LA PLANTA DE FUERZA DE TURBINA DE GAS

La Turbina de Gas

Este tipo de motor obtiene su energía del calor, comúnmente suministrado por una combustión. Los productos de la combustión constituyen el medio operante, pero la región de la combustión es exterior al motor. Las turbinas de gas que han tenido éxito industrial en las plantas de fuerza, son relativamente una novedad en el campo de la fuerza motriz. El obstáculo para su éxito reside principalmente por la condición impuesta a esta planta de que consuma aproximadamente el 70% de su rendimiento interiormente y, si todos los procesos no son muy eficientes, las perdidas fácilmente consumen su rendimiento potencial neto, dejando la maquina sin ningún atractivo por su ineficiencia. Además, para obtener una buena eficiencia del ciclo usado se necesitan altas temperaturas iniciales del medio operante. Al fabricante se le presentan una serie de problemas de alta temperatura de solución difícil. Su desarrollo comercial pudo proseguir, cuando la ciencia y la ingeniería hubieron progresado lo suficiente para que:

1.- Los fabricantes pudieran construir turbinas de alta velocidad para usarse con gases tan calientes como para ser incandescentes ( 538 oC y más ).

2.- Que la teoría del funcionamiento de las aspas de las turbinas se hubiera desarrollado hasta el punto en que se pudo convertir hasta el 80% de la energía teóricamente en trabajo en el eje.

3.- Que se pudieran construir compresores de aire de alta velocidad con una eficiencia de compresión del 80%, o mejores.

Los motores para aviones de propulsión a chorro son turbinas de gas especiales, en las que su efecto motriz se traduce en un chorro de propulsión cinética del medio operante, en vez de trabajo en la flecha. Los excelentes aviones que fue posible hacer se debieron al motor tan compacto de propulsión a chorro, que intereso a los gobiernos a gastar grandes sumas en su perfeccionamiento, mucho del cual fue para mejorar las soluciones a los tres problemas ya mencionados. Aunque los resultados obtenidos, se aplicaron con beneficio, a la manufactura y uso de la turbina estacionaria de gas de plantas de fuerza. Teóricamente es posible una expansión adiabática reversible en un gas, si este se hace pasar a través de una tobera de la forma adecuada, de una región de alta, a otra de baja presión. La relación entre la alta y la baja presión se llamara relación de presión, ya sea que el proceso sea de expansión o de compresión. Las expansiones en la realidad son casi reversibles, se producen pocos rozamientos y turbulencias con el funcionamiento de la tobera. El resultado de este proceso es un chorro de gases que contienen energía mecánica de lato grado ( cinética ). Las ruedas de las turbinas tienen paletas a las que se dirige el chorro, para transformar esta energía cinética en un esfuerzo sobre las paletas, que luego se transforma a su vez en un par motor en la flecha.

En la turbina de gas, una tobera estacionaria descarga un chorro de gas (generalmente los productos de la combustión) contra las paletas colocadas en la periferia de un rotor dela turbina, como se ve en la figura 1.

Figura 1

En ellas el chorro se desvía y pierde velocidad, mientras que las paletas reciben una fuerza de impulso, que se transmite como un par motor a la flecha. La velocidad que se espera tener en el chorro es a veces suficientemente alta, que justifica dividir la expansión de una serie de etapas, con un juego de toberas y una rueda de paletas en cada etapa, todas las ruedas de paletas están montadas en el mismo eje. Limitando la expansión por etapa, la velocidad de las paletas y las rpm de la flecha se reducen favorablemente. Cuando a las paletas en si, se les una forma, de manera que constituyan verdaderas toberas, también puede producirse algo de expansión en el gas al pasar por ellas, de esta manera, recibirán un “esfuerzo o empuje de reacción” diferente del impulso. En muchos proyectos de turbinas de gas de ha empleado el principio de reacción.El calor disponible para convertirlo en trabajo, durante una expansión isentrópica es:

Δh = cpΔT

en la que cp = calor especifico medio de los gases para la variación de la expansión, cal por kg-oC.

ΔT = caída de temperatura, oC.

Como las turbinas de gas trabajan con un medio fluido a alta temperatura, deberán usarse los mejores experimentales, para establecer el valor del calor especifico. Los productos utilizados en la combustión del hidrocarburo liquido keroseno ( C12H26 ) para varias relaciones combustible-aire y estas relaciones que se utilizan en las turbinas de gas son pobres, con el objeto de mantener la temperatura a la que permite el diseño de la turbina; por lo tanto, el peso molecular de los gases producidos es un poco mayor que el del aire.

La eficiencia de la turbina se toma como la relación del rendimiento actual en trabajo de la turbina, al trabajo que se puede obtener de un proceso adiabático reversible. La imposibilidad que tiene la turbina de gas de convertir toda la energía en trabajo, se puede atribuir al sistema de aspas, con sus fugas a través de la separación entre el rotor y el estator, rozamientos, turbulencia irreversible, y velocidad residual de los gases. En los ciclos de la máquina de combustión interna y de vapor las velocidades de los fluidos son generalmente lo suficientemente bajas para que sea despreciable cualquier diferencia que exista entre las cantidades totales y las estáticas. Sin embargo, esto no sucede siempre en la planta de turbina de gas.

Ciclo de Combustión a Presión Constante.

Se ha visto que la turbina de gas debe recibir una alimentación continua a una presión superior a la de la región del escape. Una planta de turbina de gas consta de una turbina y de los medios de alimentar el medio operante. Las plantas modernas de turbina de gas se basan en un ciclo en el que el medio operante corre continuamente. El aire se comprime en una maquina movida por la turbina. El aire comprimido pasa luego a una cámara de combustión en la que se quema combustible, que eleva la temperatura y aumenta el volumen a presión constante. En estas condiciones, el medio operante seta listo para entrar en la turbina. Después de la expansión de trabajo del gas, se descarga a la atmósfera. No es posible obtener un ciclo cerrado si el combustible se quema al aire directamente, pero lo es si se usan cambiadores de calor. En la figura 2, el aire, que se encuentra en el estado 1 en la atmósfera, se lleva al compresor y se comprime al estado 2, en donde queda listo pasar a la cámara de combustión. La relación combustible-aire que se usa es la que pueda producir la temperatura Ta, que es la temperatura de mayor limite del ciclo. Ordinariamente los limites superiores oscilan entre

649 y 816oC, en las plantas estacionarias. Los productos de la combustión ahora es en el que se descargan. Idealmente pa = p2 , p4 = p1 , con lo que los procesos 1-2 y 3-4 son isentrópicos.

Figura 2

Se han usado diferentes tipos de compresores en las plantas de turbina de gas ( por ejemplo: centrífugos, de desalojamiento positivo, giratorios ), pero se prefieren los de flujo axial para las plantas estacionarias debido a su eficiencia y a su alta velocidad de rotación inherente.Estos compresores son de etapas múltiples, de flujo axial, que se parecen, por la forma en que trabajan a una turbina invertida. La figura 3 muestra una planta con un turbocompresor. El aire pasa sobre un conjunto de aletas (dispuestas sobre una circunferencia como un sistema de aspas). Las aletas desvían la corriente de aire. La difusión así efectuada disminuye la velocidad del aire y aumenta su presión. Si la velocidad del aire permanece casi constante, entonces la altura de las aletas puede disminuir en las etapas ( como puede verse en la figura 3 ), debido a la densidad creciente del aire comprimido. Operando las aletas con ángulos de ataque grandes para el aire se logra aumentar rápidamente su presión, pero es inconveniente operar cerca del ángulo critico, porque las pequeñas variaciones que pueden ocurrir, pueden producir remolinos en las aletas y producir una condición inestable, trepidante, y hasta peligrosa. Los turbocompresores pueden emplearse en condiciones en las que es imperativo obtener la eficiencia máxima, como en las unidades de fuerza de turbina de gas, y debe crear un equilibrio optimo favorable entre el empuje de la aleta la turbulencia de la estela. Se han construido con eficiencias de energía tan altas como de 85%. Pueden operarse con eficiencia a altas velocidades, por ejemplo de 5 000 a 10 000 rpm.Para producir la compresión del aire, el compresor ejecuta una compresión politropica del aire, y lo entrega a presión constante.Un cambiador de calor de lata temperatura formado por superficies tomaría el lugar de la cámara de combustión. La combustión puede llevarse a cabo afuera, usando carbón si se desea, porque los productos de la combustión se conservan separados del medio operante. Estando el gas en una unidad completamente cerrada podría emplearse a altas presiones, reduciendo así el tamaño del equipo necesario. Por ejemplo, una relación de presiones de 6

puede usarse en un ciclo que trabaje entre los limites de presión de 16.9 y 2.8 kg/cm2. El gas no necesita ni siquiera ser aire, y es posible que se encuentre que otros medios son superiores para el objeto ( Helio por ejemplo ).

Figura 3

La Planta de Turbina de Gas Sencilla

En la figura 2 se indicaron los principales elementos necesarios para producir potencia en una planta de este tipo. La figura 3 muestra como pueden reunirse en forma compacta formando una sola maquina. La ilustración presenta la unidad de ciclo abierto que ordinariamente se ofrece comercialmente. Su capacidad de régimen es de 3 500 kw cuando se conecta a un engranaje que cambia las 6 700 rpm, que es la velocidad de la turbina a 3 600 rpm que es la del generador. Con temperaturas máximas de los gases de 704 o a 760oC, la eficiencia térmica es de aproximadamente 5.9. El aire que sale del compresor entre en el combustor múltiple ( de 6 cámaras ) donde quema el combustible necesario para producir la temperatura de proyecto. Se inyecta aceite Bunker C ( negro ) a presión, precalentado por toberas atomizadoras con aire. La ignición se hace con bujías colocadas en dos de las cámaras, en las otras cámaras se hace la ignición por medio de tubos transversales que las conectan. La combustión se mantiene y la ignición por chispas solo se usa para el arranque. También se usa aceite combustible Diesel durante los periodos de arranque y para parar. El control de la velocidad se hace principalmente variando la presión del aceite combustible que llega a la toberas. Esta provista de otros controles secundarios para impedir el exceso de velocidad y las temperaturas máximas. Al salir de la cámara de combustión, los productos se dilatan a la presión atmosférica en una turbina de gas de dos etapas. Se muestran en la figura 4 los rotores de la turbina y del compresor. Se conecta una extensión del eje del generador a un motor eléctrico de 250 hp que es necesario para el arranque. Hasta que el compresor alcanza una presión critica la unidad no da energía para moverse de por si. Esto ocurre a 3 400 rpm en esta unidad.

Figura 4

Refinamientos Térmicos del Ciclo de la Turbina de Gas

Aunque el rendimiento de la turbia de gas no es especialmente atractivo comparado con las eficiencias que es posible obtener en las plantas Diesel y de vapor, la turbina de gas sencilla tienen ventajas en el peso tamaño y vibración comparadas con el motor, en tamaño y costo comparado con la planta de vapor pequeña. También es superior a ambos motores en la cantidad de agua usada, porque la turbina de gas sencilla casi no se usa agua de enfriamiento. Sin embargo, las plantas de fuerza grandes son menos costosas y mas compactas que si se usara la propulsión de turbinas de gas.

Se puede sobrepasar los limites de eficiencia, haciendo el gasto de añadir complicaciones a la planta de turbina de gas. Los principales refinamientos con los que se logra esto son: la regeneración, enfriamiento intermedio, y recalentamiento.Por regeneración se entiende la transmisión de energía calorífica de los gases del escape al aire comprimido que circula el compresor y la cámara de combustión. Se necesita un calentador que se le llama regenerador. El enfriamiento resultante de los gases del escape representa una reducción en el desperdicio del calor.El enfriamiento intermedio consiste en quitar calor del aire comprimido entre las etapas de compresión. Esto reduce el consumo interno de potencia de la turbina por la planta. Generalmente se emplean enfriadores de agua. El objetivo ideal es lograr la compresión

isotérmica, pero en la realidad los que proyectan las plantas se conforman escalonando las presiones que consisten en compresiones adiabáticas con la refrigeración correspondiente. Pocos de ellos son económicamente practicable. El compresor deberá ser necesariamente compuesto, es decir, deberá tener secciones de baja y secciones de alta presión, encerradas por separado.El recalentamiento es el aumento de temperatura de los gases dilatados parcialmente, quemando mas combustión en ellos. Para obtener esto es necesita una turbina compuesta con regeneración asociada, porque se aumenta la temperatura del escape de la turbina. Este sistema es especialmente bueno para mejorar la eficiencia de las plantas que tienen una relación de presiones alta, pero una temperatura máxima en su ciclo relativamente moderada.Estas mejoras al ciclo sencillo pueden aplicarse por separado o conjuntamente. Son capaces de elevar la eficiencia de la planta a mas del 30%, anulando cualquier ventaja, por lo tanto, de eficiencia que pudieran tener en combustible las plantas Diesel o de vapor con condensación. La colocación relativa del equipo de una planta de turbina de gas de lato rendimiento se ve en el diagrama de la figura 5.

Figura 5

El ciclo básico sencillo para la relación de presiones p2 / p1, y temperaturas T1, T3 seria 1-2´-3-4´. El área comprendida será el rendimiento neto de trabajo, mientras que la entrada de calor estaría representada por la combustión a presión constante, 2´-3. Pero con los refinamientos térmicos actualmente incorporados, el área de trabajo 1-2-3-4 es mayor, mientras que el efecto de la combustión, 2x-3 mas 3a-3b, puede ser menor. El resultado es mas potencia por unidad de gasto, a mayor eficiencia.El funcionamiento de los componentes de esta planta se explican en la figura 6.

Figura 6

Regeneración. El gas del escape se enfría en el regenerador de 4 a 4x, pasándole calor al aire comprimido y elevando su temperatura de 2 a 2x. La caída de temperatura de los gases es aproximadamente igual a la elevación de la del aire. Las perdidas de presión del regenerador son pequeñas y no se muestran en el diagrama.

Enfriamiento intermedio. La elevación total de presión divide en dos incrementos ( pueden ser mas en algunas plantas ) decomponiendo el compresor en dos secciones, una de baja presión y otra de alta. Entre las dos secciones circula el aire en el refrigerante intermedio y disminuye de volumen a presión constante. Este fenómeno esta representado por la porción 1a-1b del ciclo. Se obtiene generalmente el enfriamiento intermedio mediante cambiadores de calor de superficie, con lo que se convierte en requisito el uso de agua para la planta.

Recalentamiento. Si se produce la expansión de trabajo en dos o mas etapas de la turbina, puede dividirse la turbina en secciones de bajas y alta presión, de manera que el gas pueda recalentarse en el intermedio hasta el limite máximo en la cámara de combustión. Debido a las bajas relaciones combustible-aire, hay suficiente oxigeno en los productos para mantener la combustión del calentador. La porción del ciclo representa el proceso de este recalentamiento es 3a-3b.

Por lo anterior se ve que para que sea eficiente la turbina de gas debe contar con un equipo cambiador de calor, regenerador intermedio, o ambos. Pueden resumirse las condiciones principales como sigue:

Para RegeneradoresTransmisión de calor de gas a gas Altas temperaturasCoeficientes de transmisión del calor mas bajos que para los enfriadores intermedios (aproximadamente 13.4 contra 22.3 Cal por h por m2 o C.

Para los enfriadores IntermediosTransmisión del calor de gas a liquidoTemperaturas moderadasSe requiere circulación de aguaHay que transmitir menos calor que para el regenerador.

Lo que un liquido se enfría mientras que otro se calienta en un cambiador de calor es lo que se llama su efectividad, que se define como sigue: Caída de temperatura del fluido que cede calor Eex = Diferencia máxima de temperaturas entre los dos fluidos

En la que Eex = Efectividad del cambiador de calor.

Para proyectar los enfriadores intermedios se usan valores mas bien elevados ( de 0.80 a 0.90 ) para Eex, mientras que para los regeneradores los valores mas comunes son de 0.50 a 0.75. Debido a los bajos coeficientes de transmisión en los casos de fas-a-gas, el regenerador tiene que ser voluminoso debido a la gran superficie necesaria. Ambos tipos son de deposito y tubos. Si el aire comprimido esta dentro de los tubos, el deposito no sufre esfuerzos y puede ser oval, rectangular, etc. Si embargo, a menudo el gas circula por los tubos y el aire por el deposito. En estos casos el deposito debe ser cilíndrico para poder soportar la presión del aire. Con esta disposición es mas fácil la parte por donde circula el gas, cuando se llena de hollín.Aunque en la figura 5 se muestran todos los elementos giratorios de un sistema compuesto unidos, la conexión mecánica no es necesaria; en efecto, es ventajoso tener secciones separadas que puedan operarse a velocidades diferentes, así como disponer de velocidades variables para controlar las cargas parciales. Cuando tanto el compresor como la turbina son compuestos se pueden obtener numerosas variaciones de la disposición de la planta. En la figura 6 se dan varios planos que se han usado. En las plantas eléctricas de fuerza, su operación se adapta a las condiciones usuales de variabilidad de la carga. Además, el generador de c-a debe funcionar a velocidad constante. La operación de la planta con cargas parciales es mas eficiente si puede variarse la velocidad del compresor; por lo tanto, las plantas con dos ejes tienen mas probabilidades de que les afecten menos las operaciones a cargas parciales, y la potencia para el arranque es considerablemente menor con ejes divididos. Por ejemplo, para un motor comercial de 3500 kw, de un solo eje, se especifica que el motor de arranque debe ser 250 hp, mientras que otra de 5 000 kw, pero de dos ejes, especifica para la potencia del compresor de baja presión 40 hp y 100 para el de alta. Las plantas con eje doble permiten dar disposiciones ventajosas al equipo de las plantas de ciclo cerrado compuesto y semicerrado.

Figura 6

Campos de Aplicación de Turbina de Gas

Las aplicaciones importantes de las turbinas de gas, que se refieren a lo que puede importar al ciudadano medio, es en el aeroplano, donde las turbinas de gas se usan ya sea para producir el gas para la propulsión a chorro, o para mover una hélice, como en el motor llamado de turbo propulsión. Estas son aplicaciones muy especializadas que han progresado mucho debido a su asociación a las necesidades militares. La propulsión de los ferrocarriles y navíos por turbinas de gas es objeto de una experimentación muy activa. Ya se han llevado a cabo varios experimentos con el objeto de utilizar la turbina de gas como motor de camiones pesados. Aunque es poco sabido del publico, la aplicación mas antigua de la turbina de gas ha sido la generación de fuerza en plantas estacionarias, en donde ha tenido éxito y donde se han logrado también progresos continuos. Esto tiene un interés especial, ya que estas unidades deberán competir activamente, desde el punto de vista comercial, con los motores Diesel muy perfeccionados y con las plantas de vapor.

La posibilidad de hacer muchas variaciones del ciclo básico sencillo de la figura 2, se redactan a continuación:

1.- En lugar del regenerador de la figura 6 ( C ), una caldera de calefacción podría generar vapor industrial. La turbina de gas podría operar con un ciclo abierto, como se muestra, o e un ciclo cerrado, usando como enfriador del gas, adelante del compresor, un calentador de agua o cualquier otro cambiador de calor de baja temperatura. Cualquier desequilibrio en la demanda de calor o de fuerza puede afrontarse mas fácilmente con el ciclo abierto, por que entonces, si las demandas de vapor que el equipo de desecho puede dar, se podrá usar un quemador auxiliar de aceite combustible para suplir la eficiencia.

2.- Como auxiliar de una planta de vapor grande, la de turbina de gas puede ser una unidad sencilla, cuyo calor del escape se absorba en su mayor parte, calentando el agua de alimentación, o recalentando vapor, o produciendo vapor a baja presión para los aparatos auxiliares de la estación.

3.- Se han propuesto varias combinaciones de los ciclos de las turbinas de vapor con las turbinas de gas, todos muy interesantes desde el punto de vista termodinámico.

Resumiendo el resultado de la comparación de los detalles de la turbina de gas, considerada como motor, puede decirse lo siguiente:

1. Mecánicamente es mas sencilla, comparada con las plantas de vapor de C.I., pero por tratar de alcanzar eficiencias para poder competir, algunas de estas ventajas se pierden.

2. Es indispensable un motor eléctrico o de C.I. para arrancar la turbina de gas. Como el arranque debe poner el compresor a la velocidad de operación, el arranque no es tan sencillo como el de los motores de C.I.

3. Como las turbinas de vapor, a las turbinas de gas no se les puede invertir fácilmente la dirección del movimiento. Las maquinas de vapor y los motores de combustión interna de dos tiempos son mejores a este aspecto.

4. Las plantas de turbina de gas tienen menos vibración que las plantas con motores de tamaño semejante, pero el ruido de alta frecuencia que se produce a la entrada del compresor puede ser un gran inconveniente.

5. La turbina de gas utiliza altas temperaturas. Aunque las presiones son moderadas, las condiciones de servicio se complican por la existencia de altas temperaturas.

6. Con ciertos tipos de compresores, con cargas parciales no se mantiene tan bien la eficiencia de la planta de turbina de gas, como las de vapor o motores de C.I., sin embargo, haciéndolas compuestas, con control de velocidad variables en un eje, es un medio de suprimir esta desventaja.

7. El consumo de agua favorece a la turbina de gas.

Las turbinas de gas tienen en la actualidad su mayor utilización en plantas compactas y móviles de generación eléctrica para servicio publico, para propulsión marina y para usos industriales. Un propulsor de casa Rolls-Royce de características aproximadas a las expuestas, de tipo aeronáutico, se estima de una vida mayor a las 10 000 horas, con revisiones generales cada 2000 horas.La tendencia en turbinas industriales es de tres árboles rotativos y tres expansivos sucesivas en turbinas de presión decreciente, en lugar de dos como los de la figura siguiente. Tales turbinas tienen una relación de presiones mayor que las de dos árboles y son de especial aplicación en suministros eléctricos, propulsión naval y tracción ferroviaria. La temperatura de admisión de los gases, de 1000o C, constituye desde luego un freno en la vida de la turbina. Sin embargo, la experiencia registrada permite esperar una vida potencial de 5 000 a 10 000 horas en maquinas de alta presión y de 40 000 horas en turbinas de mediana y baja presión. Se comprende desde luego que, a pesar de la compactación, poco peso y bajo costo de las plantas de generación de esta clase, la clase de combustible exigido y la necesariamente limitada vida de la planta, reducen su aplicabilidad primaria a áreas en desarrollo acelerado no abastecidas por grandes instalaciones convencionales y a industrias remunerativas de gran mercado, que no admiten las prolongadas esperas de las grandes centrales en proceso de montaje.

BIBLIOGRAFÍA

Centrales EléctricasFrederick T. Morse

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