Clase 3 1

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Contenidos
Unidad 3: Turbinas de Gas
3.1 Teoría general de la turbina de gas
3.2 Ciclos prácticos en el caso de las turbinas de gas
3.3 Combustión y combustibles en la operación de la turbina de gas
3.4 Tipos y características de operación de las turbinas de gas
3.5 Tendencias en el desarrollo de las turbinas de gas
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Introducción
Una turbina de gas es una turbomáquina motora cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas de gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.
Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que estos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Introducción
La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor, excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera fluye a través de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acoplados. La energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad. El propósito de la turbina determina el diseño que maximiza esta forma de energía. Las turbinas de gas se usan para dar potencia a aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, e incluso tanques.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Introducción
La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor, excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera fluye a través de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acoplados. La energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad. El propósito de la turbina determina el diseño que maximiza esta forma de energía. Las turbinas de gas se usan para dar potencia a aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, e incluso tanques.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Historia
El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C.
Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).
En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos.
Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando.
En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Historia
En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor de agua para movilizarse.
La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso.
En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.
En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Historia
La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables.
En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
1. 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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
1. Compresor:
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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
2. 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 combustiónesta 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 está diseñadas para soportar tan altas temperaturas.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
2. Cámara de combustión:
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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
3. Turbina de expansión:
Está 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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Partes de una Turbina de Gas
4. 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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Otros componentes de la turbina de gas:
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.
3.1 Teoría general de la turbina de gas
Otros componentes de la turbina de gas:
Reductor: En turbinas menores de 50 MW, la velocidad de rotación del eje suele ser superior a la necesaria para el accionamiento de un alternador (3000 o 3600 rpm) ó un compresor y por ello suele necesitarse este elemento reductor del número de revoluciones, que adapta la velocidad de la turbina a la necesaria en el elemento accionado.
Generador: Es el elemento consumidor de la fuerza motriz aportada por la turbina y es el que genera la energía eléctrica que se desea. 
Preguntas