Turbinas de Gas

Turbinas de Gas

Profesor: Felix Henríquez

TURBINA A GAS CICLO BRAYTON

TURBINA A GAS CICLO ABIERTO SIMPLE DE UN SOLO EJE



FUNCIONAMIENTO

Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde se envía aire comprimido a la cámara de combustión en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua. La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa. El aire, calentado en la cámara de combustión, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes de la turbina. En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración).

La generación de energía eléctrica en las unidades de turbogas, se realiza directamente de la energía cinética resultante de la expansión de aire comprimido y los gases de combustión. La turbina está unida al rotor del generador, dando lugar a la producción de energía eléctrica. Los gases de la combustión, se descargan directamente a la atmósfera después de trabajar en la turbina.

• Generación eléctrica: Se utilizan las turbinas de gas para generar energía eléctrica para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque, aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.

Partes

Una turbina de gas consta básicamente de un compresor de aire, una cámara de combustión y la turbina.

El compresor: Esta ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad .

La cámara de combustión: Se fabrican de tipo cilíndrico o en forma de anillo. Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mínimas diferencias de presión. Generalmente se fabrican metálicos y se enfrían con el aire entrante.

Accesorios: También posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulación de velocidad, de lubricación, de alimentación, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las características de velocidad y de la relación peso / potencia

ETAPAS DEL CICLO:

INDUCCION -> COMPRESION -> COMBUSTION -> EXPANSION

CICLO DE COMBUSTION CONTINUA (A DIFERENCIA DEL OTTO)

CICLO BRAYTON:

INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO

MEZCLADO CON EL COMBUSTIBLE

EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR

ACCIONAR AL COMPRESOR

LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA

TIPOS DE TURBINAS DE GAS


AERODERIVADAS INDUSTRIALES

TURBINA DE GAS

ADAPTACION DE LA AVIACION PARA EL USO

INDUSTRIAL

DISEÑO COMPACTO, LIVIANO PERMITIENDO SER

ENSAMBLADA EN FABRICA Y MINIMZAR LOS

TIEMPOS DE PUESTA EN MARCHA.

ALEACIONES DELGADAS, CARAS Y LIVIANAS PARA

LA CARCAZA.

RAPIDA VARIACION DE CARGA Y TOLERAN

NUMEROSOS ARRANQUES/PARADAS (BAJA

CAPACIDAD TERMICA)

BAJA FLEXIBILIDAD PARA UTILIZAR DISTINTOS

COMBUSTIBLES (DISEÑO COMPACTO DE LA CAMARA

DE COMBUSTION)

RAPIDA ACELERACION (BAJO MOMENTO DE

INERCIA).

CAJA REDUCTORA (TURBINA DE ALTA VELOCIDAD)

RELACIONES DE COMPRESION 15:1

MAYOR MANTENIMIENTO

MATERIALES DE “ALEACIONES POBRES”, MAS

ECONOMICOS, PERO REQUIEREN MAYOR ESPESOR.

GRADIENTE DE CARGA LIMITADO PARA EVITAR

STRESS TERMICO QUE RESULTA EN UN MAYOR

MANTENIMIENTO

ACELERACION MAS LENTA Y MAYOR CUPLA DE

ARRANQUE (INERCIA CONSIDERABLEMENTE

MAYOR).

EL DISEÑO DE LA CAMARA DE COMBUSTION NO

QUEDA LIMITADO POR PESO O ESPACIO, SIENDO

CAPACES DE QUEMAR DISTINTOS COMBUSTIBLES.

RODAMIENTOS MENOS EXIGIDOS, CON ACEITES

LUBRICANTES MINERALES (MENOR COSTO).

MENOR REQUERIMIENTO DE MANTENIMIENTO.

RELACIONES DE COMPRESION ENTRE 20:1 A 30:1


AERODERIVADAS INDUSTRIALES

TURBINA DE GAS



• EL COMPRESOR DE AIRE Y TURBINA, AMBOS EN UN EJE COMUN ROTANDO A MISMA

VELOCIDAD

• IMPOSIBILIDAD EN EL CAMBIO DE VELOCIDAD DE ROTACION PARA LOGRAR MEJOR

RENDIMIENTO DEL COMPRESOR ANTE DIFERENTES ESTADOS DE CARGA.

• Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.


• 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.

• PERMITEN LA OPERACIÓN A VELOCIDAD VARIABLE ENTRE 60-100% DE LA VELOCIDAD

• Esta configuración permite mejorar la eficiencia por medio de la optimización de las

secciones de alta baja presión de del ciclo.

• RESPUESTA TRANSITORIA INFERIOR A LA SINGLE SHAFT

• tecnología utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor

comportamiento frente a variaciones de carga.



INSTALACION BASICA

1-> 2 COMPRESIÓN ISOENTROPICA DEL GAS (AIRE)

2-> ADICION DE CALOR A PRESION CONSTANTE

3-> EXPANSION ISOENTROPICA DEL GAS HASTA LA PRESION AMBIENTE

4-> CALOR ENTREGADO A LA ATMOSFERA A PRESION CONSTANTE

INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO (COMPRESOR)

MEZCLA CON EL COMBUSTIBLE (CAMARA DE COMBUSTION)

EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR (TURBINA) Y ACCIONAR AL COMPRESOR

LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA

CICLO TERMODINAMICO

RENDIMIENTO

)(

)(1

)(

)()(

)]()[(

)(

)(

23

14

23

1423

1423

14

23

TT

TT

TTc

TTcTTc

Q

QQ

TTTTcmQQW

TTcmQ

TTcmQ

p

pp

R

ER

pER

pE

pR

SE DEFINE RELACION DE PRESION:

1

2

4

3

p

p

p

prp

k

k

p

p)1(

2

11

k

k

p

k

k

rp

p

T

T1

1

1

2

1

2

k

k

pr

)1(

11

EN PROCESOS ADIABATICOS:

EL RENDIMIENTO AUMENA CON:↑RELACION DE PRESION

↓TEMPERATURA AMBIENTE

RENDIMIENTO SEGÚN RELACION DE COMPRESION:

RENDIMIENTO

CONSUMO ESPECIFICO SEGÚN TIPO:

LA OPERACION REAL DE LA TG DIFIERE DEL CICLO BRAYTON IDEAL POR LAS

IRREVERSIBILIDADES:

EN EL COMPRESOR

TURBINA

FRICCION EN RODAMIENTOS

PERDIDA DE PRESION EN LOS ALABES Y

CAMARA DE COMBUSTION

RENDIMIENTO

EL COMPRESOR CONSUME APROXIMADAMENTE ENTRE UN 40-80% DEL

TRABAJO GENERADO POR LA TURBINA

EL RENDIMIENO DEL CICLO PUEDE VARIAR DE MANERA SIGNIFICATIVA

CUANDO BAJA EL RENDIMIENTO EN COMPRESOR Y TURBINA.

EL FLUJO DEL GAS (AIRE) VARIA PROPORCIONAL CON LA DENSIDAD DEL

AIRE. DETERMINADO POR

ALTITUD, TEMPERATURA AMBIENTE, HUMEDAD, PERDIDAS EN EL DUCTO DE

AIRE DE ALIMENTACION

LA DENSIDAD DEL AIRE DISMINUYE CON EL AUMENTO DE ALTITUD.

CADA 300 MSNM, EL FLUJO DE GAS DISMINUYE UN 3.5%

=> LA TURBINA DISMINUYE SU CAPACIDAD

RENDIMIENTO

EL AUMENTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE

EL RENDIMIENTO DE LA TG.

BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO

MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA.

APROXIMADAMENTE DISMINUYE 1% POR CADA °C

SOLAR TURBINE ABB

RENDIMIENTO

EL AUMENTO DE LA HUMEDAD AMBIENTE

EL VAPOR DE AGUA, ES MAS LIVIANO QUE EL AIRE, DE MANERA QUE EL FLUJO MASICO

SE VE REDUCIDO PARA UNA VELOCIDAD DE ROTACION DETERMINADA.

ENTONCES, SE REDUCE LA RELACION DE COMPRESION

RENDIMIENTO

TIPO DE COMBUSTIBLE:

E COMBUSTIBLE LIQUIDO QUEMA MAS CALIENTE Y DE MANERA MENOS EFICIENTE QUE

EL COMBUSTIBLE GASEOSO

EL RENDIMIENTO DISMINUYE APROXIMADAMENTE 1.3%

EL AUMENTO DE LAS PERDIDAS POR CAIDA DE PRESION EN LA ADMISION

DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE LA POTENCIA DESARROLLADA POR LA TG.

BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO

MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA.

RENDIMIENTO

in H20 = 0.187 cmHg

CONDICIONES DE REFERENCIA ISO PARA ESPECIFICACION DE TGs:

EJ TG QUE FUNCIONARÁ BAJO CONDICIONES DISTINTAS A ISO:

CONDICIONES DISTINTAS A ISO:

RENDIMIENTO

Power = 10,000 x 0.983 x 0.956 x 0.984 x 0.997 = 9,219 hp (6,873 kW)

Heat rate = 7,770 x 1.015 x 1.007 x 1.003 =7,966 Btu/hp-h (11,269 kJ/kWh)

FACTORES DE CORRECION DEL

FABRICANTE:

OPERACIÓN A CARGA PARCIAL:

RENDIMIENTO

Elementos De Las Turbinas a Gas

ÁlabesÁlabes

DISEÑO QUE DEBE SOPORTAR GRAN ESTRES TERMICODISEÑO QUE DEBE SOPORTAR GRAN ESTRES TERMICO

Tipos de Refrigeración: Por convección o por CapasTipos de Refrigeración: Por convección o por Capas

Convección: el calor es transferido desde la sup. Del álabe al aire refigerante Convección: el calor es transferido desde la sup. Del álabe al aire refigerante

mediante métodos convectivos. (Generadores de turbulencia Long y transv) mediante métodos convectivos. (Generadores de turbulencia Long y transv)

o por el paso de aire por las superficien interna a través de orificios o por el paso de aire por las superficien interna a través de orificios

existentes en los álabes.existentes en los álabes.

Por Capas: aire comprimido a alta presión atraviesa orificios confeccionados Por Capas: aire comprimido a alta presión atraviesa orificios confeccionados

en la sup. Del álabe, direccionando el flujo de aire hacia la sup. Externa del en la sup. Del álabe, direccionando el flujo de aire hacia la sup. Externa del

álabe. El aire luego se mezcla con los gases de escape.álabe. El aire luego se mezcla con los gases de escape.

Materiales: Aleaciones en base a Niquel. Pequeños contenidos de cromo Materiales: Aleaciones en base a Niquel. Pequeños contenidos de cromo

mejoran mucho su resistencia a la corrosión. mejoran mucho su resistencia a la corrosión.

Se utilizan álabes monocristalonos para evitar problemas de bordes de Se utilizan álabes monocristalonos para evitar problemas de bordes de

granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep, granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep,

fatiga, stress, etc.fatiga, stress, etc.





Moving blade

Stationary blade


Cámara de CombustiónCámara de Combustión El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS

QUEMADORES QUEMADORES

Tres tipos posibles: Tres tipos posibles: - ANULAR- ANULAR

- TUBO-ANULAR- TUBO-ANULAR

- SILO- SILO

Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro

continuo de combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla.continuo de combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla.

La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de

flujo involucrado en el ciclo. flujo involucrado en el ciclo.

Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor

número de llamas más cortas.número de llamas más cortas.

Las paredes de la cámara de combustión están sometidas elevadas

temperaturas, debiendo tener una excelente refrigeración para evitar

dilataciones de los materiales.

Pueden estar refirgerados por agua o aire (compresor)

La inyección de Agua es utilizada para la reducción de los NOX originados

por los puntos calientes de la llama.


CÁMARA COMBUSTION - ANULARCÁMARA COMBUSTION - ANULAR

En este caso la cámara consiste en un cilindro En este caso la cámara consiste en un cilindro

orientado axialmente instalado alrededor del eje. orientado axialmente instalado alrededor del eje.

Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20

inyectores. inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, 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 aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme

que en cámaras tuboanulares.que en cámaras tuboanulares.

Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas

aeroderivadas.aeroderivadas.


CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULARCÁMARA COMBUSTION – 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. •Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Siemens, Mitshubishi y General Electric.


CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULARCÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULAR

The world-class gas turbine combines the best features of the existing product lines and technology advancements. single-shaft SGT-8000H innovative 375 MW gas turbine.


CÁMARA COMBUSTION – SILOCÁMARA COMBUSTION – SILO


CÁMARA COMBUSTION – SILOCÁMARA COMBUSTION – SILO


CÁMARA COMBUSTIONCÁMARA COMBUSTION


COMBUSTION CON AIRE

PRIMARIO, ”MODO

DIFUSION”

COMBUSTION CON

EXCESO DE AIRE, MEZCLA

POBRE, “MODO LEAN-

LEAN”

TRANSICION A

COMBUSTION

PREMEZCLADA (LEAN-

LEAN EXTENDIDO)

COMBUSTION

PREMEZCLADA, “MODO

PREMIX”





Mejoras al ciclo

INTERCOOLING:

PERMITE ENFRIAR EL AIRE QUE POR LA COMPRESION ENTRA A ELEVADA

TEMPERATURA A LA CAMARA DE COMBUSTION.

MEDIANTE EXTRACCIONES A LA ETAPA DE BAJA PRESION Y ENFRIADO

MEDIANTE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR, ES POSIBLE REDUCIR LA

TEMPERATURA DE DESCARGA DEL COMPRESOR DE ALTA PRESION.

DE ESTA MANERA SE LOGRAN MAYORES RELACIONES DE COMPRESION (EJ:

TG GE LMS100 rc: 42:1 Y η=44%)

EL RENDIMIENTO AUMENTA DEBIDO A QUE EL COMPRESOR CONSUME

MENOS TRABAJO Y AUMENTA EL DISPONIBLE PARA LA TURBINA.

Mejoras al ciclo

INTERCOOLING: LMS100

•Highsimple cycle, base load efficiency (44%)

•Fast startcapability delivers 100 MW in 10 min

•Excellent hot day performance

•Load followingand cycling capabilities

•Excellent part-load performance

•Aeroderivative design allows for high reliability and availability

Mejoras al ciclo

RECALENTAMIENTO (REHEAT o AFTERBURNER)

•CAMARA DE COMBUSTION ADICIONAL•INYECCION DE OXIGENO•INCREMENTA LA TEMPERATURA MEDIA DEL FOCO CALIENTE

•AUMENTA EL TRABAJO REALIZADO POR LA TURBINA

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