CENTRALES ELÉCTRICAS

207

CAPÍTULO VII

TURBINA DE GAS

7.1 GENERALIDADES1

La simplicidad de los mecanismos de la turbina de gas y la eliminación de

los elementos alternativos, llevaron a efectuar numerosos ensayos, hasta

lograr esos mismos efectos, en motores de combustión interna. Recién

hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de compresores rotativos de

alto rendimiento, que efectuaban la compresión previa a la combustión

necesaria en todo motor, conjuntamente los progresos logrados en el

campo de la metalurgia, que permitieron la fabricación de aleaciones

cromo-níquel capaces de soportar temperaturas próximas a los 1000ºC

durante varias horas seguidas de funcionamiento y el mejor conocimiento

de la dinámica de los fluidos, permitieron el funcionamiento en gran

escala de este tipo de motores. Se puede afirmar, en consecuencia, que las

turbinas de gas son máquinas rotativas, de combustión interna.

Fig. 7.1 Turbinas de gas, Carrasco y Bulo Bulo

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un

compresor, un quemador y una turbina de potencia que transmite su

energía al generador. Las turbinas de gas operan en el principio del ciclo

Brayton, donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado

bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la

1 Del Fresno Ramón A. MÁQUINAS MOTRICES. Edit. Mitre 1974. Pag 267

TURBINAS DE GAS

208

combustión se expande a través de la turbina y la hace girar para llevar a

cabo trabajo con una eficiencia del 33%, aproximadamente dos tercios del

trabajo producido se usan comprimiendo el aire, el otro tercio está

disponible para generar electricidad

Una central termoeléctrica o central térmica es una instalación empleada

para la generación de energía eléctrica a partir de la energía liberada en

forma de calor, normalmente mediante la combustión de combustibles

fósiles como petróleo, gas natural o carbón. Este calor es empleado por un

ciclo termodinámico convencional para mover un alternador y producir

energía eléctrica. Este tipo de generación eléctrica es contaminante pues

libera dióxido de carbono.

7.2 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO

CONVENCIONAL

Se llaman centrales clásicas o de ciclo convencional a aquellas centrales

térmicas que emplean la combustión del carbón, petróleo o gas natural

para generar la energía eléctrica. Son consideradas las centrales más

económicas y rentables por lo que su utilización está muy extendida en el

mundo económicamente avanzado y en el mundo en vías de desarrollo, a

pesar de que estén siendo criticadas debido a su elevado impacto

medioambiental.

7.3 CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE CICLO

COMBINADO2

En la actualidad se están construyendo numerosas centrales

termoeléctricas de las denominadas de ciclo combinado, que son un tipo

de central que utiliza gas natural, gasóleo o incluso carbón preparado

como combustible para alimentar una turbina de gas. Luego los gases de

escape de la turbina de gas todavía tienen una elevada temperatura, se

utilizan para producir vapor que mueve una segunda turbina, esta vez de

vapor. Cada una de estas turbinas está acoplada a su correspondiente

alternador para generar la electricidad como en una central termoeléctrica

clásica.

Normalmente durante el proceso de partida de estas centrales, sólo

funciona la turbina de gas, a este modo de operación se le llama ciclo

2 www. wikipedia

CENTRALES ELÉCTRICAS

209

abierto. Si bien la mayoría de las centrales de este tipo pueden

intercambiar el combustible (entre gas y diésel) incluso en

funcionamiento. Al funcionar con petróleo diésel ven afectada su potencia

de salida (baja un 10% aprox.) y los intervalos entre mantenimientos

mayores y fallas, se reducen fuertemente.

Como la diferencia de temperaturas que se produce entre la combustión y

los gases de escape es más alta que en el caso de una turbina de gas o una

de vapor, se consiguen rendimientos muy superiores, del orden del 55%.

Fig. 7.2 Planta de ciclo combinado, Guaracachi, Santa Cruz

3

La turbina de gas está constituida por un compresor rotativo CA (Fig 7.3),

que comprime el aire que ingresa a la turbina hasta una presión de 5 a 6

atmósferas. El ingreso de aire se produce siempre en exceso respecto al

necesario para la combustión, inyectándose generalmente 6 o 7 veces más

que la cantidad teóricamente calculada. Este exceso se realiza con el fin de

lograr una adecuada refrigeración de las paredes de la cámara de

combustión y disminuir la elevada temperatura de los gases que en ella se

producen. Dicho exceso de aire es la causa de que este tipo de máquinas

posea un bajo rendimiento térmico. Una vez comprimido el aire, el mismo

pasa por un conducto hacia la cámara de combustión CC, donde se mezcla

con el combustible proveniente de uno o varios inyectores

convenientemente dispuestos, combustible que es previamente

comprimido. El exceso de aire inyectado hace que parte de éste penetre en

el interior de la cámara de combustión combinándose con el combustible,

y el resto rodea a la misma, produciendo la refrigeración de las paredes de

la cámara, ya que de no producirse dicha refrigeración, la temperatura

3 Memoria ENDE 2011

TURBINAS DE GAS

210

alcanzada por los gases, cercana a los 1000ºC, fundiría las paredes de la

misma, en poco tiempo.

Los gases que salen de la cámara de combustión, se mezclan con el exceso

de aire que la rodea, reduciendo la temperatura de éstos a un valor

próximo a 600ºC. Se dirigen luego los gases hacia la turbina, donde se

expanden, transmitiendo su energía al eje motor. El exceso de aire permite

de esta forma, que los gases tengan a la entrada de la turbina, una

temperatura compatible con el material de que están hechas las paletas del

rodete.

La turbina T se encuentra montada en el mismo eje del compresor rotativo

de aire, por lo que la acción de los gases sobre las paletas de aquella, al

transmitirle su energía de presión, produce la rotación del compresor.

Finalmente los gases, después de haber transmitido su energía al eje de la

turbina, escapan al exterior a través de un conducto. Es de hacer notar, que

por la forma continua en que la turbina recibe los gases, se la acostumbra

definir como una máquina de flujo continuo.

Fig. 7.3 Esquema de central termoeléctrica de ciclo combinado

Dado que la turbina y el compresor de aire se encuentran montados sobre

el mismo eje y la turbina produce el accionamiento del compresor, y si

éste no gira la turbina no funciona, es necesaria la colocación de un motor

eléctrico de arranque montado sobre el mismo eje que la turbina y el

compresor, y cuya potencia debe ser tal que sea capaz de llevar al conjunto

T CA

CC

B

MA

D

CENTRALES ELÉCTRICAS

211

turbina-compresor a una velocidad en la que este último pueda suministrar

el aire necesario para el funcionamiento. Cuando el eje adquiere la

velocidad necesaria para que el conjunto compresor turbina continúe su

marcha, el motor eléctrico se desacopla automáticamente.

7.4 CICLO TERMODINÁMICO

Analizaremos el ciclo termodinámico de referencia de las turbinas a gas.

Decimos que es el ciclo termodinámico de referencia y no el ciclo de la

máquina porque el mismo no se produce en el interior de un cilindro de

motor, sino que representa las sucesivas evoluciones que va describiendo

el fluido en sus diversas partes de la instalación. Se trazará el ciclo

termodinámico de referencia en los diagramas p-v y T-S conservando para

el trazado de ambos diagramas la misma notación, a los efectos de evitar

confusiones.

Fig. 7.4 Ciclos termodinámicos de referencia de las turbinas a gas

La evolución 1-2 representa la compresión adiabática que sufre el aire en

el interior del compresor, evolución que se realiza sin ceder ni recibir calor

del exterior, y que para un Kg. de aire se puede expresar por medio de la

relación:

2 1( )cA c T T

Donde c representa el calor específico del aire y c el trabajo de

compresión.

1

2

2

3 3

4

4

Q1

Q1

Q2

Q2 1

T

S

p

v

TURBINAS DE GAS

212

La combustión producida en el interior de la cámara, se realiza según la

evolución isobárica 2-3 Durante ella se produce el ingreso del fluido de

Q1 calorías, las que pueden expresarse por medio de:

1 3 2( )pQ c T T

El trabajo de expansión y enfriamiento de los gases de combustión en el

interior de la turbina, está representado por la evolución adiabática 3-4

que puede ser escrito de la siguiente manera:

3 4( )T gA c T T

Donde cg es el calor específico de los gases de combustión; T el trabajo

de expansión y A el equivalente calórico del trabajo.

Por último, a los efectos de considerar que se está analizando un ciclo

termodinámico cerrado, se debe considerar la evolución 4-1 durante la

cual se va a producir el enfriamiento de los gases de escape en el exterior

de la turbina, hasta alcanzar la temperatura del medio ambiente,

manteniéndose durante esta evolución la presión constante.

Termodinámicamente, esto último equivale a la sustracción de una

determinada cantidad de calor Q2, dada por la relación:

2 4 1( )pQ c T T

7.5 CLASIFICACIÓN

Lo mismo que las turbinas de vapor, las turbinas de gas pueden ser de

acción o de reacción:

En las turbinas de gas de acción, la caída total de la presión de los gases

de combustión, se produce antes del ingreso de los mismos al interior de la

turbina, de manera que cuando penetran en ésta, los gases poseen una gran

energía de velocidad y una mínima energía de presión. En este tipo de

turbinas, la presión de los gases en el interior del rodete, se mantiene

constante, habiéndose producido la expansión total de los mismos en el

trayecto comprendido entre la cámara de combustión y la entrada del

rodete.

CENTRALES ELÉCTRICAS

213

En cambio, en las turbinas de gas de reacción, los gases de combustión

poseen a la entrada en el rodete no sólo energía de velocidad, sino también

energía de presión, por lo que se va a producir en el interior del rotor una

disminución de la presión con respecto al valor que tenía a la entrada.

Asimismo, las turbinas de gas pueden ser de una o varias etapas, estando

montadas estas en el mismo eje o en ejes distintos.

Fig. 7.5 Turbina de gas

7.6 VENTAJAS DE UNA TURBINA DE GAS

1) El uso de gas natural como combustible, en virtud de su menor

costo hace que el costo del Kwh. producido resulte más

económico. La única condición en los combustibles utilizados en

las turbinas de gas, es que los productos de combustión no

contengan agentes corrosivos que puedan atacar al metal del

motor.

2) Como todos sus órganos motores son rotativos, no produce casi

TURBINAS DE GAS

214

vibraciones, lo que permite reducir considerablemente las

dimensiones de las fundaciones necesarias para la instalación de

este tipo de máquinas.

3) Al no poseer, las turbinas de gas, piezas con movimientos

alternativos, se puede lograr en ellas mayores velocidades de

rotación.

4) Resulta su tamaño más reducido y son más livianas que los

motores alternativos de igual potencia.

5) Por carecer de piezas móviles, la lubricación es mucho más

sencilla, requiriendo solamente esta operación los cojinetes de

apoyo, los cuales, en turbinas de un solo eje, se reducen solamente

a dos. Los cojinetes de apoyo son recubiertos interiormente de

material antifricción, lo que disminuye considerablemente el

esfuerzo de rozamiento de los mismos.

6) Con excepción de algunos tipos especiales, que se construyen con

álabes huecos, por el interior de los cuales se hace circular aire

para producir su enfriamiento, la mayoría de las turbinas a gas no

requieren sistema especial de refrigeración.

7) El sistema de encendido y puesta en marcha es mucho más

sencillo que los motores a explosión y Diesel. El motor de

arranque lleva al conjunto compresor-turbina hasta la velocidad

de régimen. Una bujía calefactora, colocada en el interior de la

cámara, es la encargada de iniciar el proceso de combustión. Una

vez iniciada esta, a medida que va llegando el aire y el

combustible al interior de la cámara, se producirá la combustión

automáticamente.

8) Inmediatamente de arrancar la turbina de gas, es capaz de

suministrar la máxima potencia para la cual ha sido diseñada, sin

requerir el periodo de calentamiento previo que necesita el motor

de explosión para desarrollar toda su potencia.

7.7 DESVENTAJAS

Los principales inconvenientes que posee una turbina a gas son:

1) Mayor costo de la máquina, lo que exige un mayor desembolso

inicial para su adquisición.

2) Bajo rendimiento térmico, lo que origina un mayor consumo de

combustible, no obstante los progresos que se han realizado

recientemente para el mejoramiento de este factor.

CENTRALES ELÉCTRICAS

215

3) Poca flexibilidad de marcha y gran disminución del rendimiento,

cuando se la hace trabajar a una velocidad que no sea la de

cálculo.

4) Es conveniente la utilización solo para potencias superiores a los

1500 HP, lo que limita su empleo únicamente para aquellos casos

en que se requieren potencias superiores a este valor.

5) Como toda máquina rotativa no posee inversión de marcha.

Con respecto a la turbina de vapor, la turbina de gas presenta la enorme

ventaja de no requerir la instalación de la caldera ni del condensador de

vapor, con todas las instalaciones y accesorios que estos elementos

requieren. Esto permite reducir considerablemente el espacio ocupado por

la instalación y brindarle un mayor campo de aplicación, aunque tiene el

gran inconveniente de requerir un mayor consumo de combustible a causa

del bajo rendimiento térmico.

7.8 PARTES TURBINAS DE GAS 4

Las turbinas de gas pueden dividirse en cuatro partes principales:

-Compresor

-Cámara de combustión

-Turbina de expansión

-Carcasa

Además cuenta con una serie de sistemas auxiliares necesarios para su

funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de

lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.

7.9 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 aire a través de cada etapa de

4 http://www.renovetec.com/articulos/arranqueturbinagas.html

TURBINAS DE GAS

216

álabes 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

necesaria 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.

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.

7.10 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 está 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 está diseñadas para soportar tan altas temperaturas.

Están diseñadas mediante una doble cámara:

-CÁMARA INTERIOR

CENTRALES ELÉCTRICAS

217

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.

7.11 TURBINA DE EXPANSIÓN

Está 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 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.

7.12 CARCASA

La carcasa protege y aísla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3

secciones longitudinales:

-CARCASA DEL COMPRESOR

TURBINAS DE GAS

218

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.

7.13 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 a 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

ángulo 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 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.

CENTRALES ELÉCTRICAS

219

-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 contra incendios 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 de

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

está 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.

PROBLEMAS DE LA TURBINA DE GAS.

7.14 FALLAS EN CASA DE FILTROS.

Es una falla importante ya que la caja de filtros se encarga de intentar que

el aire entre lo más limpio posible de partículas y objetos extraños al

compresor, ya que cualquier objeto por partícula sólida por muy pequeña

que sea puede ocasionar graves daños a nuestro equipo, los posibles fallos

que se suelen dar son los siguientes:

Roturas de filtros.

Conductividad alta en agua.

Desprendimiento de boquillas, conviene tenerlas atadas con

cadenas para sujetarlas bien.

Entrada de suciedad por cierre no estanco de la casa de filtros, por

ejemplo que no esté bien cerrada la puerta de acceso.

Corrosión en la casa de filtros.

7.15 FALLAS EN ÁLABES (COMPRESOR Y TURBINA DE

EXPANSIÓN).

TURBINAS DE GAS

220

La falla en los álabes es un muy delicada ya que los álabes son los

encargados de impulsar el aire en el compresor y de aprovechar los gases

de combustión para mover la turbina, por lo que están sometidos a

esfuerzos y cargas térmicas muy grandes, todo ello girando a altas

velocidades, lo que puede provocar que pequeños defectos en su

superficie se hagan importantes al poco tiempo, pudiendo llegar a

romperse el alabe y provocando un gran desastre en el interior de la

turbina, a continuación se exponen algunos de los más importantes:

Impactos (FOD, Foreign Object Damage y DOD, Domestic

Object Damage).

Fisuras (cracks).

Rotura por velocidad crítica.

Pérdida de recubrimiento cerámico (coating loss).

Obstrucción de orificios de refrigeración.

Corrosión (fretting).

Erosión.

Roces (Rubbing).

Deformación por fluencia térmica (creep).

Sobretemperatura (overfiring).

Decoloración (en compresor).

Fig. 7.6 Impactos en los álabes.

CENTRALES ELÉCTRICAS

221

7.16 FALLAS EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN.

La cámara de combustión es el lugar donde se produce combustión del

combustible con el comburente en ella se pueden alcanzar muy altas

temperaturas y presiones, que provocarían la destrucción del metal si este

se encontrase desnudo por ello se ha de recubrir de materiales cerámicos y

estar refrigerado, siendo este uno de los fallos posibles que se pueden dar

en esta parte del grupo, pero también hay otros como los siguientes:

Llama pulsante, provoca una vibración.

Pérdida de material en las placas de recubrimiento (TBC

spallation).

Sobretemperatura en lanzas, provocando su degradación.

Sobretemperatura en piezas de transición, lo que puede llevar a su

rotura como se muestra en la siguiente imagen.

Fig. 7.7 Rotura en piezas de transición.

7.17 FALLAS DEL ROTOR.

El rotor es el elemento que une todo el sistema de la turbinas en un solo

eje, por lo que una falla en él es muy importante ya que al unir turbina,

compresor, generador y turbina de vapor, la falla puede ser transmitida a

todo el sistema lo que supondría desajustes y daños. Las posibles fallas

que se pueden dar en el rotor son:

TURBINAS DE GAS

222

Bombeo del compresor, no entra suficiente caudal de aire.

Suciedad en el compresor.

Vibración que puede estar causada por las siguientes

circunstancias:

- Mal estado de sensores de vibración o tarjetas acondicionadoras de señal.

- Desalineación.

- Falta de presión o caudal de aceite.

- Mala calidad de aceite: aceite con agua o con viscosidad inadecuada.

- Desequilibrio por:

1) Incrustaciones.

2) Rotura de un álabe.

3) Equilibrado mal efectuado.

- Vibración en alternador o reductor.

- Fisura en el eje.

- Curvatura del eje.

- Cojinetes en mal estado.

- Defectos en la bancada.

Ensalada de paletas, que consiste en una reacción en cadena como

consecuencia de la rotura de un álabe o por la introducción de un

objeto que provoque la rotura de álabes, pudiendo dejar la turbina

como muestra la Fig. 7.8

Fig. 7.8 Ensalada de paletas

CENTRALES ELÉCTRICAS

223

Una fisura en el rotor, no tiene solución permanente solo temporal.

Aparece cuando una grieta superficial progresa, se detecta por el

aumento de vibración, que no se corrige con nada, el problema es que

no se suele tener un rotor de repuesto, y en muchos casos hay que

fabricar uno nuevo, con todo esto hay que tener en cuenta a la hora de

seleccionar una turbina, que hay que elegir una turbina cuyo

fabricante garantice la disponibilidad inmediata de un rotor.

7.18 FALLAS DE LA CARCASA.

La carcasa se encarga de cubrir el compresor, cámara de combustión y

turbina, sirviendo también de soporte a los álabes fijos y móviles y

diversos instrumentos, para la conducción de combustible, al ser la

encargada de cubrir todo el sistema se debe vigilar su perfecto estado para

no tener fugas de aire que nos hagan perder presión, o que provoquen la

entrada de objetos extraños, con el consiguiente riesgo para la turbina. Las

fallas más comunes son:

Fisuras en la carcasa.

Fugas de aire por carcasa.

Perno bloqueado, los tornillos de sujeción quedan soldados en sus

agujeros.

7.19 FALLAS EN COJINETES.

Los cojinetes son elementos esenciales, es ahí donde va apoyado el rotor y

por tanto todo el sistema, también nos evitan los desplazamientos hacia

delante o detrás del sistema, ya que la turbina provoca un empuje. Se

utilizan cojinetes antifricción ya que los rodamientos no aguantarían el

peso de semejante sistema, los cojinetes tienen una capa de un metal

llamado Babit, que permite girar al rotor con un rozamiento muy pequeño,

pero es un metal muy delicado que hay que cuidar para evitar su

degradación y por tanto el comienzo de posibles problemas. Las posibles

fallas que se pueden dar en esta pieza son los siguientes:

Desplazamiento axial excesivo.

Fallos en la lubricación.

Desgaste del material antifricción.

Golpes y daños en material antifricción.

Problemas de lubricación:

TURBINAS DE GAS

224

- Agua en el aceite.

- Contaminación.

Fig. 7.9 Cojinete antifricción.

7.20 FALLAS DE CONTROL Y DE LA INSTRUMENTACIÓN.

La probabilidad de falla está presente en toda la vida del equipo, hay veces

que todo el sistema está funcionando bien y son los sensores que indican

fallas y dan falsas alarmas que podrían parar la central, se debe

inspeccionar la avería y si todo está correcto se puede colegir una falla del

sensor, para evitar estas falsas alarmas se utilizan, por ejemplo 3 sensores,

si solo uno de ellos acusa la falla puede atribuirse la falla al sensor paro si

los tres o dos de ellos acusan una falla, debe atenderse la misma.

Existen factores que aumentan la probabilidad de falla, ellos son:

- Temperatura.

- Humedad.

- Polvo y suciedad.

- Tensión de alimentación.

Entre las fallas más habituales en el sistema control se pueden destacar las

siguientes:

- Sensores de temperatura.

- Sensores ópticos.

CENTRALES ELÉCTRICAS

225

La falla más grave en control es la falla del PLC, un autómata encargado

de control, por lo que para mitigarla en la medida de lo posible se debe

considerar que:

- El PLC debe ser redundante.

- Toda la instrumentación (incluidos sensores, transmisores y tarjetas

de bus de datos) debe tenerse en stock en la planta.

Fig. 7.10. Turbina a gas 5

7.21 ARRANQUE DE UNA TURBINA DE GAS

5

Los sistemas de arranque de las turbinas de gas pueden ser de dos tipos:

los que arrancan el compresor de manera directa o los que arrancan el

compresor de manera indirecta utilizando una caja de cambios. El motor

de arranque tiene las siguientes funciones:

o Llevar a la turbina a una velocidad de giro que pueda

mantener por sí sola.

o Poder enfriar la turbina después de apagarla haciendo

rotar el compresor, introduciendo gas a menores

temperaturas.

5 http://www.atmosferis.com/arranque-de-turbinas-de-gas/

TURBINAS DE GAS

226

o Hacer que el compresor de gas purgue todo el sistema

de gases volátiles y no quemados antes del encendido

del combustible.

La operación de arranque de una turbina de gas consiste en:

o Encendido del motor de arranque

o Purga de no quemados

o Preparar quemadores

o Abastecer de combustible

Se enciende el motor de arranque de la turbina el sistema debe acelerarse

hasta una velocidad cercana a la que la turbina pueda mantener por sí

sola. Cabe destacar que el motor de arranque deberá suministrar un par

capaz de arrastrar a la turbina y al compresor, en el caso que la turbina sea

de eje simple. En el caso que el compresor y la turbina de gas no

compartan eje el par será menor ya que solo se hace rotar el compresor.

Los motores de arranque suelen tener como mínimo dos velocidades; baja

velocidad para purga y enfriamiento y alta velocidad para arranque del

equipo. 7.22 ARRANQUE MEDIANTE MOTORES ELÉCTRICOS

Los motores trifásicos de inducción son los dispositivos más utilizados

para el arranque de estos equipos. Cuando el compresor ha alcanzado la

velocidad de giro requerida el motor se desconecta y se desengrana en

caso de llevar embrague.

Los motores de corriente continua son pocas veces utilizados, cuando no

se dispone de corriente alterna. Las baterías que los alimentan deben ser

capaces de arrastrar al compresor, lo que hace que se empleen en

pequeñas instalaciones en las que el par de arranque debe ser bajo. Una

aplicación frecuente es la de convertir el motor de corriente continua en un

generador para cargar la batería, sobretodo, cuando las baterías deben ser

empleadas para alimentar a otros equipos auxiliares.

7.23 MOTORES NEUMÁTICOS

Son motores que utilizan aire o gas que engranan con la turbina mediante

un embrague. El embrague desengrana inmediatamente después que la

velocidad de giro de la turbina sea mayor que la del motor de arranque.

Cuando se da esta situación la alimentación de aire o gas del motor

neumático se cierra.

CENTRALES ELÉCTRICAS

227

7.24 MOTORES DIESEL

Si el par que se requiere para arrancar el equipo es alto y la instalación es

grande, el motor diésel es la mejor opción. Una multiplicadora en estos

casos es fundamental debido a que los ejes de motores diésel difícilmente

pueden rotar a las velocidades de las turbinas de gas. Los motores diésel,

en la mayoría de los casos comparten eje con el compresor. Estos sistemas

por tanto deben disponer de un embrague que pueda desengranarse

cuando la velocidad de la turbina es la requerida. Otra ventaja de los

motores diésel en grandes instalaciones es además de su alta fiabilidad,

que pueden consumir el mismo combustible que la turbina de gas.

Fig. 7.11 Plantas generadoras de gas. La Tablada, Guaracachi

Fig. 7.12 Inyectores de turbina de gas

TURBINAS DE GAS

228

Fig. 7.13 Estator y rotor del compresor de aire de una turbina de gas

Fig. 7.14 Rodete de una turbina de gas