un par de hileras de álabes rotativos y paletas
estacionarias forman un escalonamiento, y un número de escalonamientos es
arreglado en serie para formar el compresor completo. Los álabes rotativos son
impulsados por la turbina, y la velocidad tangencial absoluta del aire, en los
mismos, es aumentada.
Ciclo Brayton
Fig. 3. Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración
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Interenfriador
Los interenfriadores, como su nombre lo indica, son dispositivos usados para
bajar la temperatura al aire entre las etapas de compresión, dichos aditamentos
son característicos de las turbinas a gas.
Los interenfriadores son básicamente intercambiadores de calor cerrados, con
un sistema análogo al de los radiadores de los vehículos.
El proceso de funcionamiento es muy sencillo; primero al aire que va de las
diferentes etapas de compresión se le desea bajar la temperatura para aumentar
la eficiencia del ciclo de compresión, para lo cual se hace pasar el mismo por una
serie de banco de tubos, colocados de manera paralela o en tres bolillo; de
manera perpendicular, se coloca una especie de ventilador, en caso de que el
fluido frío de trabajo sea aire; o una bomba en caso que el fluido sea agua.
A través de las paredes de los tubos se realiza la transferencia de calor del
fluido frío al fluido caliente.
Es importante destacar que el material con que deben estar fabricados los
tubos de los paneles debe ser de un material altamente conductor, como el cobre,
lo cual aumenta el coeficiente de transferencia de calor.
Además de esto, se puede mejorar el flujo de calor, colocando aletas
perpendicularmente a la dirección de los tubos que conducen el fluido caliente, ya
que hay mayor área de transferencia de calor.
Los diferenciales de temperatura que manejan estos dispositivos no son muy
altos, pero mejoran enormemente la eficiencia de la compresión por etapas.
Cámara de combustión
Su función es quemar completamente el fluido de aire (proveniente del
compresor) y el gas (combustible) que se le inyecta, a fin de elevar la temperatura
y velocidad de la corriente de gases a alta presión hasta obtener los parámetros
operacionales, con lo cual aumentan la energía cinética y la energía interna del
fluido, las cuales son transformadas en energía mecánica (rotativa), por medio de
la expansión de los gases y el impulso suministrado por la misma corriente de gas.
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Turbina
La turbina convierte la energía de los gases de combustión en energía
mecánica. La cantidad de energía es una medida de la eficiencia del componente.
El rol de la turbina es muy importante, principalmente debido a la sensibilidad del
rendimiento del equipo a pequeños cambios en la eficiencia de la turbina. En la
mayoría de los ciclos, aproximadamente dos tercios de la fuerza desarrollada por
la turbina es utilizada para mover el compresor (esto baja en los ciclos con
interenfriamiento, recalentamiento y regeneración, en la medida que baja el trabajo
de retroceso). Por lo tanto, una reducción del uno por ciento en la eficiencia de la
turbina causa que la potencia de salida del equipo baje en tres por ciento.
Al igual que el compresor, la turbina puede tener una dirección de flujo axial o
radial. La decisión del tipo es influenciada por el requerimiento de diseño, la
aplicación de la turbina y consideraciones de velocidad específica.
Recalentador
Para poder realizar el recalentamiento intermedio en la expansión, es preciso
dividir ésta, poniendo dos turbinas, una de alta presión y otra de baja presión,
pudiendo estar en el mismo eje o en ejes independientes. El recalentador es una
segunda cámara de combustión que se coloca entre las dos turbinas, en la cual se
quema más combustible y se generan más gases. Para que la combustión en esta
segunda cámara sea posible se necesita trabajar con suficiente aire en exceso en
el proceso de compresión, a fin de poder quemar más combustible en dicho
recalentamiento, generando así más gases para la turbina de baja presión. Ese
aire en exceso cumple al mismo tiempo otra función importante, la de abatir la
temperatura de los gases a la entrada de la turbina de alta presión, protegiendo
así a los álabes de ésta. La división de la expansión mejora el rendimiento del
ciclo, lo mismo que sucede con la división de la compresión.
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Regenerador (o Recuperador)
Los regeneradores son intercambiadores de calor, empleados en las turbinas
de gas para aumentar la eficiencia del ciclo.
En los motores de turbina de gas, la temperatura de los gases de escape que
salen de la turbina suele ser bastante mayor que la temperatura del aire que
abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del
compresor puede calentarse transfiriéndole calor de los gases de escape calientes
en un intercambiador de calor en contraflujo, el cual se conoce también como un
regenerador o recuperador.
La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta debido a la regeneración, en
virtud de que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se
libera en los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la
cámara de combustión. Esto, a su vez, disminuye los requerimientos de entrada
de calor (y, en consecuencia, de combustible) para la misma salida de trabajo
neta. El empleo de un regenerador se recomienda sólo cuando la temperatura de
escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor, de
otro modo, el calor fluirá en la dirección inversa (hacia los gases de escape) y
reducirá la eficiencia. Esta situación se encuentra en las máquinas de turbina de
gas que operan a relaciones de presión muy altas.
La temperatura más alta que sucede dentro del regenerador es la temperatura
de los gases de escape que salen de la turbina y entran al regenerador. Bajo
ninguna condición el aire puede precalentarse en el regenerador hasta una
temperatura superior a este valor.
El rendimiento del ciclo regenerativo aumenta, tanto más cuanto mayor sea la
eficiencia del regenerador. Sin embargo, este aumento es a costa: a) del aumento
de la superficie de regeneración de calor, y por tanto, de las dimensiones y peso
de la instalación y b) del precio de la instalación.
El empleo de regeneradores en las turbinas de gas presenta tres problemas:
necesidad de una gran superficie de tubos; conservar limpia la superficie de éstos;
aumento de resistencia al paso de los gases. En las centrales térmicas pueden
acomodarse con relativa facilidad los voluminosos intercambiadores de calor que
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son requeridos y para limpiar la superficie de los tubos se utilizan sopladores de
hollín de tipo mecánico. Sin embargo, el volumen ocupado por un intercambiador
de calor impide aplicarlo a las turbinas de gas en los aviones y locomotoras.
APLICACIONES
El motor de turbinas de gas tiene cada día un campo de aplicación más amplio,
utilizándose:
Para mover sistemas mecánicos industriales de cualquier índole.
En la industria del petróleo y el gas natural, donde puede contarse con
combustible fácilmente.
En aquellas industrias que desarrollan procesos que requieren gran cantidad
de calor, y donde puede aprovecharse el calor expulsado con los gases de
escape.
En la generación de energía eléctrica, para cubrir picos de la curva de
demanda, por su rápida puesta en servicio, o como unidades de generación
aisladas con fines industriales, comerciales o domésticos. Operación en ciclo
combinado con turbinas de vapor.
Como potencia auxiliar de emergencia en fábricas, hospitales, universidades,
o grandes plantas de generación de energía eléctrica, como el caso de las
nucleoeléctricas.
En aviación, donde ha desplazado totalmente a los motores alternativos.
En la marina para propulsión de barcos de muy diversa índole (de guerra, de
pasajeros, cargueros, etc.)
Como motor en automóviles (en experimentación avanzada).
Como motor en autobuses urbanos y camiones de carga (en experimentación
avanzada).
Según las aplicaciones, los motores de turbinas de gas pueden presentar
ciertas características especiales.
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Turbinas de gas para aviación militar
Los nuevos aviones militares son impulsados, casi en exclusividad, por
turbinas de gas. Motores de ciclo simple, que producen potencia para una flecha,
se emplean en los helicópteros y para impulsar las hélices de aviones pequeños o
de velocidad moderada. La mayor parte de los tipos de combate que se usan en la
actualidad tienen motores de chorro, y a menudo emplean postcombustión
(recalentamiento antes de la tobera de chorro) para obtener hasta un 100%
adicional de empuje, durante períodos cortos. Cada vez aumenta más la
preferencia por el motor de ventilador, tanto en los aviones de largo alcance como
en los de combate, y la mayor parte de los nuevos motores de chorro son de este
tipo.
Las tendencias futuras de la aviación militar son hacia alcanzar velocidades
más altas y el despegue vertical. Las dos necesidades requieren el uso de una
temperatura más alta de admisión a la turbina. El desarrollo de materiales y de
técnicas de diseño para temperaturas más elevadas permitirá obtener una salida
de potencia más elevada y mejorarán la eficiencia térmica.
Turbinas de gas para aviación comercial
Los aviones de propulsión a chorro de las líneas comerciales han demostrado
de manera excepcional una elevada utilización y rentabilidad, debido en gran parte
al buen récord de confiabilidad y al bajo costo de operación de los motores de
turbochorro y de turboventilador; esto, a su vez, ha contribuido a un crecimiento
muy rápido de la aviación comercial.
Se encuentran en uso motores de hélice, de ventilador y del tipo de chorro, con
tendencia cada vez mayor hacia el motor de ventilador y a contar con mayor
potencia. Ahora son de uso generalizado motores con empuje nominal de 40000 lb
(180000 N). Una parte de la aviación comercial que evoluciona con mucha rapidez
es el transporte de carga, que principalmente corresponde al transporte de
pasajeros. Se están introduciendo en esta industria transportes de carga
especializados y muy grandes, impulsados por turbinas de gas muy grandes.
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Turbinas de gas para generación eléctrica
Más de dos tercios de las turbinas grandes de gas industriales se utilizan para
generar electricidad. En Estados Unidos, las compañías generadoras de
electricidad usan principalmente las turbinas de gas para cubrir las cargas pico.
Los costos de instalación y de operación, incluso con el empleo de combustibles
refinados, son favorables para ese servicio intermitente, y este tipo de turbinas
resulta muy apropiado para la automatización y el control remoto. Los motores de
aviación adaptados para este servicio ofrecen un arranque muy rápido (tan corto
como 2 min desde el arranque hasta plena carga). Se han instalado plantas de
energía para cargas pico hasta de 150 MW, con un solo generador impulsado por
una batería de motores.
Se emplean turbinas de gas para la generación de electricidad destinada a
cargas básicas, en aquellos casos en los que se necesita capacidad adicional con
rapidez, si se cuenta con combustible refinado, como el gas natural, a bajo costo,
o bien, si se puede utilizar la energía del escape. El ciclo combinado posibilita
tener una eficiencia mejorada y abre el mercado de las cargas intermedias a este
tipo de plantas de energía. Sin embargo, una vez más, la preocupación actual
acerca del abastecimiento de combustible limpio está desalentando a las
compañías generadoras de adquirir compromisos respecto a este sistema.
Turbinas de gas para conducción de gas por gasoductos
Esta industria es uno de los usuarios más importantes de las turbinas de gas
(alrededor de la sexta parte de todas las unidades industriales de tamaño grande).
Se han instalado estas turbinas como unidades motrices de compresores, en
tamaños hasta de 30000 hp (22500 kW). Ésta es una aplicación excelente para
este tipo de turbinas, ya que el gas natural es un combustible ideal y se requieren
potencias muy grandes. La explotación de los campos de gas del ártico ha creado
un mercado para las unidades motrices de compresores a base de turbinas de
gas.
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Turbinas de gas para transporte
En los barcos, la elevada potencia específica de las turbinas de gas permite el
diseño con el fin de obtener velocidades más altas; para los barcos mercantes,
esto puede significar más viajes productores de ganancias al año y una mejor
utilización de la inversión. Lo anterior es cierto en particular para los barcos de
contenedores y otros buques de carga rápida, que pasan relativamente más
tiempo en el mar. Ya están operando los primeros barcos de este tipo y mostrarán
la realidad de las ventajas que se esperan.
Se han utilizado turbinas de gas en las locomotoras de carga de los
ferrocarriles, pero parece que no ofrecen una ventaja significativa sobre los
motores Diesel. Por otra parte, los trenes de pasajeros, cuyo peso es ligero, se
benefician con el peso ligero de estas turbinas y, en Europa y América, varios
trenes están operando con éxito.
Las compañías automotrices estadounidenses han invertido mucho esfuerzo
en las turbinas de gas para camiones, autobuses y automóviles, pero todavía no
han desarrollado un competidor por completo satisfactorio para el motor de pistón.
COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN
La generación de gases calientes en el combustor de un motor de turbina de
gas, tiene gran importancia en la operación del ciclo de la máquina.
En el caso de un ciclo abierto, el aire (comburente) se toma de la atmósfera, se
comprime en el compresor y se inyecta en la cámara de combustión o combustor,
donde al mismo tiempo se inyecta también el combustible, generalmente un
hidrocarburo líquido o gaseoso. Iniciada la combustión con una chispa, seguirá,
así en forma continua. Los gases, producto de la combustión, con presión y
temperatura altas, pasan a la turbina propiamente dicha, donde se expansionan
cediendo su energía a la máquina, convirtiéndose la energía termodinámica de
aquellos en energía mecánica en el eje de la unidad. En las máquinas de ciclo
cerrado, el aire de la combustión es independiente del fluido de trabajo.
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El proceso de combustión es una reacción química exotérmica, donde los
elementos combustibles son fundamentalmente carbono e hidrógeno, ya que el
hidrocarburo que sirve de combustible es de la forma general CxHy, donde la
relación H/C, en masa, suele variar de 0.13 a 0.18 según el tipo de hidrocarburo.
Ambos elementos reaccionan con el oxígeno produciendo CO2 y H2O. También
puede haber otros elementos combustibles, como ganga del principal,
particularmente azufre, aunque no sea muy deseable, pues produce SO2 y SO3,
que con el agua forman H2SO4, ácido extremadamente corrosivo.
El agua, que se forma por combustión del hidrógeno, está en forma de vapor.
El calor latente de condensación de este vapor permite considerar dos poderes
caloríficos distintos del combustible: el superior y el inferior.
Se llama poder calorífico superior (HHV) al que resulta de incrementar el poder
calorífico con el calor latente de condensación que desprende el agua al
condensarse.
Se llama poder calorífico inferior (LHV) al que no tiene en cuenta dicho
incremento del calor de condensación, por permanecer en estado de vapor.
Parece más lógico estimar el comportamiento del combustible haciendo
referencia al poder calorífico inferior ya que los gases, al ser expulsados de la
turbina, conservan temperaturas que están por encima del punto de condensación
del vapor de agua incorporado. Sin embargo, con frecuencia se hace, también,
referencia al poder calorífico superior.
Combustibles usados en motores de turbina de gas
Los combustibles usados en motores de turbina de gas son fundamentalmente
hidrocarburos, ya sean gaseosos o líquidos. También pueden emplearse
combustibles sólidos, pero son menos frecuentes.
Gas Natural
El gas natural es el combustible ideal en muchos aspectos para la operación
de turbinas de gas. La forma gaseosa facilita la combustión, tiene alto poder
calorífico, es de fácil manejo, limpio, no suele contener impurezas que ocasionan
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corrosión, erosión o depósitos en los álabes de la turbina; es recomendable para
las turbinas que funcionen en ciclo abierto.
Para utilizar el gas sólo se requiere establecer los ductos convenientes desde
los yacimientos a los centros de consumo. Como las presiones de suministro son
bajas (inferiores a 2 bar absolutos), es preciso levantar la presión con una bomba
auxiliar para alimentar el inyector del combustible en la cámara de combustión de
la unidad, de acuerdo con la presión de trabajo de ésta.
Gas LP (liquided petroleum)
Los gases licuados, obtenidos del petróleo, como el propano y el butano, son
excelentes combustibles para las turbinas de gas. Sus características son
prácticamente idénticas a las del gas natural. Se mantiene líquido en tanques de
acero a presiones superiores a 7 bar y se gasifica al salir del tanque con la
temperatura y presión normales.
Los ductos y toberas de alimentación del gas LP son de diámetros más
reducidos que los requeridos para el gas natural. El gas licuado es, en general,
más caro que el gas natural para el mismo contenido calórico. Con temperaturas
ambientes bajas es difícil la vaporización del gas LP y en ciertos casos puede
exigir calor auxiliar.
Hidrocarburos líquidos
El uso de combustibles líquidos en turbinas de gas está más generalizado que
los gaseosos, particularmente en unidades móviles (aviones o barcos) y también
en unidades estacionarias donde no llega la tubería de gas natural. Ello es debido
a que, por unidad de volumen de combustible, se puede tener mayor contenido
energético en la forma líquida que en la forma gaseosa.
Se han usado con éxito alcohol, gasolina, petróleo diáfano, aceites ligeros y
aceites pesados residuales. En las turbinas de gas de los aviones se usan
hidrocarburos ligeros (queroseno de alto grado). En la marina pueden utilizarse
estos mismos combustibles y también aceites ligeros. En las unidades
estacionarias grandes es frecuente el uso de hidrocarburos más pesados como
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fuel-oil y combustóleo, que son más baratos para un contenido energético
equivalente. Sin embargo, estos hidrocarburos pesados contienen, por lo general,
más azufre y vanadio, cuyos elementos producen depósitos de partículas en los
álabes, que propician la corrosión y la erosión de éstos.
Combustibles sólidos
La utilización de combustibles sólidos, como el carbón, encuentra más
aplicación en las turbinas de circuito cerrado que en las de circuito abierto. El
carbón produce cenizas, hollín e inquemados que dañan los álabes de la turbina
cuando ésta es de circuito abierto. Se investiga, sin embargo, con el carbón y
también con la energía nuclear, pero aún no se tienen resultados satisfactorios
que puedan hacerlos competitivos con los combustibles líquidos o gaseosos en
sistemas de ciclo abierto.
LUBRICACIÓN
La selección del lubricante adecuado depende del diseño del equipo, las
condiciones de operación y el método de aplicación.
La mayoría de los fabricantes de equipos proporcionan recomendaciones de
lubricación basadas en el diseño, condiciones normales de operación y
experiencia pasada. Siempre que sea posible deben seguirse esas
recomendaciones. Además, los proveedores más prestigiosos de aceite se
mantienen en íntimo contacto con los fabricantes del equipo y están a la
disposición del usuario para la selección de lubricantes.
El diseño del equipo y las condiciones esperadas de operación determinarán
qué funciones se espera que realice el lubricante y dictarán el tipo de lubricante y
aditivos que serán los más adecuados.
El aceite de viscosidad adecuado para una aplicación es una función de la
velocidad, la carga y temperatura ambiente. Las condiciones de cargas elevadas a
velocidades lentas requerirán un aceite de alta viscosidad. En forma similar, un
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aceite de baja viscosidad es más adecuado para condiciones de baja carga y altas
velocidades. Idealmente, se preferiría seleccionar el aceite de la viscosidad más
baja posible que es capaz de mantener una película lubricante entre las
superficies móviles. La selección de un aceite de más alta viscosidad que la
necesaria puede resultar en pérdidas de potencia y aumentos de temperatura
debido a la más alta fricción fluida interna del lubricante.
El efecto de las temperaturas de operación en la selección del lubricante no
debe pasarse por alto. Ya que la viscosidad disminuye conforme aumenta la
temperatura, es necesario seleccionar fluidos de alta viscosidad para aplicaciones
de alta temperatura y fluidos de baja viscosidad para aplicaciones de baja
temperatura con objeto de asegurar un espesor adecuado de la película lubricante
y fricción fluida mínima.
Lubricación de los compresores
El modelo y tipo de compresor, la carga y el gas que se comprime y otras
condiciones ambientales dictan el tipo de viscosidad del aceite que debe usarse.
La mayor parte de los compresores se lubrican con aceites de petróleo. Sin
embargo, en los años recientes ha habido interés considerable en la lubricación de
compresores con lubricantes sintéticos.
Los aceites para utilizarse en los compresores deben tener las siguientes
características:
Buena estabilidad: Debe tener alta estabilidad frente a la oxidación para
minimizar la formación de gomas y depósitos de carbón que pueden causar que
las válvulas se peguen, lo cual puede llevar a condiciones de muy alta temperatura
y mal funcionamiento del compresor.
Buena desemulsibilidad: Debe ser capaz de ceder fácilmente el agua para
evitar la formación de emulsiones que pudieran interferir con la adecuada
lubricación.
Propiedades contra la corrosión y la herrumbre: Debe proteger las válvulas,
pistones, anillos y cojinetes contra la herrumbre y la erosión.
Ciclo Brayton
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Buenas propiedades contra el desgaste: Deben formar y mantener una
película fuerte de lubricante a temperaturas relativamente altas, por lo que
requieren buenas propiedades contra el desgaste.
Propiedades antiespumantes: Es importante en las cajas de cigüeñal donde
las mezclas de aire con aceite pudieran impedir la buena lubricación.
Bajo punto de fluidez: Esto es necesario sólo para el arranque a baja
temperatura.
Viscosidad adecuada: El usuario debe remitirse a las recomendaciones de
viscosidad para cada tipo de compresor, así como a las recomendaciones hechas
por el fabricante para temperaturas de operación y condiciones que prevalecen.
Lubricación de las turbinas
Existen ciertas recomendaciones para la selección del lubricante adecuado
para utilizar en las turbinas. Algunas de las características que debe tener el
lubricante a seleccionar son:
Baja viscosidad, dadas las elevadas rpm de la turbina.
Alta resistencia a la oxidación y formación de lodos.
Buenas propiedades antiespuma.
No corrosivo y antiherrumbre.
Buenas propiedades de desaireación.
Buenas propiedades de separación del agua.
SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL
Los sistemas de regulación y control, aunque son interdependientes, tienen
funciones básicamente diferentes. El sistema de regulación adapta
continuamente el funcionamiento de la turbina, llevándola al punto de operación
preciso y actuando sobre la válvula de entrada del combustible. El sistema de
control garantiza la debida secuencia en los periodos de arranque y parada, así
como la protección de la máquina durante la operación.
Ciclo Brayton
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Las unidades de un solo eje, conectadas a un gran sistema eléctrico, se
regulan por la temperatura de entrada a la turbina, con el regulador de velocidad
actuando como limitador. Si se trata de unidades aisladas, se regulan con la
velocidad de la turbina, dentro de los límites del regulador de temperatura.
Las unidades de eje partido se regulan por la velocidad del eje de la turbina
de potencia, mientras la velocidad del eje del generador de gases y la
temperatura de entrada a la turbina de alta, se encuentran limitadas por los
gobernadores correspondientes.
El sistema de control comprende una secuencia de información, programada
minuciosamente, ordenando todas las operaciones necesarias en el proceso de
arranque o de parada de la unidad. Elementos de bloqueo impiden que el
programa siga al paso siguiente si no están cumplidos los requerimientos del
paso anterior.
Los sistemas de regulación y control son electrónicos, fabricados con
componentes comerciales estándares, montados sobre un panel, donde también
se hallan los instrumentos indicadores correspondientes.
Sistemas de arranque
Para el arranque de un motor de turbina de gas se suelen emplear los tres
sistemas que se presentan a continuación. El empleo de uno u otro depende de la
potencia disponible, del número de turbinas y de las condiciones particulares del
servicio.
a) Sistema eléctrico
La potencia de arranque se toma de un motor asíncrono conectado al
engranaje auxiliar a través de un acoplamiento hidrodinámico. Para mantener baja
la corriente de arranque, el motor se arranca con el acoplamiento drenado.
Cuando el acoplamiento se llena, el par y la corriente del motor aumentan
continuamente. Durante la operación normal de la unidad el acoplamiento
hidrodinámico se mantiene vacío y estacionario.
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b) Sistema de expansor de gas
Si se cuenta con gas, aire comprimido o vapor a una presión mínima de 12
bar y un gasto aproximado de 3 Kg / s, se pueden arrancar motores de turbina de
hasta 10 000 KW por medio de una turbina de expansión de gas. El expansor se
acopla directamente y en forma rígida a la caja del engrane auxiliar, esto es, gira
con la unidad durante la operación de ésta. En ciertos casos puede desconectarse
el acoplamiento cuando la unidad está en funcionamiento.
c) Sistema hidráulico
El sistema de arranque hidráulico es el que normalmente se escoge para
plantas con una serie de unidades. El arranque de cada unidad se ejecuta con un
motor hidráulico individual, actuado por aceite a alta presión, la cual se consigue
con una bomba de pistón movida por un motor eléctrico. El flujo de aceite se
incrementa automáticamente, desde cero hasta la plena capacidad durante la fase
de arranque.
Ciclo Brayton
