Clase de turbinas a gas[1]

Generación de Potencia II

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA CARIPITODPTO. DE INGENIERÍA MECANICA

CARIPITO - ESTADO MONAGAS.

IUT CARIPITO

Caripito ; Abril / 2011.-

Ing. Msc. Ismael Véliz. 1 /24


TURBINAS DE GAS

Indice.

1. Introducción

2. Historia de las Turbinas de gas

3. Conceptos Básicos

4. Tipos de Turbinas de gas

5. Partes de una Turbina de gas

6. Principios de Funcionamiento de la Turbina de gas

7. Analisis Termodinamico de la Turbina de gas

8. Ventajas de la Turbina de gas

9. Desventajas de la Turbina de gas

10.Puesta en marcha de la Turbina de gas

11.Parada de la Turbina de gas

12.Materiales de los Alabes de la Turbina de gas

1.- INTRODUCCIÓN

Es importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer el desarrollo de estas maquinas de combustión.

La Turbina de gas ha experimentado un progreso y crecimiento fenomenal desde su primer desarrollo exitoso en 1930. Las primeras turbinas a gas construidas en 1940 y aún en 1950 tenian eficiencias de ciclo sencillo de alrededor de 17 % debido a las bajas eficiencias del compresor y de la turbina, y a las bajas temperaturas de entrada de la turbina dadas las limitaciones de la metalurgía de aquellos tiempos.

Por lo tanto, las turbinas a gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y su capacidad de quemar gran variedad de combustible. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia del ciclo se concentraron en tyres áreas :

1. Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina

Éste ha sido el enfoque primario que se ha asumido para mejorar la eficiencia de la turbina a gas. Las temperaturas de entrada de las turbinas han aumentado



establemente desde 540 ºC en 1940 hasta 1425 ºC hoy en día. Estos incrementos fueron posible por el desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicas de enfriamiento para los componentes como la de revestir las aspas de la turbina con capas cerámicas y enfriar las aspas con aire de descarga del compresor

2. Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomáquinaria

El desempeño de las primeras turbinas a gas sufría grandemente las ineficiencias de las turbinas y compresores. Sin embargo, el advenimiento de las computadoras y de técnicas avanzadas de diseño asistido por computadora hicieron posible diseñar estos componentes aerodinámicamente con pérdidas minimas. Las eficiencias incrementadas de las turbinas y compresores resultaron en un incremento significativo en la eficiencia del ciclo.

3. Adiciones de modificaciones al ciclo básico

La eficiencia del ciclo sencillo de las primeras turbinas a gas prácticamente se duplicó incorporando interenfriamiento, regeneración y recalentamiento. Estas mejoras, desde luego, se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de operación, y no pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustible equilibre el incremento en otras áreas. Los costos relativamente bajos de combustible, el deseo de la industria de minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo sencillo a cerca de 40 % dejo pocas posibilidades para optar por estas modificaciones.

2.- HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS

El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C. Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).



En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos.Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando.

En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor.

En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor de agua para movilizarse.

La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso.

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia. La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar.

Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

La primera turbina de gas para una planta generadora de energía eléctrica fue instalada en 1949 en Oklahoma como parte de una planta de energía de ciclo combinado. Fue construida por la General Electric y producía 3.5 MW de potencia. Las turbinas de gas instaladas hasta mediados de 1970 sufrian de baja eficiencia y escasa confiabilidad. En el pasado, la generación de potencia eléctrica para carga base estaba dominada por grandes plantas generadoras a carbón y nucleares. Sin embargo, ha habido un cambio histórico hacia las turbinas de gas impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias, menores costos de capital, tiempos mas cortos de instalación y mejores características de emisiones, y por la abundancia de suministro de gas natural; más y más empresas productoras de energía eléctrica están empleando Turbinas de gas para producción de potencia base así como picos.

Una turbina de gas fabricada por General Electric al principio de 1990 tenia una razón de presiones de 13.5 y generaba 135.7 MW de potencia neta con una eficiencia térmica de 33 % en operación de ciclo sencillo. Una turbina de gas fabricada mas reciente por General



Electric utiliza una temperatura de entrada a la turbina de 1425 ºC y produce hasta 282 MW mientras logra una eficiencia térmica de 39.5 % en modo de ciclo sencillo.

3.- CONCEPTOS BASICOS

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.

Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:



4.- TIPOS DE TURBINA DE GAS

Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de eléctricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables.

Clasificacion de las turbinas a gas

Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:

1. Turbinas a gas de acción

2. Turbinas a gas de reacción

En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma.

De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante.

En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo.



También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser:

1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)

2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)

También pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes.

4.1.- Turbina de gas aeroderivadas:

Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como microturbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas.Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven acabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

4.2.- Turbina de gas industriales:

La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos.Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo mas posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

4.3.- Turbina de cámara de combustión tipo silo:

En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta. Su diseño no esta muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

4.4.- Turbina de cámara de combustión anular:

En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al rededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en



cámaras tuboanulares.

Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

4.5.- Turbina de cámara de combustión tuboanular:

Una serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura.

La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.

Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:

1. Turbinas a gas de un solo eje o monoejes

2. Turbinas a gas de dos ejes o multiejes

4.6.- Turbina monoeje:

El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

4.7.-Turbina multieje:

La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.



5.- PARTES DE UNA TURBINA DE GAS

Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:1. Compresor2. Cámara de combustión3. Turbina de expansión4. Carcasa

Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.

5.1.- COMPRESOR:

Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.

Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.



El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades.

➢ Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.

➢ Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.

5.2.- CÁMARA DE COMBUSTIÓN:

A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar. Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no esta diseñadas para soportar tan altas temperaturas.Están diseñadas mediante una doble cámara:

● Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.

● Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.

5.3.- TURBINA DE EXPANSIÓN:

Esta diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos



sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.

Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.

5.4.- CARCASA:

La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:

✔ Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.

✔ Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.

✔ Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior.

5.5.- OTROS COMPONENTES DE LA TURBINA DE GAS:

Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.

Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar vibraciones.

Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra de



emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por una turbina eléctrica extra. Entre sus componentes principales están el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.

Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contraincendios y de ventilación.

Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.

Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

6.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA A GAS

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.

Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas de combustión interna a flujo continuo cuyo esquema se representa en la Fig. 1.


http://tecnotic.wordpress.com/2008/01/22/turbina-de-gas-i-funcionamiento-basico/


FIGURA 1

El principio de funcionamiento de la turbina a gas de un solo eje, de acuerdo al esquema de la Fig. 1 es el siguiente:

1. El aire ingresa al compresor axial en el punto (1) a las condiciones ambientes, previo a haber pasado por un filtro con el fin de retener las partículas de polvo u otras partículas contenidas en el aire ambiente

Dado que los parámetros ambientales varían durante el día e incluso varían también en función de la ubicación geográfica, es conveniente considerar condiciones standard.

Las condiciones standard utilizadas en la industria son las condiciones ISO que establecen una temperatura de 15 oC y una presión de 1 kg/cm2

En el compresor axial el aire es comprimido hasta la presión de combustión, o máxima presión del ciclo, sin aporte de calor del medio y como consecuencia de ello la temperatura del aire se incrementa debido a la compresión del mismo.

El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor al necesario para producir la oxidación del combustible en la cámara de combustión.

Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a:

a) La necesidad de lograr una adecuada refrigeración de las partes calientes de la máquina (cámara de combustión, conductos de transición, estadios de toberas fijas, ruedas de alabes móviles y conductos de escape)

b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases de combustión desde que se forman en la cámara de combustión hasta que estos ingresan en el primer estadio de alabes.

Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial a tener un gran tamaño y en



consecuencia a absorber la mayor parte de la potencia entregada por la turbina, del orden de las 3/4 partes de la misma.

2. Una vez que el aire sale del compresor parte de el ingresa a la cámara de combustión tal como se indica en el punto (2) de la Fig. 1, donde el combustible es inyectado produciéndose de esta manera la combustión del mismo, dando lugar al aporte de calor (Q) del medio a la máquina térmica.

El proceso de combustión se realiza a presión constante alcanzando muy altas temperaturas lo que da lugar a que se deba ingresar a la cámara de combustión aire de dilución a fin de disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeración para refrigerar el material del tubo de llama ubicado en el interior de la misma.

El caudal másico de gases formados será igual a la suma del caudal de aire ingresado a la cámara de combustión más el caudal de combustible inyectado a la misma

3. Los gases de combustión así enfriados a una temperatura aproximada a los 1.200 oC ingresan al primer estadio de álabes fijos, o toberas, de la turbina como se indica en el punto (3) del esquema.

La energía de presión de los gases de combustión es convertida en trabajo.

Esta conversión se realiza en dos etapas:

a) En las toberas de la turbina los gases son expandidos y de esta manera la energía de presión de los mismos es transformada en energía cinética. (caso de las turbinas de acción)

b) Luego en los estadios (etapas) de álabes móviles de la turbina la energía cinética es convertida en energía mecánica (trabajo mecánico).

4. El ciclo finaliza cuando los gases de combustión después de expandirse en la turbina abandonan la misma y son expulsados a la atmósfera, tal como se indica en el punto (4) del esquema.



7.- ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE LA TURBINA DE GAS

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo W es considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; c es la velocidad, u es la energía interna, p es la presión, z es la altura, q es el calor transferido por unidad de masa y v es el volumen específico. Los subíndices s se refieren a la salida y e se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:

Consideraremos este proceso como adiabático.

q = 0

➢ El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja densidad de los gases.

gze − gzs = 0

Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de trabajo:

El termino h es la entalpía la cual se define como h = u + pv.


w

w

http://es.wikipedia.org/wiki/Primera_ley_de_la_termodin?mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Entalp?a

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Propiedades_espec?ficas&action=edit&redlink=1


7.1.- PARAMETROS TERMODINAMICOS DE FUNCIONAMIENTO

A continuación se indican los valores reales aproximados de funcionamiento de una turbina a

gas ciclo simple.

7.2.- CICLO DE BRAYTON

En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas.

Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenia cuando se inició el proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto”.

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.

En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.



El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

7.3.- RENDIMIENTO TERMICO REAL DE LA TURBINA DE GAS

Sabemos que en toda máquina térmica el rendimiento y la potencia del ciclo real siempre son inferiores a los del ciclo teórico por varias razones, tales como:

1. La compresión no es isoentrópica

2. La expansión no es isoentrópica

3. En todo el sistema se producen pérdidas de presión

4. El proceso de la combustión es incompleto, por lo cual no toda la energía química contenida en el combustible es liberada en ella como energía calórica, debido a la presencia de inquemados

5. Existen pérdidas por radiación y convección a través de todo el cuerpo de la máquina

6. Existen pérdidas de energía cinética a través de los gases de escape la cual no se utiliza en las máquinas industriales



De todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la compresión y en la

expansión por ser las más significativas, pudiendo despreciar el resto frente a estas. Por lo

tanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tener presente que la compresión del

aire en el compresor no es isoentrópica como estudiamos anteriormente, sino que esta es

politrópica. Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión de los

gases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que esta es también politrópica.

FIGURA 2

Los diagramas de la Fig. 2 representan las transformaciones reales.



8.- VENTAJAS DE LA TURBINA DE GAS

a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño

b) Bajo costo de instalación

c) Rápida puesta en servicio

d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna)

e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos

f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna)

g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento

h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente

i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones)

j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna)

k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha

l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador)

m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos

n) El par motor es uniforme y continuo

9.- DESVENTAJAS DE LA TURBINA DE GAS

Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a:

1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495oC a 560 oC

2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las 3⁄4 partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina

10.- PUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA DE GAS

La puesta en marcha de una turbina a gas comprende una serie de secuencias programadas, entre las cuales podemos mencionar las más importantes en orden de cómo se van realizando:

1) Se pone en funcionamiento el sistema de lubricación a través de la bomba auxiliar de aceite, la cual es energizada mediante corriente alterna disponible de la red.



2) Una vez alcanzada la presión adecuada de aceite, se pone en marcha el motor de arranque o también llamado motor de lanzamiento, el cual puede ser indistintamente y según los casos un motor DIESEL, un motor eléctrico de rotor bobinado, o una pequeña turbina a vapor. El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidráulico

3) Estabilizadas las temperaturas del motor de lanzamiento, se activa el acoplamiento mecánico, vinculando de esta manera el eje del motor con el eje del paquete compresor – turbina – generador eléctrico, a través del embrague hidráulico.

4) Se pone en marcha el virador, el cual saca del reposo a la masa rotante haciéndola girar a aproximadamente 3 a 5 rpm.

5) Confirmado que el rotor está en lenta rotación y que el acoplamiento ha sido establecido, se inicia la etapa de aceleración del motor de lanzamiento, que en el caso de que éste fuera un motor eléctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias rotóricas con lo cual se incrementa el número de vueltas del mismo.

6) A medida que aumenta el número de vueltas del motor de lanzamiento, aumenta también el de la máquina y generador gracias al ya mencionado embrague hidráulico.

Esta situación se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitad del número de vueltas de régimen de la turbina.

7) Cuando se alcanza éste estado de giro se habilita el ingreso de combustible a los inyectores ubicados en las cámaras de combustión y paralelamente se energiza la bujía de encendido, produciéndose la combustión del combustible.

8) La turbina se acelera, arrastrada por el motor de lanzamiento y por los gases de combustión producidos.

9) Cuando el número de vueltas de la turbina supera el del motor de lanzamiento, éste se desacopla automáticamente.

10) La turbina continúa el proceso de aceleración por sí sola gracias ahora a los gases de combustión hasta alcanzar el número de vueltas de régimen.

11) Cuando se alcanza el estado de régimen se transfiere el proceso de lubricación a la bomba principal de aceite, saliendo de servicio la bomba auxiliar.

12) En estas condiciones el generador entra en paralelo con la red y empieza a tomar carga hasta llegar a entregar la potencia efectiva del mismo.

13) Esta operación se realiza por medio del regulador de velocidad que actúa sobre la bomba de combustible. El caudal de combustible depende de la presión de inyección.

11.- PARADA DE LA TURBINA DE GAS

Las principales secuencias para sacar de servicio una turbina a gas que acciona un generador eléctrico son las siguientes:

1) Se empieza a bajar potencia eléctrica en el generador actuando sobre la válvula de



regulación de combustible hasta reducir la potencia a cero.

2) Se saca de paralelo el generador eléctrico.

3) Se pone en marcha la bomba auxiliar de aceite.

4) Se corta el suministro de combustible con lo cual empieza el período de desaceleración del grupo.

5) Cuando el número de vueltas ha bajado a aproximadamente 3 a 5 rpm. entra en funcionamiento el virador.

Este dispositivo está constituido por un motor eléctrico y un reductor de velocidad con lo cual se alcanza un elevado par torsor, suficiente para hacer girar al grupo una vez que éste se ha detenido.

El proceso de giro por acción del virador se realiza a fin de permitir un enfriamiento uniforme del rotor de la turbina, evitando con ello que éste se deforme por diferencia de temperaturas dentro del estator de la máquina.

Esta parte de la detención de la máquina es muy importante dado que si ésta se detiene, al tener su rotor a alta temperatura, se produce una zona caliente en la parte superior del eje del rotor, lo cual da lugar a que éste se tuerza con una convexidad hacia arriba.

6) Se detiene el virador cuando la temperatura en el interior de la turbina es muy próxima a la temperatura ambiente.

7) Se detiene la bomba auxiliar de aceite.

12.- MATERIALES DE LOS ALABES DE TURBINAS

El material con que están construidos los álabes de las turbinas son muy variados y sobre ellos se han hecho muchas investigaciones a fin de determinar la composición más adecuada que permita:

a) Resistir muy altas temperaturas

b) Ser resistentes a la corrosión

c) Ser resistentes a la fatiga termo mecánica

d) Ser resistentes al escurrimiento molecular que se produce por acción de los esfuerzos centrífugos y las altas temperaturas

Normalmente se construyen en aceros ferríticos aleados con manganeso, cromo, níquel, molibdeno, titanio y cobalto, en distintas proporciones según sus fabricantes.

En turbinas de gas empleadas como plantas propulsoras de vehículos terrestres se han empleado con gran éxito álabes construidos en porcelana, con lo cual las temperaturas de trabajo han alcanzado valores superiores a los 1.600 Oc con el consiguiente incremento significativo en el rendimiento térmico de la máquina.


Clase de turbinas a gas[1]

Design

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