Presentacion Turbinas de Gas

 

UNIDAD III

TURBINAS DE GAS

 

ÍNDICE

CICLO DE BRA BRAYTON YTON 3.1. CICLO 3.2. COMPONENTES

3.3. PLANTAS ESTACIONARIAS 3.4. CICLO COMBINADO

 

INTRODUCCIÓN Las turbinas de gas son turbomáquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya franja de operación va   para las compiten microturbinas hasta desde pequeñas potencias (30   MW para los últimos desarrollos. De  KW esta forma, tanto) con los  500 motores alternativos (ciclos termodinámicos  OTTO   y  DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequeña y media potencia.

 

B RAYTON YTON CICLO DE BRA Se puede decir que antes del año 1940 todas las máquinas térmicas de combustión interna eran del tipo alternativo. Recién, hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de compresores rotativos de alto re ren ndimiento, conj co njun unta tame ment ntee co con n los los pr prog ogres resos os reali realiza zado doss en el campo de la metalurgi rgia, que perm rmiitieron la fabricación de aceros refractarios capaces de resistir altas temperaturas, se posibilitó el desarrollo de las: TURBINAS A GAS. Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la TURBINA A GAS alcanzó su máxima difusión.

 

CICLO BRAYTON SIMPLE Eexpuso n el ael ñoprincipio 1873   GEORGE GEOR GE BRA BRAYTON YTON de funcionamiento del ciclo simple de la turbina a gas, las cualess son máqui cuale máquinas nas térmicas rotativas rotativas de combustión interna a flujo. G.B.BRAYTON 1.830 -1.892)

 

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo   Joule   o   ciclo   Froude, Froude, es un ciclo termodinámico, en su forma más sen se ncill cilla a en una una et etap apa a de co comp mpre resi sión ón adiabática, una expansión etapa de calentamiento isobárico y una adiabática de un fl flui uido do te termo rmodi dinám námic ico o comp compresi resibl ble. e. Es uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por lo que el p rodu roduct cto omecánico del del cic iclo loque pu pued edeeemplee ir desd desde e un trabajo se para la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento.

 

CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GAS El modelo termo rmodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo un termodinámico, enen realidad el fluido de trabajo no cumple ciclo completo las turbinas de gas ya que este finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple suministrar utilizan uncalor a cáalmfluido ara dde e trabajo combusytilas ón turbinas interna depgas ara de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo.

 

PROCESOS CICLO BRAYTON El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: 1.   Compresión isentrópica en un compresor. calor or al fluido de trabaj trabajo o a presión const constante ante 2.   Adición de cal en un intercambiador de calor o una cámara de combustión 3.   Expansión isentrópica en una turbina. 4.   Remoción Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador intercambiad or de calor o en e n la atmósfera

 

P RO CESO Y D ESCRIPCIÓ N

1 - 2 Compresión isentrópica isentrópi ca del aire que se introduce a la cámara de combustión del motor. 2 - 3 Combustión a presión constante del combustible inyectado en la cámara de combustión. 3 - 4 Expansión isentrópica en la sección de la turbina. Ésta es la parte del ciclo que hace el trabajo positivo.

4 - 1  

Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas rota tivas de combustión interna a flujo fluj o continuo cuyo esquema se representa en el siguiente esquema:

 

CICLO TERMODINAMICO BRAYTON TEORICO El ciclo ciclo termod termodiná inámic mico o teó teóric rico o por el cual cual func fu ncio iona nan n toda todas s las las turb turbin inas as a gas gas es el Ciclo  BRAYTON

1-2: compresión del aire en el compresor axial 2-3: oxidación del combustible en la cámara de combustión 3-4:Expansión de los gases combustión en la turbina 4: escape de los gases combustión a la atmósfera

 

FUNCIONAMIENTO

En turbinas de gas, el aire realiza dos import rta antes funciones: suministra el oxidante ox idante necesario para la combustión del combustible y sirve como un refrigerante p avrer a sossmacomp tenonen er ente las de tem turalílími des div di erso conmpon tes dent ntrproerade mite tes seguros. La segunda función se realiza al extraer más aire necesario para que se de la combustión completa del combustible. En turbinas de gas una relación de masa de aire y combustible de 50 o mayor es muy común. Consta en su forma más básica en solo 4 dispositivos loss cual lo cuales es son son el co comp mpre reso sorr, quem quemad ador or,, condensador y la turbina  

Turbina de gas- Ciclo cerrado

 

Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque contin con tinuam uament ente e se de debe be alimen alimentar tar aire ai re nuev nuevo o al co comp mprreso esor. Si se desea examinar un ciclo cerrado, los productos de la combustión que se han expandido al pasar por la turbina deben pasar por un intercambiador de calor, en el que se dese desecha cha ca calo lorr de dell gas ha hast sta a que qu e se alca alcanz nza a la temp temper erat atur ura a inicial.

 

Turbina de gas que opera en un ciclo abierto

 

El volumen de aire aspirado por el compresor es siempre mayor al necesario para producir la oxida oxidación ción delcombustible en la cámara de combustión. Este exceso, exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a:

1. de logrardeuna adecuadaconductos refrigeración de las partes calientes de La la necesidad máquina (cámara combustión, de transición, estadios de toberas fijas, ruedas de alabes móviles y conductos de escape). 2. La necesidad de disminuir la temperatura de los gases de combusti combustión. ón. Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial a tener un gran tam ta maño y en co cons nsec ecue uenc ncia ia a abso absorrber ber la mayor part artee de la pote poten nci cia a entregada por la turbina, del orden de las 3/4 partes de la misma.

 

La máquina acciona una carga la cual se encuentra montada en el eje de la misma. La carga podrá ser de diversos tipos, tales como: un generador eléctrico, una bomba de gran potencia, un compresor, un soplante de aire, la hélice de un navío, etc. Según el tipo de carga de que se trate podrá existir una caja reductora de velocidad entre la máquina y la carga, caso de que la carga sea un generador eléctrico. eléctrico. También se aplica con gran éxito como planta propulsora de aeronaves, barcos y vehículos terrestres tales como trenes y vehículos de calle, dada la importante característica que presenta ésta máquina en cuanto a la relación potencia / peso y tamaño que la distingue fundamentalmente de otras máquina térmicas.

 

VENTAJAS DE LA TURBINA A GAS a)Muy a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño. b) b) Bajo  Bajo costo de instalac instalación. ión. c) Rápida c) Rápida puesta en servicio. d) d) Es  Esmientos una máquina rotante (nodetiene movimientos complejos como son los movimientos movi roto alternativos los motores de combusti combustión ón interna). e) Al ser una máqu e) Al máquina ina rotante rotante el equilibrado equilibrado de la misma es práct prácticam icamente ente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimi movimiento ento alternativos. f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión f) Menos interna). g)   Men Menore ores pérd rdiidas por rozam zamiento al tener menores res pi piez eza as en movimiento. h) Sistema  Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente. h)

 

i) i) Bajas  Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones). j) El j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión combustión (diferente a los motores de combustión interna). k)   Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha. l) l) No  No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador). Permit iten en em empl plea earr di difere ferent ntes es tipo tiposs de comb combus usti tibl bles es co como mo ker keros osen ene, e, m)   Perm gaso soil il,, gas na natu tura rall, carbó arbón n pul pulver eriiza zad do, siem siempr pree que los los ga gase sess de combustión combusti ón no corroan corr oan los álabes o se depositen en ellos. n) El par motor es uniforme y continuo n) El continuo..

 

DESVENTAJAS DE LA TURBINA A GAS Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a: 1.   Alta 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. 2.   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  

 

PUESTA EN MARCHA DE LA TURBINA A GAS 1.   Se pone en funcionamiento el sistema de lubricación a través de de la bomba auxiliar de aceite, la cual es energizada mediante la corriente alterna disponible de la red. 2.   Con la presión adecuada adecuada de aceite, se p pone one en marcha marcha el motor de arranque (motor de lanzamiento), el cual puede ser: un moto mo torr DIES DIESEL EL,, un mo moto torr eléc eléctr tric ico o de roto rotorr bo bob binad inado o,o una una pequeña turbina a vapor. El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidráulico.

 

3- Se  Se activa el acoplamiento mecánico, vinculando de esta manera 3el eje del motor con el eje del paquete compresor   –   turbina   – generador eléctrico, a través del embrague hidráulico. 4- Se 4- Se pone en marcha el virador, el cual saca del reposo a la masa rotante haciéndola girar a aproximadamente 3 a 5 rpm. 55- Etapa  Etapa de aceleración del motor de lanzamiento, que en el caso de que éste fuera un motor eléctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias rotóricas con lo cual se incrementa el número de vueltas.

 

6-Con el aumento del número de vueltas del motor de 6-C lanzamiento, aumenta el de la máquina y generador gracias al embrague hidráulico. 77- Esta  Esta situación se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitad del número de vueltas de régimen de la turbina. 8-A Alcanzado éste estad stado o de giro se habili litta el ingres reso de 8combustible a los inyectores en las cámaras de combustión y se energiza la bujía de encendido, produciéndose la combustión del Combustible. 9- La turbina se acelera, arrastrada por el motor de 9- La lanzamiento y por los gases de combustión.

 

10-Cuando Cuando el númeroéste de se vueltas de laautomáticamente. turbina supera el del 10motor de lanzamiento, desacopla 1111-La La turbina continúa el proceso de aceleración por sí sola gracias a los gases de combustión hasta alcanzar el número de vueltas de régimen. 1212-Alcanzado Alcanzado el estado de régimen se transfiere el sistema de lubricación a la bomba principal de aceite, saliendo de servicio la bomba auxiliar. 13-En En estas condiciones el generador entra en paralelo con la red 13y empieza a tomar carga hasta llegar a la potencia efectiva del mismo.

 

Aplicando la primera ley para flujo estable a cada uno de los procesos se puede determinar tanto el calor como el trabajo transferido durante el ciclo. Los procesos procesos de 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y P2 = P3 y P4 = P5. Por tan tanto: to:

Para el proceso de calentamiento calentamiento de 2 a 3

 

Para el proceso de enfriamiento de 4 a 1

En el compresor se tiene la expresión expresión

Para la turbina, la primera ley queda expresada como

 

La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal se escribe como:

 

COMPONENTES DE LAS TURBINAS DE GAS

 

COMPONENTES PRINCIPALES PRINCIPALES DE LA TURBINA DE GAS: Sistema de admisión, Toma de aire o nácela  nácela  Inlet ) Compresor compressor ) Cámara de combustión  combustión  urner or Com bustion chambers )

Turbina Turbine ) Sistema de Escape  Escape  N oz o z z le le o r E xh x h au au st st system

30  

SISTEMA DE ADMISIÓN TOMA DE AIRE El sistema de admisión debe dar el libre paso de aire atmosférico a la turbina evitando caídas de presión o variaciones del flujo másico a pesar de cambios c ambios en el ángulo de ataque, ángulo de deslizamiento. El si sist stem ema a de admis admisió iónn no forma forma parte parte de dell moto motorr, este este es fabr fabric icado ado po porr el fabricante de la aeronav aeronave. e. El sistema de admisión esta directamente relacionado con la ubicación del motor, ya que este debe “llevar” el aire a ire atmosférico hasta la entrada del compresor compresor..

 

SISTEMA DE ADMISIÓN

[ UBICACIÓN DEL MOTOR Y LA TOMA DE AIRE ]

[Raymer (1989)] (1989)]

 

SISTEMA DE ADMISIÓN

[ UBICACIÓN DEL MOTOR Y LA TOMA DE AIRE ]

[Raymer (1989)] (1989)]

 

SISTEMA DE ADMISIÓN [ DESVIADOR DE CAPA LIMITE] LIMITE ]

[Raymer (1989)] (1989)]  

TOMA DE AIRE

[ CAJAS DE ENGRANAJES EN TURBOHÉLICES] TURBOHÉLICES ]

La caja de engranaje que utiliza un turbohélice generalmente puede interrumpir la toma de aire del motor y su recubrimiento genera resistencia aerodinámica genera aerodinámica . Estas cajas de engranaje deben ser compactas, no interrumpir la toma de aire y tener la menor área frontal posible. Las ca Las caja jass de engr ngran anaj aje es gener neral alm ment nte e util utiliz izan an un sist sistem ema a plan pl anet etar ario io pa para ra dism dismin inui uirr la veloc elocid idad ad angu angula larr del del moto motorr y transmitir la potencia.

 

TOMA DE AIRE [CAJAS DE ENGRANAJES EN TURBOHÉLICES] TURBOHÉLICES ]

Garrett TPE331

 

TOMA DE AIRE La toma de aire no debe ser perturbada por la estela generada por otra parte de la aeronave. aeronave. Para evitar el daño por objetos externos a la turbina (Foreign Object Damage,   FOD), algunas aeronaves, generalmente aviones turbohélices y helilicó he cópt pter eros os po pose seen en ma mallllas as pr prot otec ecttor oras as qu que e protegen la toma de aire del motor. Estas mallas puede impedir la libre entrada de aire atmosférico y deben ser diseñadas con sumo cuidado y solo son utilizadas cuando el riesgo de un   FOD  es considerable debido a la operación de la aeronave (vuelo a baja altura en zonas agrícolas y de guerra).

 

COMPRESOR El co com mpreso resorr se enc ncar arg gan de tomar el aire atmosférico y comprimirlo. Estos reciben la potencia de la turbina del motor o alguna etapa o etapas de esta. Pueden ser  Centrífugos  Axiales





 

COMPRESOR CENTRÍFUGO El impulsor agrega energía al fluido entrante aumentando su velocidad y presión. Luego del difusor, disminuye la velocidad del fluido aumentando aun mas su presión.

 

COMPRESOR CENTRÍFUGO

 

COMPRESOR AXIAL Los comp Los compres resor ores es ax axia iale less co comp mpri rime menn el aire al agregarle energía a través de múltiples etapas rotoras y controlando la dirección del flujo en etapas estatoras. Cada etapa (rotor (rotor-estator) -estator) incrementa en una relación de 1 a 1,25 aproximadamente la presión, por lo que se requieren muchas etapas para lograr una gran relación de compresión. Par ara a hace hacerr ma mass efec efecti tivvo el cont contrrol de flujo axial algunos compresores (en algunas etapas) poseen alabes estatores de ángulo variable.

 

COMPRESOR AXIAL

 

CÁMARA DE COMBUSTIÓN La cámara de combustión toma el aire comprimido y a baja velocidad del compresor. Una fracción de este pasa a través de los inyectores y se mezcla con el combustible evaporado. La mezcla a entr entra combustión combustió excitada excitada la chispa de mezcl una bujía enaelenarranque onpor el calorpor remanente. Se crea una flama a muy elevada temperatura que es alimentada por el aire comprimido que entra en la zona primaria de la cámara de combustión. El resto del aire entra a la zona de dilución y enfría parcialmente la mezcla. Como resultado del proceso, la mezcla de gases eleva su velocidad desde unos 5 m/s hast asta 450 m/s aproximadamente. Aproximadamente entre un 80 yno 60se%quema. del aire entra a la cámara de combustión Esteque se

expande y acelera su velocidad junto con los gases producto de la combustión.  

CÁMARA DE COMBUSTIÓN La estabilidad de

la combustión dependerá de a mezcla de aire ai re/c /com omb busti ustibl ble e y de dell valo alor del del flujo másico que pasa a través de la cámara de combustión.

Tiposs de cá Tipo cám maras aras de comb combus usti tió ón (Cla (C lasi sifi fica caci ción ón de Prat Prattt & Whit Whitne ney) y) de acuerdo a su manera de operación y montaje en el motor: 





 Tipo lata o tubo (Can)  Tipo Anular ( Annular )  Tipo Can-anular o tubo-anular (Can-annular )

 

CÁMARA DE COMBUSTIÓN TIPO LA LATTA O TUBO T UBO

 

CÁMARA DE COMBUSTIÓN TIPO ANULAR

 

CÁMARA DE COMBUSTIÓN TIPO CAN- ANULAR O TUBO - ANULAR

 

TURBINA Las turbinas que utilizan los motores de reacción son turbinas de acción-reacción. De esta forma extraen mucho mejor la energía del flujo de gases que sale de la cámara de combustión. Una línea estatora se encuentra entre el escape de la cámara de combustión y la turbina, de esta manera dirige el flujo de gases en la dirección apropiada. En un moto torr habr habrá á tant tantas as etap etapas as estat stato oras como existen etapas rotoras. Cada Ca da alabe alabe roto rotorr de forma forma inde indepe pend ndie ient nte e genera una fuerza que contribuye a mover a la turbina en la dirección de giro.

 

TURBINA

 

SISTEMA DE ESCAPE Los sistemas de escape se encargan de entregar los gases producto producto de la combustión y aire caliente a la atmósfera. Dependiendo de la función del motor (generar empuje o distinta. entregar potencia), la función del escape es Si la función del motor es entregar potencia (t (tur urbo bohé hélilice cess y tu turb rboe oeje jes) s) la fu func nció iónn de la sección de escape de gases perturbación es entregar estos gases ocasionando la menor a la oper op erac ació iónn de la aer aeronav onave e (o cont contri ribu buir ir lo mejor posible a esta).

Por esta razón muchos turboejes y turbohélices poseen una sección de escape que descarga

lejo lejoss de la es estr truc uctu tura ra de la ae aerronav onave e, de secc se cció iónn cons consta tant nte e o div diver erg gen ente te,, lo cu cual al no  

SISTEMA DE ESCAPE En motores que generan empuje el sistema de escape es básicamente una tobera que acelera el flujo de gases de escape para que la velocidad de estos (V 4) sea la mayor posible, y así generar mayor empuje. Si la velocidad de escape de los gases es menor a la velocidad del sonido (subsónico o transónico), esta debe ser convergente. Si velocidad escape de los secci gases mayor la lade del l soni sonido do de (sup (super ersó sóni nico co) ) la se cción ónesdebe de be ser sear convergente-divergente.

Pueden Pued en exi xist stir ir sist sistem emas as su supr pres esor ores es de ru ruid ido o, unid un idad ades es po post st-q -que uema mado dorras, as, o re revver erso sore ress de empuje en esta sección del motor. Esto dependerá de la aeronave y su misión.

 

SISTEMA DE ESCAPE

 

SISTEMA DE ESCAPE El sistema de escape de los motores de reacción esta formado por todos los componentes y sistemas posteriores a la turbina. Estos componentes dependerán de la función del motor . Entre estos esta: 

 Sistema de reversión de empuje



 Sistema de post-quemador



 Sistema de supresión de ruido

 

SISTEMA DE REVERSIÓN DE EMPUJE El sist sistem ema a de rev reversi ersión ón de empu empujje es un dispositivo encargado de entregar un vector de em empu puje je en sent sentid ido o cont contar ario io al avan avance ce regular de la aeronave. aeronave. Estos co com mponent entes son utilizados para ara ayudar a frenar a los aviones durante la prim pr imer era a fase fase del del at ater erri riza zaje je,, au aunq nque ue en aplica apl icacio ciones nes milita militares res pueden pueden “frenar”   el avión en vuelo. Para generar el vector de empuje contario al avance se invierte todo o parte del flujo de gases de escape del motor en aproximadamente apro ximadamente 45 grados.

 

SISTEMA DE REVERSIÓN DE EMPUJE Durante el aterrizaje, este sistema solo es activado a velocidades superiores a 60 knot evitar la recirculación de gases depara escape.

 

SISTEMA DE REVERSIÓN DE EMPUJE Los diversos sistemas de reversión de empuje pueden ser clasificados en tres grupos: 





 Sistema de compuerta de almeja (Clamshell door system)  Sistema de cubeta corrediza ( Bucket  target system)  Sistema de reversión de corriente fría (Cold  stream reverser system)

 

SISTEMA DE COMPUERTA DE ALMEJA Este sistema bloquea y revierte el flujo total de gases de escape por medio de dos compuertas operadas neumáticamente. El flujo de escape es direccionado por medio de la rejilla de alabes. Todo el sistema funciona a temperaturas de aproximadamente 600˚C durante un corto periodo.

 

SISTEMA DE COMPUERTA DE ALMEJA

 

SISTEMA DE CUBET CUBETA A CORREDIZA Este sistema rota y traslada un par de compuertas ena forma por medio de un sis sistem ema hidráude licocubeta que bl blo oqu que ea y revierte todo el flujo de gases de escape del motor Son usados por turbofán de bajo by-pass

 

SISTEMA DE CUBETA

 

SISTEMA DE REVERSIÓN DE CORRIENTE FRÍA Este sistema solo revierte el flujo de aire frío del  by-pass  por medio de un conjunto de componentes el d ucto y un que conjubloquean nto de ael labaire es den e cascada que direccionan el flujo. La rejilla de alabes de cascada permanecen cerrados por medio de una compuerta en operación regular. Son empleados por turbofán de alto   bypass.

 

SISTEMA DE REVERSIÓN FRÍA DE CORRIENTE

 

SISTEMA DE POST POST-QUEMADOR -QUEMADOR Alguno Algu noss aero aeropl plan anos os neces necesit itan an empuje adici icional en cie iert rta as fases de vuelo como despegue o par para alca alcanz nzar ar veloc elocid idad ades es por encima de la del sonido. Para esto se utiliza un sistema que qu e apr aprovech ovecha a el oxi xig geno eno no quemado en la combustión llamado postquemador.

 

SISTEMA DE POST POST-QUEMADOR -QUEMADOR El sistema de postquemado entrega combustible a los gases de escape del motor y lo quema en una una zona cerrada agregando mas energía los gases de escape. El sistema se complemente con un subsistema que varia el área de la sección de escape y la forma del ducto.

 

Sistema de post-quemador

 

SISTEMA DE POST POST-QUEMADOR -QUEMADOR El postquemador se compone básicamente:  Ducto





 Sistema de inyección de combustible  Ducto de combustión  Sección de área variable





 

SISTEMA DE POST POST-QUEMADOR -QUEMADOR

 

SISTEMA DE SUPRESIÓN DE RUIDO Las regulaciones exigen un nivel de ruido máximo para las aeronaves en operación en los aeropuertos (OACI anexo 16, FAR Part 36, JAR 36, RAV 36 ). El ruido es medido en   Effec Effectiv tive e Per erce ceiv ived ed Noise Noise deciBel  (EPNdB). Este toma en cuenta la oscilación y la presión del sonido (deciBel).

 

SISTEMA DE SUPRESIÓN DE RUIDO El ruido de los motores de reacción tiene diversas fuentes, toda to esta ca usad por dlos loesl d ivdas erssoes s tasscocaus mp oadas neas ntespor motor. Los gases de escape producen ruido mezclade rsebaja con frecuencia, el aire dey al la atm at mós ósfe ferra pro produce duce ru ruid ido o de alta frecuencia.

 

SISTEMA DE SUPRESIÓN DE RUIDO

El ruido del compresor y la turbina se genera por los cambios de presión producidos entre los alabes estatores y los rotores.

 

SISTEMA DE SUPRESIÓN DE RUIDO Los sist Los sistem emas as de supr supres esió iónn de ruido pueden disminuir el ruido causado por el chorro de aire por medio de la mezcla de aire atmosférico con los gases de escape.

 

CICLOS COMBINADOS (GAS-VAPOR)

 

PLANTAS ESTACIONACIONARIAS

 

SITUACIÓN DE LAS TURBINAS EN EL CONJUNTO DE MÁQUINAS Sus principales ventajas son su pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la de su operación. Esto hace que sean máquinas cuyo usoflexibilidad para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la propulsión propulsión de buques y aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto con superficies calientes ni con productos de combustión.

 

Comparadas con las turbinas de vapor, las turbinas de gas apenas tienen necesidades lo que facilita enormemente instalación. Además,desurefrigeración, baja inercia térmica les permite alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determi det erminad nadas as apl aplica icacio cione ness en las que se requie requiere re varia variacio ciones nes de carg car ga rápi rápida dass (r (reg egul ulac ació iónn de re red d o aba abast stec ecim imie ient nto o de pico picoss de demanda).

 

Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos d os ventajas adicionales: un mantenimiento sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada fiabilidad fiabilidad.. En efecto, la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración, la continuidad del proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos hace que la proba pr obabil bilida idad d de fal fallo lo dis dismin minuy uya. a. Una instal instalaci ación ón de gener generaci ación ón eléctr eléctrica ica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de disponibilidad superiores superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la inst instal alac ació iónn está está bien bien di dise seña ñada da,, bi bien en co cons nstr trui uida da,, bien bien op oper erad ada a y con con un adecuado nivel de mantenimiento.

 

No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento (3035%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos desarrollos ya alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores del 40% son muy normales). Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos: Compresor,, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo. Compresor Sistema de aporte de calor al fluido. Elemento expansor, expansor, o turbina propiamente dic dicha. ha.

 

APLICACIONES Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron para la realización de trabaj bajo como me mecá cáni nico co.. Poste ter riorm iorme ente nte sobre se trasla as lada dar al de cam camla posegunda de la aeronáutica elemento propulsor, todo aron partir guer gu errra mu mund ndia ial.l. Más Más ta tard rde e se util utiliz izar aron on como como el elem emen ento to moto motorr pa para ra la generación de energía eléctrica, aplicación para la que se han desarrollado modelos específicos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese mercado. La posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más energía eléctrica (en los denominados ciclos combinados gasvapor) han provocado provocado una auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años.

 

FLUJOS EN UNA TURBINA DE GASS GA El ciclo térmico que representa esta máquina es el ciclo Brayton. La máquina cicloa abierto, puesto renueva continuamente el fluido sigue que un pasa través de ella.que El se aire es aspirado de la atmó at mósf sfer era a y co comp mpri rimi mido do par para desp despué uéss pas pasar a la cám cámara ara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignici ign ición. ón. Los ga gases ses calien calientes tes,, produc producto to de la combus combustió tión, n, fluye fluyenn a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador alter nador..

 

. HISTORIA Y EVOLUCIÓN DE LA TURBINA DE GAS Hoy en día, el diseño de turbina de gas que se ha impuesto está basado en un compresor axial multietapa, una cámara de combustión interna y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseño de turbina predominante hoy en día se ha llegado después de una larga evolución desarrollada a lo largo del sigo XX, principalmente.

 

En 1687 Isaac Newton anuncia sus leyes del movimiento. Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre acción y reacción: “para  cada acción habrá una reacción de la misma fuerza e intensidad pero de sentido opuesto”. Un ejemplo puede verse en la figura 4 Cuando las fuerzas se equilibran, son iguales en todas las direcciones. Pero al pinchar el globo o soltar la boquilla ocurre una acción ac ción que desequilibra el sistema.

 

3ª LEY DE NEWTON. La primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la cámara de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansión multietapa. A pesar de lo genial del diseño, el poco éxito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como de la turbina, por las bajas relaciones de compresión y la baja temperatura máxima alcanzada en función de los materiales disponibles en la época.

 

La relación de compresión era sin duda uno de los retos a superar para el desa de sarr rrol ollo lo de las las turb turbin inas as,, pu pues es mi mien entr tras as no se cons consig igui uier eran an co comp mpre reso sore ress eficaces era imposible desarrollar turbinas con rendimientos que permitieran su desarrollo.

 

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 Has asta ta 193 937 7 tod odo os los de dessar arrrollo olloss de turb turbin inas as de gas tenían una finalidad industrial, y no conseguían competir con los motores alternativos a pistón, debido siempre a su bajo rendimiento máximo (20%). Pero sus características de bajo peso y pequeño volumen hicieron que un poco antes del del inic inicio io de la segund segunda a guerr guerra a mundial comen comenzara zara el desarrollo de turbinas para uso aeronáutico.

 

El de desa sarr rrol ollo lo de la turb turbin ina a de gas ha teni tenido do hi hist stór óric icam amen ente te,, pues pues,, tr tres es obstáculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo: desa rrollo: La relación de compresión c ompresión del compresor y su rendimiento. La resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cámara de combustión y en las primeras etapas de la turbina. En meno menorr me medi dida da,, la di difi ficu cult ltad ad pa parra co cont ntrrol olar ar todo todo el si sist stem ema a de forma orma manual.

 

En la década de los 70 se intensificó el uso de turbinas para generación de electricidad. Así, en 1974 se construyó la primera instalación de 50 MW. En España, la primera turbina de gas de gran tamaño (260 MW) se puso en marcha en el año 2002, arrancando la era de las centrales térmicas de ciclo combinado que ya había comenzado hacía tiempo en otros países.

 

CICLO COMBINADO GAS-VAPOR Un Ciclo Combinado es la infraestructura de generación de energía que mejor combina la eficiencia y el respeto medioambiental gracias al uso del gas natural como combustible. Consiste en un grupo Turbina de Gas Generador, una caldera de recuperación de calor y un grupo Turbina a Vapor Generador, formando un sistema que permite

producir electricidad.  

¿CÓMO FUNCIONA? El proceso de generación de energía eléctrica en una planta de Ciclo Combinado comienza con la aspiración de aire desde el exterior siendo conducido al compresor de la Turbina de Gas a través de un filtro. filtro.

El aire es comprimido y combinado con el combustible (gas natural) en una cámara donde se realiza la combustión. El resultado es un flujo de gases ases cali calien ente tess qu que e al expan xpandi dirs rse e hace hacenn gir girar la Tur urbi bina na de Ga Gass proporcionando trabajo. Un Generador acoplado a la Turbina de Gas transforma este trabajo en energía eléctrica. Los gases de escape que salen de la Turbina de Gas pasan a la caldera de recuperación de Calor (HRSG). En esta caldera se extrae la mayor part rte e del calor lor aún disp isponible ble en los gases de esc sca ape prod pr oduc ucie iend ndo o vapor apor de ag agua ua a pr pres esió iónn par para la tu turb rbin ina a de vap apor or..

Finalmente gases se devuelven a la atmósfera después de haber pasado por los la chimenea.  

El vapor que sale de la  Turbina   de Vapor, pasa a un condensador donde se transforma en agua. Este cond Este conden ensa sado dorr es refr refrig iger erad ado o mediante aire o agua, el aire circula por la superficie del condensador, lo que ocasiona la disipación del calor latente contenido en el vapor a la atmósfera. Posteriormente el agua es bombeada a alta presión hasta la Caldera de Recuperación para iniciar nuevamente el ciclo.

 

COMPONENTES El  equipamiento  principal  que  incluyen  las  plantas  de  ciclo  combinado  es el siguiente: Una o más Turbinas de Gas, que proporcionan 2/3 de la potencia total de la planta.

Una o más  Turbinas de Vapor, que proporcionan 1/3 de la potencia total de la planta. Una o más  Calderas de Recuperación de calor . Este equipo genera vapor de agua aprovechando la energía disponible en los gases de escape de la Turbina Turbina

de Gas, el cual se expansiona en la de Turbina de Vapor. En este tipo de instalaciones se dispone de una caldera Recuperación por cada Turbina de Gas.  

Estación medidora y reductora de la presión del gas natural.

microprocesadores res para la central. Sistema de control basado en microprocesado

Sistema Sist ema de refrigeración refrigeración cuyo fin último es condensar el vapor expansionado en la Turbi urbinna de Vap apor or de for orma ma qu que e el agu agua con condens densa ada pued pueda a ser ser alimentada de nuevo en la Caldera de Recuperación.

 

CENTRAL Y DIAGRAMA T-S

 

DIAGRAMA T-S La ev evol oluc ució iónn que que sigu sigue e el flui fluido do se mu mues estr tra a en el diagrama T-S de la siguiente figura y consta básicamente de las siguientes etapas: Una etapa de compresión, efectuada por una máquina térmi térmica ca de deno nomi mina nada da comp compre reso sorr, lo más más is isen entr tróp ópic ica a posible. Una etapa de aportación de calor a presión constante. Un Una a etapa etapa de ex expan pansión sión,, rea realiz lizada ada en una máq máquin uina a térmica denominada turbina, lo más isentrópica posible. Una etapa de cesión de calor a presión constante. Elementos constitutivos principales de las turbinas de gas. Representación gráfica gráfica del trabajo en:

a)  ciclo ideal isentrópico; b)  ciclo real;