TURBINAS A GASEDUARDO SANES

CENTRALES ELECTRICAS

CENTRALES ELECTRICAS Una central productora de energía es cualquier instalación que tenga como función transformar energía potencial en trabajo. Las centrales eléctricas son las diferentes plantas encargadas de la producción de energía eléctrica y se sitúan, generalmente, en las cercanías de fuentes de energía básicas (ríos, yacimientos de carbón, etc.). También pueden ubicarse próximas a las grandes ciudades y zonas industriales, donde el consumo de energía es elevado.

FUENTES DE ENERGIA

TIPOS DE CENTRALESLos diferentes tipos de centrales eléctricas dependen de las distintas materias primas empleadas para obtener la energía eléctrica.

CENTRALES HIDROELÉCTRICASEl costo de construcción de estas centrales es elevado 1200 – 1800 $/KW, pero se compensan con los bajos gastos de explotación y mantenimiento. Como consecuencia de esto, las centrales hidráulicas son las más rentables en comparación con los restantes tipos. Estas centrales suelen ubicarse lejos de los grandes centros de consumo y el lugar de asentamiento de las mismas está condicionado por las características del terreno. Las turbinas hidráulicas son accionadas por el agua como consecuencia de la energía cinética o a la de presión que ha desarrollado en su descenso. Los modelos más relevantes de estas máquinas motrices son las turbinas Pelton, Francis, Kaplan y de hélice.

CENTRALES NUCLEARESLa producción de energía se logra mediante la transformación previa de la energía nuclear.Un combustible nuclear, el uranio, y un reactor nuclear reemplazan a los combustibles y a la caldera de la central térmica. En el reactor tiene lugar la fisión del uranio (rotura en cadena de los núcleos de los átomos de este elemento químico), que al liberar una gran cantidad de energía origina el calor preciso para la obtención del vapor de agua. Los tres combustibles fisionables conocidos son: uranio 235, plutonio 239 y uranio 233. El primero de estos combustibles es el único que se encuentra disponible en la naturaleza. Las centrales nucleares o termonucleares utilizan las turbinas de vapor como maquinas motrices. El costo de construcción de estas centrales es extremadamente elevado aproximadamente entre 4500 – 5500 $/KW.

CENTRALES MAREOMOTRICESLa energía eléctrica es consecuencia de la energía de las mareas. Parten del cambio de nivel periódico y las corrientes de agua de mares, océanos, lagos, etc.Cuando la marea está alta, se retiene agua del mar en la zona de embalse; al bajar la marea, el agua retorna al mar a través de las maquinas, haciendo funcionar las mismas.El conjunto de "máquina motriz – generador" se denomina grupo-bulbo y en su interior se ubican un generador, los equipos correspondientes y una hélice (turbina eléctrica del tipo Kaplan de eje horizontal o inclinado).El costo de construcción de estas centrales es aún incierto ya que existen prototipos montadas para estudio, pero se estima que su costo de montaje estará entre 7500 – 8500 $/KW).

CENTRALES GEOTÉRMICASLas altas temperaturas que existen en el interior del globo terráqueo producen un vapor natural a 200°Caproximadamente. Esta energía térmica acciona directamente las turbinas de vapor de las centrales geotérmicas. El subsuelo terrestre es una reserva de energía prácticamente inagotable, pero es de difícil acceso y por lo tanto poco aprovechable. El costo de construcción está entre 2500 – 4000 $/KW).

CENTRALES EOLICASEstas centrales utilizan a los vientos o corrientes de aire para generar la energía eléctrica. Su utilización se limita a situaciones especiales debido a que la obtención de energía eléctrica a través de estas centrales, tiene un elevado costo. El viento puede ser aprovechado a partir de ciertas velocidades (mínima 6 m/s), solo en las centrales eólicas de un tamaño considerable. Los aerogeneradores o turbinas eólicas son aquellas máquinas que superan algunas decenas de kW. Aún se desconoce la manera de regular la producción que estas máquinas aportan El costo de asociado está entre 1300 – 1600 $/KW).

CENTRALES SOLARES HELIOTERMICASLa energía luminosa y térmica proviene del Sol en forma de radiación electromagnética es transformada en energía eléctrica mediante el empleo de células. La irradiación solar equivale a 1 kW/m2 siempre que el tiempo se encuentre despejado. La obtención de este tipo de energía es muy irregular, debido a que depende de las variaciones horarias y estacionales y de las modificaciones en la nubosidad.. El costo de construcción está entre 1600 – 2000 $/KW).

CENTRALES SOLARES FOTOVOLTAICASEl elemento básico de una central fotovoltaica es el conjunto de células fotovoltaicas, que captan la energía solar, transformándola en corriente eléctrica continua mediante el efecto fotoeléctrico. Están integradas, primero, en módulos y luego se forman con ellos los paneles fotovoltaicos. La producción de electricidad de dichas células depende de las condiciones meteorológicas existentes en cada momento, fundamentalmente de la radiación solar. Dichas condiciones son medidas y analizadas con la ayuda de una estación meteorológica. Como la energía eléctrica que circula por la red de transporte lo hace en forma de corriente alterna, la corriente continua generada en los paneles solares debe ser transformada a corriente alterna. Por lo que la corriente directa se hace pasar por un inversor, con lo que se tiene corriente alterna. El costo de construcción está entre 2300 – 2900 $/KW).

CENTRALES TÉRMICASLa fuente energética de estas centrales, está constituido por los distintos combustibles sólidos (carbón mineral); líquidos (diésel, petróleo residual), originados en la refinación del petróleo crudo); y gaseosos (gas natural). La energía eléctrica surge como consecuencia de la energía térmica de combustión.

Los tipos de centrales térmicas son:

• Central térmica de turbinas a gas (600 -750 $/kW).

• Central térmica de turbinas a vapor (1000 -1200 $/kW).

• Central térmica de ciclo combinado (750 -1000 $/kW).

• Central térmica con grupos fuel (400 -550 $/kW).

Central Térmica de Ciclo Combinado

CENTRALES TÉRMICA CON TURBINA A GAS

TURBINAS 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.

Utilizan como ciclo de potencia el CICLO BRAYTON y el fluido de trabajo son los GASES DE COMBUSTIÓN, los cuales son generados mediante la combustión del gas en la cámara de combustión intermedia entre el compresor para el aire y la turbina de expansión. Las partes de una central térmica a gas son:

• Compresor.

• Cámara de combustión.

• Turbina.

COMPRESOR

COMPRESOR DE LA TURBINA A GAS Compresor Centrífugo Compresor Axial

Se encarga de comprimir el aire, antes de introducirlo en la cámara de combustión. El empuje aumenta cuanto mayor es la compresión (mayor ratio de compresión).

VENTAJAS Y DESVENTAJAS COMPRESOR CENTRIFUGO

Las ventajas:

Barato y fácil de construir

Más robusto (menos susceptible al FOD, pérdida del compresor y surge1).

Eficiente para aplicaciones pequeñas (pequeños reactores, turbo-hélice).

Es más pequeño y pesa menos.

Las desventajas:

Sección frontal elevada.

RC bajos.

COMPRESOR AXIAL Las ventajas:

Mayor gasto másico (G). Por tanto, mayor empuje.

Mayor relación potencia/peso.

Mayores RC.

Mayor eficiencia (80-90% comparado con el 75-80% de los centrífugos). x

Las desventajas:

Gran complejidad.

Elevado coste.

Más susceptible a FOD, pérdida de compresor y surge.

ÁLABES GUÍAS DE INGRESO (IGV)

El aire al entrar en la primera etapa del compresor es orientado por los álabes guías de entrada de manera que fluya en la dirección correcta para ser recogido por los álabes de rotor. Los álabes guías de entrada son similares a los álabes de estator, pero están diseñados para tener un efecto mínimo sobre la velocidad o presión del aire que entra.En la mayoría de los motores los álabes guías de entrada son fijos, pero en algunos estos son variables y pueden ajustar su ángulo automáticamente para minimizar la posibilidad de “stall”.

PRINCIPALES AVERIAS EN COMPRESORES×Suciedad (fouling).×Congelación de agua en las

primeras filas de álabes fijos (Icing).

×Compressor surge.×Entrada de un objeto extraño

(FOD) o rotura de elemento interno (DOD).

×Fracturas en álabes (cracking).

×Roces entre álabes móviles y estator (rubbing)

CAMARA DE COMBUSTION

CÁMARA DE COMBUSTIÓN El objetivo de la cámara de combustión es contener la mezcla de aire – combustible y extraer el máximo poder calorífico con una presión constante.

La energía necesaria para hacer funcionar el motor se extrae del combustible mediante un proceso termodinámico de combustión que tiene lugar en la cámara de combustión. La energía calorífica que se produce en este proceso es comunicada al flujo de aire (y gases producto de la combustión) que atraviesa el motor elevando sustancialmente su temperatura.

AIRE PRIMARIO: El 20% del aire se utiliza en la combustión, mezclado con combustible. Propósito combustión.

AIRE SECUNDARIO: El 20% del aire entra por unos agujeros que entran en la cámara, creando unos torbellinos al mezclarse con el aire primario y el combustible hacen que explosione mejor. Propósito formación de vórtices (mejorar combustión).

AIRE TERCIARIO: El resto del aire que no entra por los agujeros, se mezcla con el aire que sale a 2000ºC para enfriarlo hasta 1000 – 1500ºC. Propósito refrigeración.

TIPOS DE CAMARA DE COMBUSTION TIPO CAN

Primeros motores de compresores axiales, actualmente sólo se utilizan en compresores centrífugos. Situada alrededor del eje en el hueco entre el compresor y la turbina.

Inconvenientes

× Pérdida de masa de aire (división viene del compresor)

× Pérdida de eficiencia de combustión porque hay menos aire.

Tubo de salida doblada para reducir la longitud del motor, pero por otro lado aumenta sección transversal (anchura), se utiliza en aeronaves que necesiten motores compactos (helicópteros).

Motores de compresor centrífugo (más grandes y anchos, aprovechamos anchura para quitarle longitud).

TIPO ANULAR

Se utilizan en compresores axiales, sólo un tubo y aprovecha más el espacio (más cantidad de masa de aire). Serie de inyectores de combustible (entre 12 y 20) situados en la periferia.

Ventajas

Espacio turbina y compresor se aprovecha al máximo, sección frontal puede ser más pequeña.

Rendimiento más alto al estar todo dentro de la CC, la mezcla aire-combustible se mezcla mejor.

Menores pérdidas de presión

Mejor refrigeración gases durante la combustión.

Longitud 75% menor que la tubular.

El combustible no quemado se elimina y el CO (tóxico) se convierte en CO2 (no tóxico).

Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga

TIPOS DE CAMARA DE COMBUSTION

CAMARA ANULAR Inconvenientes

× Distribución de combustible menos uniforme a pesar de utilizar tantos inyectores (sección más grande).

× Estructuralmente más débil: Única lámina, más fina, el calor (al ser mayor) la debilita más; se puede producir deformaciones de las paredes por la combustión.

× Mayor tiempo y costo de mantenimiento.

× Distribución de temperaturas y mezcla aire/combustible es menos uniforme que en las CAN - ANULAR.

CAMARA ANULAR

TIPOS DE CAMARA DE COMBUSTION CAN – ANULAR

Es una mezcla de la can y la anular, la parte anterior de esta cámara es idéntica al conjunto de cámaras individuales, y termina conectando al final con un conducto anular análogo al de la parte posterior de las cámaras anulares, que es el que se encarga de recoger y homogeneizar antes de que entren en la turbina los gases de combustión

producidos en cada una de las partes individuales (piezas de transición).

Se tiene aquí la misma ventaja que en el conjunto de cámaras individuales de que la parte anterior de cada una de los tubos de llama independientes puede ser desmontada para su mantenimiento sin necesidad de desmontar el motor.

Además cada parte similar a las cámaras individuales es más corta que era en estas, con lo que las pérdidas de presión en ellas (una de las desventajas de las cámaras independientes) también es menor.

CAN – ANULAR Tampoco se tiene la desventaja que se presenta en los conjuntos de cámaras individuales de falta de homogeneidad de temperatura de los gases a la salida de la cámara cuando falla alguno de los inyectores, puesto que esa homogeneidad se consigue, incluso en caso de que falle, en la parte anular de la cámara.

PARTES DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN CAN - ANULAR

Fuel NozzleAssem bly

Com bustorBasket

TransitionPiece

"C" R ing

F lashbackTherm ocouple

Combustion Gas Discharge

Compressor Discharge

P

AB

C

Preparado por Alejandro Ayras

AVERÍAS TÍPICAS EN CÁMARA DE COMBUSTIÓN

× Temperatura excesiva (Overfiring).

× Pulsación de llama (pulsation).

× Apagado de llama (flameout).

× Rotura en la pieza de transición.

× Rotura de las toberas de inyección de gas.

TURBINA

TURBINA El objetivo de la Turbina es pasar la energía de los gases de la combustión, en energía mecánica para mover el compresor, y el remanente de la energía cinética para generar energía eléctrica en el generador.

Extrae la energía de los gases calientes (potencial + cinética) y la convierte en energía mecánica. Gracias a esta energía, la turbina incrementa la velocidad y transmite ese movimiento al compresor y al generador.

Turbina, ciclo de expansión:

↑ Velocidad

Tª disminuye

↑ Volumen

Presión disminuye

Pérdidas La media de pérdidas del motor de turbina es del 8%. Es sistema muy eficiente. Las pérdidas se resumen en: × 3,5% álabes; × 1,5% aletas de guiado; × 2% sistema de escape.

LOS ALABES DE LA TURBINAALABES Diseño que debe soportar gran estrés térmico.

Refrigeración de los álabes el calor es

transferido desde la superficie del álabe al aire

refrigerante mediante métodos convectivos, o

por el paso de aire por la superficie interna a

través de orificios existentes en los álabes.

Materiales: Aleaciones en base a Niquel.

Pequeños contenidos de cromo mejoran mucho

su resistencia a la corrosión.

Se utilizan álabes monocristalinos para evitar

problemas de bordes de granos, que por las

condiciones de operación generan problemas

de creep, fatiga, stress, etc.

ALABES MOVILES (BLADES)

ALABES FIJOS (VANES)

AVERÍAS TÍPICAS EN LA TURBINA

× Rotura de álabes.

× Fisuras en álabes.

× FOD y DOD.

× Temperatura excesiva (Overfiring).

× Pérdida de material cerámico (TBC Expalation).

CICLO TERMODINAMICO BRAYTON

CICLO BRAYTON DE TURBINAS A GASEn el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre.

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”.

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

ANALISIS DEL CICLO BRAYTONLas transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo son las siguientes:• La compresión 1-2 representa la compresión

isoentrópica del aire que se realiza en el compresor axial.

• La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presión constante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del medio al sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en el punto 2.

• La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gases de combustión que se desarrolla en la turbina.

• No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo a modo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como se ha explicado anteriormente, un ciclo abierto.

Podemos interpretar que del punto 3 a 4 se produce la devolución de calor (Q devuelto) del sistema al medio, es decir la pérdida de calor al ambiente a través de los gases de escape de la turbina.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CICLO BRAYTON CURVAS P-V

Y T-S

ANALISIS DEL CICLO BRAYTON

RELACIONES TERMODINAMICAS EN EL CICLO

TRABAJO DEL COMPRESOR (Wc)

TRABAJO DE LA TURBINA (Wt)

TRABAJO DEL CICLO (Wciclo)

CALOR ADICIONADO AL SISTEMA (Q23)

LUEGO IDEALIZANDO EL SISTEMA SE CONSIDERA mf << ma

TRABAJO DEL COMPRESOR (Wc)

TRABAJO DE LA TURBINA (Wt)

TRABAJO DEL CICLO (Wciclo)

ANALISIS DEL CICLO BRAYTON

TRABAJO DEL COMPRESOR (Wc)

TRABAJO DE LA TURBINA (Wt)

TRABAJO DEL CICLO (Wciclo)

CALOR ADICIONADO AL SISTEMA(Qabs)

CALOR CEDIDO AL AMBIENTE(Wt)

ANALISIS DEL CICLO BRAYTON EFICIENCIA DEL CICLO BRAYTON

(η)

TRABAJO CICLO(Wciclo)

ANALISIS DEL CICLO BRAYTONConsiderando que el aire está en condiciones estándar y frío, se cumple que los calores específicos son constantes, e igual a su valor a temperatura ambiente.

DIAGRAMA DE FLUJO DEL CICLO BRAYTON CURVAS P-V

Y T-S

Q|¿|c p× (T 3−T 2 )Qced=c p× (T 1−T 4 )

Calor Absorbido (3–2)

Calor Cedido (1–4)

W c=cp× (T 2−T 1 ) Trabajo en el Compresor (2–1)

W t=cp× (T 3−T 4 ) Trabajo en la Turbina (3–4)

W t=cp× (T 3−T 4 )

EJERCICIOS

Resolverlo por las dos formas, considerando al aire como gas ideal, y con las tablas del aire a diversas temperaturas.

ANALISIS DEL CICLO REAL BRAYTONSabemos 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

ANALISIS DEL CICLO BRAYTON EFICIENCIA DE LA TURBINA (η)

EFICIENCIA DEL CMPRESOR (η)

TRABAJO CICLO(Wciclo)

CURVAS T-S DEL CICLO REAL BRAYTON

EJERCICIOS

Hallar la eficiencia del ciclo, el trabajo real de la turbina y del compresor, considerando que la eficiencia del compresor es 0.8 y de la turbina 0.85.

TURBINA A GAS SIEMENS SGT6 5000F

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CENTRAL TERMICA A

GAS