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Tipos de 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. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables.

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

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 micro turbinas. 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.

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 más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

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 está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

Turbina de cámara de combustión anular: En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor 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.

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Turbina de cámara de combustión tubo anular: Una serie de tubos distribuidos alrededor 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

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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.

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.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS: 

Los motores a propulsión generan empuje con la ayuda de una turbina a gas,  llamada así porque utiliza el aire, que es un gas, no porque este hecha para funcionar con combustibles gaseosos. La turbina a gas transforma la energía potencial del carburante en energía útil, concentrándola en una tobera, a través de la expulsión de los gases de escape a alta velocidad. El "empujón" es el producto de la velocidad multiplicada por la masa de flujo, Y = V x M y el principio que regula el funcionamiento es el siguiente:   

    

1. En primer lugar y con la ayuda inicial de un motor eléctrico, el aire es aspirado dentro del motor y es reducido de volumen “comprimido” por la fase de compresor,

este, a igual que la fase de turbina, consiste en un sistema de palas fijas, (estatores) y una de palas rotatorias, (rotores), instaladas sobre un eje. El conjunto (eje, compresor, turbina), es llamado rotor. Casi todos los reactores de avión emplean un compresor de flujo axial, en el que el aire tiende a fluir en la dirección del eje pasando por las mencionadas aspas fijas y giratorias,( estatores y rotores). Las aspas están situadas de forma que el aire entra a gran velocidad. Al fluir a través de las aspas, su velocidad disminuye, con lo que aumenta la presión. En los motores a reacción de tamaño REAL dotados de compresores modernos de flujo axial pueden aumentar la presión 24 veces en 15 etapas; cada conjunto de estatores y rotores forma una etapa.

 2.  Generalmente el encendido ocurre por una bujía (O.S. tipo F, por

ejemplo, a la que se le estira hacia fuera algunos milímetros el filamento) y que incendia el gas propano/butano, (tanto la bujía como el gas solo es necesario

al principio ya que el queroseno no prende hasta que no alcanza la temperatura adecuada), el clásico camping gas, que aumenta la temperatura de la cámara a mas de 100ºC  aproximadamente (temperatura mínima de activación de la bomba de carburante y enconsecuencia posterior corte de suministro del gas auxiliar).

 

3. El carburante precalentado en los vaporizadores, es inyectado a continuación

por pequeños tubitos de un diámetro interior entre 0,4 y 0,6 mm, (inyectores), dentro de

la cámara de combustión. En esta zona se mezcla con el aire

comprimido y se incendia. Para obtener el máximo rendimiento, la

temperatura de combustión debería ser la máximaque se pudiera obtener

de la combustión completa del oxígeno y el combustible. Sin embargo,

esta temperatura calentaría la turbina en exceso; las temperaturas de

entrada en la turbina, que actualmente limitan la potencia de los

turborreactores, no pueden superar las limitaciones térmicas de los materiales. Para

reducir la temperatura de entrada a la turbina sólo se quema parte del aire comprimido.

Esto se consigue dividiendo el aire al entrar en la cámara de combustión: parte del aire

se mezcla con el combustible y se inflama, y el resto se emplea para enfriar la turbina.

 4. En la fase siguiente,  la de la turbina, el aire al expandirse bruscamente debido a la

combustión, es conducido a gran velocidad hacia atrás, produciendo energía al hacer girar la turbina, una parte de ésta, es absorbida enseguida por el compresor, el cual es obligado a girar al estar unido al mismo eje central que la turbina, (produciendo el deseado circulo vicioso) El resto de la energía, que son los gases, que en ese momento están a una presión intermedia, tras pasar la turbina, que actúa de forma inversa al compresor, se expanden parcialmente y por

último, en una tobera dirigida hacia atrás para alcanzar la elevada velocidad de salida y por tanto empuje útil para el avión. Para obtener el máximo empuje, la tobera debería expandir los gases hasta la presión de la atmósfera circundante. En la práctica, sin embargo, una tobera así sería demasiado grande y pesada. Las toberas reales son más cortas, lo que hace que la presión de salida sea más alta y el empuje del motor sea algo menor. ¡ y ya esta en marcha…!.

 

El empuje de un turborreactor disminuye cuando aumenta la temperatura del

aire circundante, porque la menor densidad del aire caliente reduce la masa que

fluye a través del reactor. En los Aviones de escala REAL, en los días cálidos, el

empuje para el despegue puede aumentarse a voluntad, inyectando agua en la

entrada del compresor para enfriar el aire mediante la evaporación del agua. (No

lo intentéis con vuestros aeromodelos, creo que es mas sencillo procurarse un poco más de

pista).

 

En los motores militares, un llamado postquemador o postcombustión, instalado entre la

turbina y la tobera puede proporcionar impulsos de aceleración o empuje

adicional para el despegue y el ascenso. En el postquemador se añade más

combustible al chorro de gases de escape para quemar el oxígeno que no se ha

empleado en la cámara de combustión; este proceso aumenta tanto el volumen

del aire como la velocidad del chorro. Sin embargo, la baja eficiencia del

postquemador (relación empuje/consumo) restringe su uso a situaciones que exijan una gran

aceleración momentánea.

Normalmente para el funcionamiento del turborreactor se utiliza el carburante JET A1 o en su lugar y de más fácil adquisición (PARAFINA) queroseno de estufa. 

La lubricación de los cojinetes a alta velocidad, (de 105.000 a 180.000 rpm), se consigue mezclando aproximadamente un 5% de aceite del tipo AEROSHELL TURBINE OIL 500 o 560 al combustible. Este aceite al quemarse deja un mínimo de restos y es por lo tanto el mas indicado. 

 Los motores a reacción pueden ser utilizados con la misma seguridad que los motores de

pistón, Solo que el operador debe de entregar mucha atención a las advertencias expuestas en los manuales de la turbina. Ya que se esta manipulando tecnología punta, a cuya  instrumentación siempre hace falta prestar la máxima atención y respeto (LA REGLA Nº1 ES SIEMPRE DISPONER DE UN EXTINTOR DE CO2 AL LADO). Hay una sustancial diferencia entre un motor a pistón y un

turborreactor, este último no posee un limitador natural de velocidad (aumentándole progresivamente el suministro de combustible, se aceleraría hasta que tantas revoluciones y temperatura producida por la ignición de tanto combustible, sobrepasaría la tolerancia de los materiales de los que esta fabricado de tal modo que se agarraría o reventaría). Por lo tanto una característica interesante del motor a turbina es de aceptar mucho carburante y utilizarlo de manera muy eficiente. Más carburante significa más vueltas, más temperatura de escape, más empuje. Esta eficiencia llevaría a tener problemas si no limitamos el flujo de carburante impidiendo así de no alcanzar regímenes de

rotación críticos. Para este objetivo esta instalada la Unidad de Control Electrónico (ECU). Los valores máximos son programados a través de una instrumento multifunción externo, GROUND SUPPORT UNIT (Unidad de soporte en tierra) o GSU. La electrónica se basa en la más moderna arquitectura RISC, sus microprocesadores y resto de componentes son de la más alta fiabilidad.

 

Partes de una turbina de gas

Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:

        -Compresor

        -Cámara de combustión

        -Turbina de expansión

        -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.

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.

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.

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.

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.

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.La Cámara de Combustión

El calor se introduce en las turbinas de gas a través de la cámara de combustión. Esta cámara recibe el aire comprimido proveniente del compresor y lo envía a una elevada temperatura hacia la turbina expansora, idealmente sin pérdida de presión. De esta forma, la cámara de combustión es un calentador de aire donde el combustible, mezclado con mucha mayor cantidad de aire que lo que correspondería a una mezcla estequiométrica aire-gas. Existen varios tipos de cámaras de combustión, pero en general pueden agruparse en tres categorías: las anulares, las tuboanulares y las tipo silo.

La cámara de combustión anular

La cámara de combustión anular es la solución adoptada principalmente por Alstom y Siemens para sus turbinas industriales, y en general, es la que suelen implementar la práctica totalidad de las turbinas aeroderivadas.

Esta disposición supone que existe una única cámara en forma de anillo que rodea al eje del compresor-turbina; dicha cámara consta de un solo tubo de llama, también anular, y una serie de inyectores o quemadores, cuyo número puede oscilar entre 12 y 25 repartidos a lo lardo de todo la circunferencia que describe la cámara.

El aire entra en el espacio entre el interior de la cámara a través de los diferentes huecos y ranuras por simple presión diferencial. El diseño de estos huecos y ranuras divide la cámara en diferentes zonas, para facilitar la estabilidad de llama, la combustión, la dilución y para crear una fina capa de enfriamiento en las paredes de ésta.

Cámaras de combustión tuboanulares

Las cámaras de combustión tuboanulares están formadas por grupos de cámaras tubulares que se montan en el interior de un cilindro. Este diseño trata de combinar las virtudes de los anteriores buscando la robustez de las tubulares combinada con la compacidad de las anulares.

Es frecuente encontrar entre seis y diez cámaras tubulares ensambladas en el interior de la envolvente anular.

El flujo de aire puede ser directo o inverso dependiendo de la aplicación. En este tipo de cámara de combustión se requiere una mayor cantidad de aire de refrigeración que en las tubulares y las anulares ya que la superficie del quemador es mayor.

El flujo de gases en estos equipos es más estable que en las anulares debido a que cada zona del anillo tiene su propia tobera y en consecuencia una primera zona independiente de las demás.

Camaras de combustión tipo silo o tubulares

Las cámaras de combustión tubulares o tipo silo tienen forma cilíndrica y están montadas de manera concéntrica en el interior de otro cilindro. Las principales ventajas que presentan son su simplicidad, su fácil diseño y su fácil acceso.

Como problema presentan que son grandes y pesadas en comparación a otros tipos de cámara de combustión y por ello su aplicación está relegada únicamente a la industria.

Cámaras de combustión tipo Silo: Este tipo de turbinas tienen la cámara de combustión fuera del eje que une la turbina y el compresor, puesto en la parte superior, 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, son turbinas que por ahora se utilizan para combustibles experimentales como el hidrógeno.