MAQUINAS TERMICAS
[MAQUINAS TERMICAS]TURBINAS A GAS
GRUPO 1
TURBINAS DE GAS
IndiceIntroduccion .3Objetivos .4Turbinas de gas .5Sistemas de
enfriamiento .7Alternativas para recuperar la energia de los gases
10Tipos de turbinas de gas 13Turbinas de gas aeroderivadas
13Turbinas de gas industrial ..14Partes principales
..17Funcionamiento .21Principio de funcionamiento ..23Rendimiento
de una turbina de gas .24Eficiencia de una turbiana de gas
..25Costos de una turbina 27Ciclos28Mantenimiento de una turbina de
gas..34Aplicaciones.36 Ventajas.38Centrales termoelctricas en el
Per..39Kallpa.Chilca.ChilacunoIlo1 .,
etc.Conclusiones.49Bibliografia.49
Introduccion:Turbinas de combustin que queman gas natural son
las ampliamente adoptadas como fuente primaria para la generacin de
electricidad.En el ao 2000, mas de 4000 unidades fueron ordenadas y
vendidas.
Para modificar la potencia de una turbina de gas se deben
alterar, principalmente, dos parmetros: el flujo msico que pasa a
travs de los labes de la turbina y la temperatura del fluido de
trabajo a la entrada del rotor.As mismo, es posible incrementar la
eficiencia y la potencia de un ciclo simple recuperando la energa
remanente en los gases de escape mediante un recuperador de calor.
Este equipo produce vapor que puede ser expandido en el mismo eje
de la turbina de gas o en otro eje mediante una turbina de
vapor.
Objetivos:Objetivos generalesEste Trabajo turbinas a gas ha sido
elaborado con el fin de formarnos en los temas de maquinas
elctricas.Esta propuesta, ideada en la escuela de Ing. Electrica
por el Ing. Zanga, pretende ampliar los conocimientos sobre las
turbinas a gas usadas en algunas centrales elctricas en un mbito
nacional. Objetivos especficos de este trabajoCon este trabajo se
pretende dar continuidad a la propuesta de elaboracin de trabajos
para las diferentes maquina trmicas utilizadas en las centrales
elctricas.Ms concretamente, este trabajo se centra en las turbinas
a gas que utilizan algunas centrales elctricas en el interior del
pas
Turbinas de gas
Esquema de un ciclo Brayton.Crepresenta al compresor,Bal
quemador yTa la turbina.
Montaje de una turbina de gas.Una turbina de gas, es
unaturbomquinamotora, cuyofluidode trabajo es ungas. Como la
compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas
a gas son turbomquinas trmicas. Comnmente se habla de las turbinas
a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con
sustancias en estado gaseoso, sus caractersticas de diseo son
diferentes, y, cuando en estos trminos se habla de gases, no se
espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de
vapores s.Las turbinas de gas son usadas en losciclos de
potenciacomo elciclo Braytony en algunosciclos de refrigeracin. Es
comn en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los
aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que
stos sonturborreactoreslos cuales son mquinas que, entre otras
cosas, contienen una turbina de gas.Durante el paso del fluido de
trabajo a travs de una turbina a gas el primero le entrega energa a
la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye
su temperatura. Podemos hacer un anlisis termodinmico de este
proceso haciendo un balance de energa:
Esta ecuacin es laprimera ley de la termodinmicaenpropiedades
especficas, pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajoes
considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en
este caso contiene al fluido en su paso a travs de la turbina;es la
velocidad,es la energa interna,es la presin,es la altura,es el
calor transferido por unidad de masa yes el volumen especfico. Los
subndicesse refieren a la salida yse refieren a la entrada. Para
simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:
Consideraremos este proceso como adiabtico.
El cambio de energa potencial (gravitatoria) es despreciable
debido a la baja densidad de los gases.
Entonces de la primera ley de la termodinmica podemos deducir la
expresin para obtener el trabajo especfico en funcin de las
propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de
trabajo:
El terminoes laentalpala cual se define como .
Factores que afectan a las prestaciones de las turbinas de
gasDado que la turbina de gas es un motor que respira aire del
ambiente, su desempeo cambia con cualquier cosa que afecte el flujo
de masa de aire de admisin al compresor, y con mayor razn los
cambios en las condiciones de referencia de la Internacional
Standards Organization (ISO) de 15C (59F), 60% de humedad relativa
y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el desempeo de las turbinas
de gas vara significativamente con las condiciones locales, y la
temperatura ambiente es un factor determinante (1).Si se disminuye
la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas
de gas se incrementan, debido a que esta disminucin induce un
aumento en la densidad del aire en la succin del compresor y, para
una velocidad constante del mismo, esto se traduce en un incremento
en el flujo msico.La presin atmosfrica tiene, igualmente, un efecto
importante sobre la capacidad de las turbinas de gas, aunque no
sobre su eficiencia. Cuando la presin atmosfrica disminuye, la
densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa
hacia la turbina y, por tanto, su capacidad. De igual modo, el aire
hmedo, al ser ms denso que el aire seco, tambin afecta la produccin
de potencia.El tipo de combustible tambin influye en el
rendimiento. Es as como el gas produce alrededor del 2 % ms de
salida de potencia que los destilados del petrleo.Sistemas de
EnfriamientoLos parmetros que se tienen en cuenta para seleccionar
el tipo de sistema de enfriamiento ms conveniente incluyen: el tipo
de turbina, las condiciones climticas, las horas de operacin de la
turbina, la relacin entre flujo msico y potencia generada y el
precio de la energa en el mercado.Las principales ventajas que se
obtienen al enfriar el aire en la succin del compresor son:
mejoramiento en la potencia de salida, disminucin del consumo
trmico especfico en ciclo simple y ciclo combinado y disminucin en
las emisiones debido al mejoramiento en la eficiencia total.
Enfriador EvaporativoEste sistema reduce la temperatura de una
corriente de aire a travs de la evaporacin de agua y es aplicable
en lugares donde el aire es clido, y es ms efectivo en ambientes
secos. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a travs de
un filtro por el cual se deja que escurra el agua. Debido a la baja
humedad relativa del ambiente, parte del agua lquida se evapora. La
energa del proceso de evaporacin viene de la corriente de aire, por
lo que ste se enfra. Un enfriador evaporativo incrementa la humedad
relativa hasta valores alrededor del 85%.La capacidad de
enfriamiento de este sistema est limitada por la diferencia entre
las temperaturas del bulbo seco y bulbo hmedo del ambiente. Sus
ventajas son sus bajos costos iniciales y su facilidad de
operacin.Sistema de Niebla (FoggingSystem).Este sistema trabaja con
el mismo principio del enfriador evaporativo, pero en lugar de un
filtro usa billones de micro gotas de agua atomizada para el
intercambio de energa, y es posible alcanzar disminuciones en la
temperatura del aire de hasta 20F. Este sistema eleva la humedad
relativa hasta el 100%.
Compresin Hmeda (WetCompression)La compresin hmeda proporciona
un mtodo econmico para producir un aumento significativo en la
capacidad de generacin de una turbina de gas. Incluye un sistema de
atomizacin y roco, modificaciones en la lgica de control de la
turbina de gas y cambios adicionales en algunos componentes, a fin
de hacerlos ms seguros y confiables. El incremento en la potencia
viene de una combinacin de los efectos de un enfriamiento
evaporativo, un incremento en el flujo msico y una reduccin en el
trabajo del compresor debida a un interenfriamiento en las primeras
etapas del mismo. Los incrementos de potencia logrados con este
sistema oscilan entre el 10% y el 25%, y son ms confiables que los
alcanzados por enfriadores evaporativos y sistemas de niebla, ya
que no dependen de la humedad relativa del medio
ambiente.Refrigeracin Mecnica/AbsorcinEste sistema es capaz de
mantener una temperatura del aire tan baja como se desee, sin
importar las condiciones ambientales. Sus desventajas son: alto
consumo de energa de auxiliares, alta complejidad, alto costo
inicial y requiere grandes espacios. En algunos casos no es
econmicamente viable.
Alternativas para recuperar la energa de los gasesUna forma de
llevar al mximo la recuperacin de la energa en los gases de escape
mediante la produccin de vapor, consiste en utilizar un recuperador
de calor que genere vapor a mltiples niveles de presin. El vapor
generado es inyectado en una turbina de vapor o en la cmara de
combustin de la misma turbina de gas. Las secciones de
transferencia de calor incluyen (i) economizadores, por los cuales
entra el agua al recuperador, gracias a lo cual eleva su
temperatura hasta 5C (10F) por debajo de la temperatura de
saturacin del agua a la presin que es bombeada; (ii) evaporadores,
donde el agua cambia de lquido comprimido a vapor saturado, e (iii)
sobrecalentadotes, en los que el vapor gana calor para pasar de
vapor saturado a vapor sobrecalentado. En la figura 7 se observa el
esquema de un ciclo STIG con turbina de vapor en el que se detalla
el interior del recuperador de calor de dos niveles de
presin.Turbinas de gas en ciclo combinadoLa configuracin ms usada
para aumentar la potencia y eficiencia de una turbina de gas es el
ciclo combinado. Este sistema utiliza un recuperador de calor
generador de vapor acoplado a la salida de los gases de escape de
la turbina para producir vapor que ser expandido en una turbina de
vapor. Los principales equipos que requiere un ciclo combinado son:
una turbina de vapor, un condensador de superficie, un sistema de
enfriamiento, un generador elctrico adicional y numerosos sistemas
auxiliares.Una de las mayores desventajas que presentan los ciclos
combinados es la alta inversin de capital que implican. Con el fin
de salvar esta dificultad se han ideado ciclos de potencia
diferentes para recuperar la energa disponible en los gases de
escape de una turbina de gas.* En el artculo Turbinas a gas:
tecnologa competitiva en el mercado elctrico colombiano, publicado
en la edicin N 7 de esta revista, se expone ms ampliamente esta
configuracin.Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine System)El ciclo
STIG proporciona una alternativa eficiente a un relativamente bajo
costo para recuperar la energa de los gases de escape de una
turbina de gas. Este sistema utiliza un recuperador de calor
acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para
generar vapor que ser inyectado en la cmara de combustin de la
misma turbina de gas. El propsito de esta configuracin es
incrementar el flujo msico que pasa a travs de los labes de la
turbina, que son los encargados de transmitir la energa del fluido
de trabajo, en este caso, la mezcla de gases de combustin y vapor
sobrecalentado, al rotor.La gran cantidad de agua requerida para la
formacin de vapor representa un problema importante, debido a que
no hay recuperacin del agua utilizada.Ciclo STIG con turbina de
vapor.Este sistema consta de cuatro pasos: (1) Se genera un primer
flujo de vapor a una presin A. (2) Se genera un segundo flujo de
vapor a una presin B, siendo B mayor que A. (3) Se produce potencia
en un segundo eje por la expansin parcial de B en una turbina de
vapor- hasta los niveles de presin de A. (4) Finalmente, se unen
los dos flujos de vapor, de presin A, y se inyectan en la cmara de
combustin de la turbina de gas para incrementar su potencia de
salida /2/.En este sistema, al igual que en el ciclo STIG, no hay
recuperacin de agua utilizada para generar el vapor.Ciclo Cheng
avanzado.Este sistema logra la unin del ciclo Brayton y el ciclo
Ranking sin requerir de generador elctrico adicional, condensador,
turbina de vapor, torre de enfriamiento ni grandes sistemas
auxiliares. El sistema Cheng opera como un carburador, en un motor
de gasolina, al momento de inyectar vapor sobrecalentado dentro de
la cmara de combustin de la turbina para alcanzar la mayor
eficiencia y potencia posibles. En esta tcnica, la combustin del
gas calienta la mezcla de aire y vapor a la temperatura de trabajo
de la turbina de combustin y permite su operacin a temperaturas
superiores a 1.450C (2650F). En consecuencia, el incremento de
potencia es debido no slo al aumento del flujo msico a travs de la
mquina sino tambin a las elevadas temperaturas de los gases a la
entrada del rotor de la turbina. En este proceso, el vapor trabaja
sinrgicamente con la mezcla aire-combustible, lo cual eleva su
potencia trmica /3/.El ciclo Cheng provee eficiencias de ciclo
combinado a costos de ciclo simple basndose en que la eficiencia
pico del ciclo se logra a una nica relacin de flujo msico entre el
vapor sobrecalentado y el aire comprimido en la cmara de combustin.
Es as como este ciclo alcanza incrementos en la potencia de salida
y la eficiencia de hasta el 80 y 40%, respectivamente. La tabla de
abajo presenta las capacidades y eficiencias que se pueden alcanzar
con dos modelos de turbina del fabricante Westinghouse, operando en
condiciones ambientales similares, en distintas
configuraciones.
El ciclo Cheng es muy constante a todos los niveles de
temperatura ambiente, lo cual es una real ventaja cuando se opera
en climas clidos, pero presenta el mismo inconveniente del ciclo
STIG, puesto que en este sistema tampoco hay recuperacin del agua
utilizada para la produccin del vapor.Las diferencias entre el
sistema tradicional de inyeccin de vapor y el moderno ciclo Cheng
consisten bsicamente en que este ltimo inyecta mayores cantidades
de vapor, ya que no slo lo usa para incrementar la potencia de
salida, sino tambin para reemplazar parte del aire de sangrado del
compresor en la misin de enfriar los combustores. Adems de esto, el
sistema Cheng es aplicable tanto en turbinas que requieran ser
repotenciadas como en turbinas modernas y de gran capacidad.
Tipos de turbinas de gasLas turbinas de gas son equipos capaces
de transformar la energa qumica contenida en un combustible en
energa mecnica, ya sea para su aprovechamiento energtico o como
fuerza de impulso de aviones, automviles o barcos. En este artculo
prestaremos atencin a su papel como productor comercial de
electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneracin junto
con turbinas de vapor, o en diseos hbridos con otras tecnologas
renovables.Las instalaciones de turbinas de gas peden ser abiertas
o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustin
fluyen a travs de la turbina junto con la corriente de aire. Para
diluir los productos de la combustin hasta una temperatura que
pueda resistir elrodete de la turbina (649 - 982)C, es necesario un
elevado porcentaje de aire. Este diseo ofrece las ventajas de
requerir un control simple y poseer un sistema hermtico. Puede
disearse para altas relaciones peso / potencia y para drenaje sin
agua de enfriamiento.En las instalaciones de tipo cerrado, los
productos de la combustin no pasan a travs de las turbinas, sino
por un intercambiador de calor. Los gases que atraviesan la turbina
trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen,
calientan, expansionan, y enfran. Las instalaciones cerradas
permiten quemar cualquier tipo de combustible en el combustor. Sin
embargo, se necesita un intercambiador de calor. Este tipo de
instalaciones esta limitado a las turbinas estacionarias.Pueden
clasificarse segn el origen de su desarrollo, por el diseo de su
cmara de combustin y por su nmero de ejes.Turbina de gas
aeroderivadas: Provienen del diseo de turbinas de para fines
aeronuticos, pero adaptadas a la produccin de energa elctrica en
plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales
caractersticas son su gran fiabilidad y su alta relacin
potencia/peso, adems cuentan con una gran versatilidad de operacin
y su arranque no es una operacin tan crtica 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 diseo
facilita las operaciones de sustitucin y mantenimiento, lo que hace
viable que se lleven acabo revisiones completas en menores
intervalos de tiempo.
Turbina de gas industriales: La evolucin de su diseo se ha
orientado siempre a la produccin de electricidad, buscndose grandes
potencias y largos periodos de operacin a mxima carga sin paradas
ni arranques continuos.Su potencia de diseo puede llegar a los 500
MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que
pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneracin. Su
mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamao y
peso, buscndose alargar lo ms posible en el tiempo las revisiones
completas del equipo.
Turbina de cmara de combustin tipo silo: En estos diseos la
cmara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los
inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cmara, y
los gases de escape llegan a la turbina de expansin por una
abertura inferior conectada a sta.Su diseo no est muy expandido, y
se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles
experimentales.Turbina de cmara de combustin anular: En este caso
la cmara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado
alrededor del eje. Tiene un nico tubo de llama y entre 15 y 20
inyectores. Consiguen una buena refrigeracin de los gases de
combustin y bajas perdidas de carga, aunque su distribucin de
temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que
en cmaras tuboanulares.Este diseo se utiliza por los fabricantes
Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas..Turbina
de cmara de combustin tubo anular: Una serie de tubos distribuidos
alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseo de cmara
de combustin. Cada una posee un nico inyector y buja. Tienen mejor
resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y
mayor peso. Adems si una de ellas deja de funcionar y no es
detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en
la estructura. La pieza de transicin, que es la que recoge todos
los gases de combustin para dirigirlos a la turbina de expansin, es
una parte delicada de la instalacin.Esta tecnologa es utilizada en
sus diseos por Mitshubishi y General Electric.Turbina monoeje: El
compresor, turbina de expansin y generador giran de forma solidaria
con un nico eje de rotacin. La velocidad de giro es en la inmensa
mayora de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe
tener el rotor del generador elctrico al verter a la red general
(50 Hz). Es el diseo usual en las grandes turbinas comerciales de
generacin elctrica.
Turbina multieje: La turbina de expansin se encuentra dividida
en 2 secciones, la primera o turbina de alta presin, se encuentra
unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria
para su funcionamiento. La segunda seccin comparte eje con el
generador, aprovechndose la energa transmitida en la generacin de
electricidad. Esta tecnologa es utilizada en aeroderivadas y
turbinas de pequea potencia, y ofrece un mejor comportamiento
frente a variaciones de carga.Ademas las turbinas pueden
distribuirse en grandes partes principales:El compresor:Esta
ubicado en la seccin frontal de la turbina y es el elemento por el
cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Esta
pieza, por la disposicin de sus aletas, permite que el flujo sea
"aspirado" hacia el interior de la turbina. Es de flujo axial para
grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad. Para
pequeas turbinas se han usado con xito compresores centrfugos.
La cmara de combustin o combustor:Se fabrican de tipo cilndrico
(can type) o en forma de anillo ( annulartype). Debe llevar el gas
a temperatura uniforme con mnimas diferencias de presin.
Generalmente se fabrican metlicos y se enfran con el aire entrante,
pero tambin se estn construyendo de cermica, para lograr una mayor
eficiencia trmica.
Los regeneradores: Transmiten el calor de los gases de escape
del aire de los compresores. Aumentan rendimiento pero tambin
volumen, peso y costo. Debido a su gran tamao, no son aconsejables
para la industria aeronutica.
Las turbinasSon casi siempre de flujo axial (axial flow) ,
excepto algunas de pequeas dimensiones que son de flujo radial
(radial flow) dirigido hacia el centro.La tobera del escape:Para
favorecer el constante flujo del aire en el interior de la turbina
y poder dirigir efectivamente el aire proveniente de su rueda, se
utiliza un aditamento cnico. Esta tobera de escape aumenta
considerablemente el empuje del motor.Estn diseadas mediante una
doble cmara:Cmara interior: Se produce la mezcla del combustible,
mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a sta
mediante distribuidores desde la cmara exterior en 3 fases. En la
primera se da la mezcla con el combustible y su combustin mediante
una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor
cantidad de aire para asegurar la combustin completa, y por ltimo y
antes de la salida de los gases a la turbina de expansin se
introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de
escape y que no daen las estructuras y equipos posteriores.Cmara
exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del
compresor, hacerlo circular por el exterior de la cmara interior
para refrigerar los paneles cermicos, y a su vez distribuir la
entrada de aire a la cmara interior de forma adecuada.Turbina de
expansin:Est diseada para aprovechar la velocidad de salida de los
gases de combustin y convertir su energa cintica en energa mecnica
rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reaccin, y deben
generar la suficiente energa para alimentar al compresor y la
produccin de energa elctrica en el generador. Suele estar compuesta
por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de
alabes con un adecuado diseo aerodinmico, que son los encargados de
hacer girar el rotor al que estn unidos solidariamente. Adems de
estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos
a la carcasa, y cuya misin es redireccionar el aire de salida de la
cmara de combustin y de cada etapa en la direccin adecuada hasta la
siguiente.Los alabes deben estar recubiertos por material cermico
para soportar las altas temperaturas, adems, un flujo de aire
refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente,
saliendo al exterior por pequeos orificios practicados a lo largo
de toda su superficie.Carcasa:La carcasa protege y aisla el
interior de la turbina pudindose dividir en 3 secciones
longitudinales:Carcasa del compresor: Est compuesta por una nica
capa para soporte de los alabes fijos y para conduccin del aire de
refrigeracin a etapas posteriores de la turbina de gas.Carcasa de
la cmara de combustin: Tiene mltiples capas, para proteccin trmica,
mecnica y distribucin de aire para las 3 fases en que se introduce
el aire en la combustin.Carcasa de la turbina de expansin: Cuenta
al menos con 2 capas, una interna de sujecin de los alabes fijos y
otra externa para la distribucin del aire de refrigeracin por el
interior de los alabes. Debe tambin de proveer proteccin trmica
frente al exterior.Otros componentes de la turbina de gas:Casa de
filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisin que se
introduce al compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado
grosero, y una ltima con filtro de luz del orden de las 5 micras.
En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologas para
aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.Cojinetes:
Pueden ser radiales o axiales, segn 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 antifriccin
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 lubricacin: Puede contener hasta
10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generacin elctrica,
su misin es tanto el refrigerar como mantener una pelcula de aceite
entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricacin suele
contar con una bomba mecnica unida al eje de rotacin, otra elctrica
y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la
turbina mecnica por una turbina elctrica extra. Entre sus
componentes principales estn el sistema de filtros, el extractor de
vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel,
presostato, etc.Recinto acstico: Recubre todos los sistemas
principales de la turbina, y su funcin 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
ventilacin.Bancada: Se construye en cemento para soportar la
estructura de la turbina, con una cimentacin 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 elctrico o hidrulico (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 expansin trmica, 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 razn la turbina se detiene (avera
del rotor, avera de la turbina, inspeccin interna con desmontaje)
es necesario asegurar que, antes de arrancar, estar girando varias
horas con el sistema viradorFUNCIONAMIENTO
Corte de una turbina de gas pequea.Ignitorplug:Buja de
encendido.Burner:QuemadorExhaust:ExhostoTurbine wheels:Ruedas de la
turbinaTurbine nozzles:ToberasBearings:CojinetesOilfeed:
Alimentacin de combustibleCombustionchamberliner:Cmara de combustin
(recubrimiento)Oilreturn:Retorno.Air scroll:Cmara de circulacin de
aireStarter motor: IniciadorFuel control:Control de
combustibleGearbox: Caja de velocidadesAir intake: Toma de
aireCompressorwheel:Rueda del compresorDiffuser: Difusor
Se toma aire atmosfrico a travs de la admisin delcompresordesde
donde se enva aire comprimido a lacmara de combustin(en rojo en la
figura) en la cual el combustible entra con un caudal constante y
se mantiene en llama continua (Las flechas en el dibujo indican la
direccin del flujo). La ignicin inicial se obtiene generalmente por
medio de una chispa (Dispositivo de puesta en marcha). El aire,
calentado en la cmara de combustin o combustor, se expande a travs
de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte
de la energa cintica de la corriente de aire es cedida a los labes
o cangilones de la turbina. Una fraccin de esta energa se emplea
para accionar el compresor y el resto para producir trabajo.En la
operacin de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de
ndole prctica, las cuales determinan gran parte de la actuacin de
esta clase de mquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la
temperatura y velocidad de los labes, el rendimiento del compresor,
el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos
con regeneracin).Principio de FuncionamientoUna turbina de gas es
un motor trmico rotativo de combustin interna, donde a partir de la
energa aportada por un combustible se produce energa mecnica y se
genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes
y con un alto porcentaje de oxgeno.
La mquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva
continuamente el fluido que pasa a travs de ella.El aire es
aspirado de la atmsfera y comprimido para despus pasar a la cmara
de combustin, donde se mezcla con el combustible y se produce la
ignicin. Los gases calientes, producto de la combustin, fluyen a
travs de la turbina. All se expansionan y mueven el eje, que
acciona el compresor de la turbina y el alternador.Las prdidas de
energa se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del
sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energa
aportada.
Rendimiento de Turbinas de GasUna turbina de gas simple est
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 presin constante. El
gas caliente producido por la combustin se le permite expanderse a
travs 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 est
disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo
mecnico, etc.Una variacin del sistema de turbina simple (Brayton)
es el de aadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador
de calor que aprovecha la energa de los gases calientes de escape
al precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. 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
compresin, permitiendo quemar ms combustible y generar ms potencia.
El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la
temperatura de los gases calientes creados por la combustin, 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 Ingeniera de los materiales, estos lmites siempre van
aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600
versin marina.Existen tambin turbinas de gas con varias etapas de
combustin y expansin y otras con interenfriador y regenerador en el
mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuacin:Eficiencia
de una turbina a gasFactores que afectan en la eficiencia de una
turbina son: Temperatura de operacin en la entrada compresor y
turbina Relacion de compresin Eficiencia aerodinmica de la seccin
de compresor u turbina Grandes, mayores a 30 MW sin recuperacin de
calor:
