Facultad de ingeniería eléctrica, mecánica y minas

Carrera profesional de ingeniería eléctrica

Curso MAQUINAS TERMICAS

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A GAS

Nombre:

Docente : ING.

SEMESTRE 2014 – I CUSCO – PERU

Concepto.- Una turbina de gas es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos• Es una maquina donde esta se representa por un compresor, una cámara de combustión y una turbina

TURBINA A GAS

* Fundamento teorico

Las turbinas de gas han sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La aparición de las centrales térmicas de ciclo combinado y la exigencia de mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir de combustibles fósiles. Además, la posibilidad de hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas continuará a un ritmo creciente los próximos años

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton donde el rendimiento aumenta con la relación de presión

FUNCIONAMIENTO DE UNA TURBINA A GAS

*Ciclo de braytontambién conocido como ciclo Joule o ciclo Fraude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina a gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento

*DIAGRAMAS DE FUNCIONAMIENTO

Componentes de una turbina a gasCompresor La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina .

Cámara de CombustiónEl 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. Tres tipos posibles: ANULAR, TUBO ANULAR, SILO

* - CAMARA DE COMBUSTION ANULAR es la solución adoptada principalmente por Alstom y Siemens para sus turbinas industriales, y en general, es la que suelen implementar la práctica total de las turbinas aeroderivadas. 

*Esta disposición supone que exista una única cámara en forma de anillo que rodea al eje del compresor-turbina; dicha cámara consta de un solo tubo de llama, y una serie de inyectores o quemadores,

Cámara tipo anular

Cámara tipo tubo-anular

CAMARA DE COMBUSTION TUBO ANULAR

están formadas por grupos de cámaras tubulares que se montan en el interior de un cilindro.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.

*CAMARA DE COMBUSTION TIPO SILOtienen 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.

Turbina •En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN,

*Regeneracion que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).

Ventajas de una turbina a gas*a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño. *b) Bajo costo de instalación. *c) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los *movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna). *d) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos. *f) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento. *g) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente. *h)Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones).

DESVENTAJAS Bajo rendimiento Bajas presiones de trabajo Consumo de carburante elevado Se adapta mal a las potencias bajas Ruidoso por la velocidad de los gases Regímenes a menudo demasiado elevadoAlta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta

temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC

Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina.