Turbinas de gas: Una introducción descriptiva.
Santiago Ferrer Mur Francisco Soler Preciado
Índice: INTRODUCCIÓN ..................................................................... ............................................................................................................................ ....................................................... 4 ¿Qué es una turbina de gas? .................................................................................. ..................................................................................................... ................... 4 Funcionamiento de una turbina de gas: ................................................................................... 4 Funcionamiento de las turbinas de gas g as según su aplicación: ............................................... 4 LA COMPRESIÓN ........................................................ ........................................................................................................................... ................................................................... 5 ¿Qué es un compresor? ............................................................................................................ 5 Compresores centrífugos: ......................................................................................................... ......................................................................................................... 5 ·
El dispositivo de admisión: ........................................................... ............................................................................................ ................................. 5
·
El rotor o impulsor: ........................................................... ....................................................................................................... ............................................ 6
·
El difusor:.................................................... difusor:....................................................................................................................... ................................................................... 7
·
El colector: ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 7
Compresores axiales: ......................................................... ................................................................................................................ ....................................................... 8 Funcionamiento: ............................................................ ................................................................................................................... ....................................................... 8 Características constructivas: ............................................................................. ................................................................................................ ................... 9 LA COMBUSTIÓN: .................................................................. ....................................................................................................................... ..................................................... 10 ¿Qué es una cámara de combustión? ............................................................................... ..................................................................................... ...... 10 Características de la combustión: ........................................................................................... 10 Mecánica de la combustión: ................................................................................................... ................................................................................................... 11 Combustibles empleados en turbinas de gas: ........................................................................ 11 Requisitos que deben reunir las cámaras de combustión: ..................................................... ..................................................... 12 Tipos de cámara de combustión: ...................................................................................... ............................................................................................ ...... 12 ·
Tubular: .................................................................. ....................................................................................................................... ..................................................... 12
·
Anular: ........................................................ ......................................................................................................................... ................................................................. 12
·
Tuboanular: ............................................................ ................................................................................................................. ..................................................... 13
POTENCIA:................................................................... POTENCIA:................................................................................................................................... ................................................................ 13 ¿Qué es la turbina? ................................................................................................................. 13 Características de funcionamiento: ........................................................................................ 13 ·
El arranque: ............................................................ ................................................................................................................. ..................................................... 14
·
Influencia de algunos factores ambientales: .............................................................. 14
Características constructivas:...................................................................... .................................................................................................. ............................ 15 ·
Disposición mecánica: ..................................................................... ................................................................................................. ............................ 15
·
Refrigeración: ......................................................... .............................................................................................................. ..................................................... 16
·
Materiales empleados:................................................................................................ 16
·
Lubricación: ................................................................................................................. 16
EFICIENCIA Y COGENERACIÓN:................................................................................................... 16 ·
Ciclo regenerativo: .......................................................................................................... 17
·
Ciclo combinado: ............................................................................................................. 17
·
Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine): ........................................................................ 17
·
Ciclo STIG con turbina de vapor: ..................................................................................... 17
·
Ciclo Cheng: ..................................................................................................................... 17
·
Cogeneración: ................................................................................................................. 17
SISTEMAS CLÁSICOS: .................................................................................................................. 18 ·
Brayton simple: ............................................................................................................... 18
·
Brayton con refrigeración intermedia:............................................................................ 18
·
Brayton con recalentamiento intermedio: ..................................................................... 19
·
Brayton regenerativo: ..................................................................................................... 19
AMPLIACIÓN ............................................................................................................................... 20 Problemas de operación en compresores: ............................................................................. 20 ·
Inestabilidad: ............................................................................................................... 20
·
Bloqueo rotativo: ........................................................................................................ 21
·
Bombeo: ...................................................................................................................... 21
Fallos comunes en compresores: ............................................................................................ 21 ·
Filtros obstruidos: ....................................................................................................... 21
·
Ensuciamiento de los álabes: ...................................................................................... 21
·
FOD: ............................................................................................................................. 22
·
Corrosión: .................................................................................................................... 22
·
Limpieza del compresor: ............................................................................................. 22
Fallos comunes en cámaras de combustión: .......................................................................... 23 ·
Grietas: ........................................................................................................................ 23
·
Zonas quemadas y deformadas: ................................................................................. 23
·
Problemas en las piezas de transición: ....................................................................... 24
·
Combustión desigual: .................................................................................................. 24
·
Variación del poder calorífico del combustible:.......................................................... 24
·
Aumento de las emisiones de NOx: ............................................................................ 24
Refrigeración de álabes en turbinas de gas: ........................................................................... 25 ·
Turbinas refrigeradas por aire:.................................................................................... 25
·
Turbinas refrigeradas por agua: .................................................................................. 25
·
Turbinas refrigeradas por vapor: ................................................................................ 26
Sistemas de lubricación en turbinas de gas: ........................................................................... 26 ·
Depósito de almacenamiento: .................................................................................... 26
·
Bomba de circulación: ................................................................................................. 26
·
Filtros:.......................................................................................................................... 26
·
Reguladores de presión de aceite: .............................................................................. 27
·
Enfriadores: ................................................................................................................. 27
BIBLIOGRAFÍA: ............................................................................................................................ 28
INTRODUCCIÓN ¿Qué es una turbina de gas? Es un motor térmico rotativo caracterizado por una elevada relación potencia/peso y una elevada velocidad de giro. Las turbinas pueden ser empleadas para accionamiento mecánico de un eje o para impulsión a reacción en una aeronave.
Funcionamiento de una turbina de gas: Las turbinas de gas emplean aire comprimido para quemar un combustible y, gracias a la entalpía de la combustión, accionar una turbina. Para ello se introduce el aire a presión, previamente comprimido en el compresor, hacia las cámaras de combustión. Aquí se inyecta el combustible produciéndose su ignición en combinación con el aire, pasando a los álabes de la turbina y accionando su giro. Debido a que se requiere una gran cantidad de energía para realizar la compresión del aire, en la turbina distinguimos dos partes. La parte cuya potencia se emplea para accionar el compresor y la parte que, con la energía restante, accionará el dispositivo que fuere. Funcionamiento de las turbinas de gas según su aplicación: Una turbina de aviación puede ser tanto de impulsión a reacción como de accionamiento mecánico: ·
·
Impulsión a reacción: en este tipo de turbinas se expansionan, aprovechando su entalpía de expansión, los gases de escape en una tobera. La tobera aumenta la velocidad de las partículas creando un empuje por reacción. En este punto, la turbina únicamente acciona el compresor. Accionamiento mecánico: éstas se emplean para accionar una hélice, ya sea de avión o helicóptero. Para esta aplicación se requiere que la turbina, amén de accionar el compresor, accione el propulsor.
Las turbinas marinas e industriales son generalmente, aunque existen otros usos, de accionamiento mecánico, empleándose para accionar un propulsor o un alternador. En estas se pueden distinguir las derivadas de turbinas de vapor y las derivadas de la aviación. En las primeras, basadas en la experiencia con turbinas de vapor, no supone el peso una limitación teniendo, los materiales, mayores grosores y, las turbinas, menor potencia específica, menor velocidad de rotación y mayor flujo de aire. Las segundas presentan una potencia específica mucho mayor, con relaciones de compresión muy elevadas. Requieren una menor inversión inicial aunque combustibles de alta calidad. Estas últimas presentan potencias máximas inferiores a las primeras.
LA COMPRESIÓN ¿Qué es un compresor? Un compresor de una turbina de gas es de tipo rotativo, comprimiendo el aire mediante su paso forzado entre álabes. La mecánica de la compresión en estas máquinas consiste, muy a grandes trazos, en la conversión de energía cinética de los gases en presión. Los compresores empleados en turbinas de gas se dividen en dos grupos, a saber, centrífugos y axiales.
Compresores centrífugos: Los compresores centrífugos son un tipo de compresor que efectúa la compresión del fluido por efecto de la fuerza centrífuga. El compresor centrífugo acelera un fluido mediante un rotor en el que la fuerza centrífuga se obtiene por el aumento de la velocidad periférica del fluido. El aumento de velocidad del fluido se traduce en un aumento de su energía cinética. La energía contenida en el fluido se transforma en energía de presión. Se introducen los elementos principales del compresor como sigue: ·
El dispositivo de admisión: el aire entra en el compresor a través de este elemento, que debe garantizar una entrada uniforme del aire en el rodete con las mínimas pérdidas, pudiendo ser, dicho dispositivo, axial o acodado. Las características de estos difieren en función de si es una máquina estática (turbina industrial) o móvil (turbina de aviación), más aún cuando estas se desplazan a velocidades transsónicas o supersónicas.
En la imagen se observa un conducto de admisión en un reactor supersónico.
·
El rotor o impulsor: El rotor del compresor centrífugo es una corona de álabes giratoria donde el fluido ingresa en dirección axial y lo abandona en dirección radial. Como se ha dicho antes el rotor es el encargado de acelerar el fluido y, normalmente, su diseño permite también transformar alrededor de la mitad de la energía cinética del fluido en energía de presión. Se pueden encontrar los siguientes tipos de rotor: o
o
o
Abierto: en éste, los álabes se fijan únicamente al cubo del mismo. Es el de menor rendimiento, teniendo poca resistencia y permitiendo velocidades periféricas pequeñas. Está cayendo en desuso.
Semi abierto: en éste, los álabes van fijados únicamente al disco. Es el más empleado en la actualidad. Presenta un buen rendimiento y es de construcción simple. Los hay de simple y doble aspiración.
Simple Doble Cerrado: en éste, los álabes encierran por competo el flujo redirigiéndolo. Aunque de difícil construcción, presenta un buen rendimiento y velocidades de uso moderadas. Los hay de simple y doble aspiración.
Simple
Doble
Otra característica determinante del rotor es el ángulo de salida de los álabes, lo cual determina la velocidad periférica que podrán alcanzar los gases. En la siguiente imagen se distinguen sucesivamente los álabes curvados hacia detrás, curvados hacia delante y rectos.
·
El difusor: Se encuentra rodeando al rotor, es la parte en la que el fluido cambia de dirección. Para ello utiliza unos álabes guía, tangentes a los álabes del rotor. También se emplean simples cajas de paredes paralelas. En el difusor el fluido acaba de frenarse aumentando su presión. El difusor reduce la alta velocidad que tiene el fluido de manera gradual, convirtiendo la energía cinética del mismo en energía de presión. El fluido comprimido abandona el difusor en dirección perpendicular al eje de rotación de la máquina.
·
El colector: El colector se encuentra en la salida del difusor. Es la zona del compresor en que el aire que ha aumentado su presión se envía a otra etapa de compresión o a la cámara de combustión. El conjunto compresor, difusor, colector se ensambla de la siguiente forma:
Compresores axiales: Este tipo de compresor rotativo, a diferencia del centrífugo, recibe un flujo de aire en dirección al eje de su rotor, axial. El gas abandona el compresor también en dirección axial. Los compresores axiales tienen múltiples etapas de compresión con bajas relaciones de compresión; de entre 1,1:1 hasta 1,4:1 pero un gran rendimiento. Otra característica es su reducida sección frontal, lo que lo hace más deseable a efectos de aerodinámica. Los compresores axiales predominan entre las máquinas de alta potencia, teniendo una estructura más compleja y costosa que las radiales. En la imagen se puede observar el rotor de un compresor axial. Funcionamiento: De manera similar al funcionamiento del compresor centrífugo el fluido se acelera merced a una corona de álabes móviles, el rotor. El aumento de presión se da en una serie de paletas fijas en las que se reduce la velocidad del fluido aumentando su presión. Si un gas fluye en sentido paralelo a un perfil aerodinámico, en este caso los álabes, el resultado es un flujo de aire que se divide en el borde de ataque y se vuelve a unir en el borde de salida. En el caso en que el perfil esté bien diseñado habrá pocas turbulencias. En este caso no se producirá el efecto de la cara de succión y el efecto de la cara de presión.
En el caso en que el flujo de aire incida sobre el borde de at aque con un ángulo α, ángulo de ataque, el flujo será diferente. En este caso el patrón aerodinámico del perfil cambiará y se producirá una desviación del flujo de aire. La desviación del flujo se produce si el perfil está fijo y ejerce una fuerza sobre el flujo de aire. Debido a que la fuerza se puede calcular como P·S, un cambio en la fuerza del flujo de aire conlleva a un cambio de presión. Conociendo la ecuación de Bernoulli por la que:
Si se produce un aumento de la presión de un fluido en movimiento éste reducirá su velocidad instantánea y viceversa.
A diferencia de las turbinas en los compresores la sección transversal de los álabes se reduce a medida que el flujo de aire los circula. A la salida de cada corona de álabes móviles el aire entra en otro escalonamiento en el que en los álabes fijos hacen que la presión del gas aumente y caiga su velocidad. A medida que el fluido es comprimido aumenta su densidad por lo que para poder mantener una velocidad de componente axial constante, se reduce la altura del álabe, manteniendo constante el espacio entre la paleta y el estator. Al entrar en el rotor, el gas se acelera hasta su valor inicial pero mantiene su presión. Cuando sale a alta velocidad de los álabes del rotor, los álabes del estator hacen que incremente de nuevo su presión. El ciclo se repite tantas veces como número de escalonamientos tenga el compresor. Características constructivas: Para suplir las relaciones de compresión menores de este compresor con respecto a los centrífugos, se disponen múltiples etapas de compresión, de ahí que encontremos estos compresores siempre con multitud de coronas. La relación de compresión total se obtiene de multiplicar las relaciones de compresión de cada etapa, por lo que, si todas tuvieran la misma relación de compresión, el total sería la relación de compresión inicial elevada a la potencia n etapas. Las RC de estos compresores pueden llegar a 1:30, siendo lo habitual encontrarlas de 1:17 a 1:20. En los turbocompresores axiales siempre encontramos la mecánica de compresión por coronas de paletas, tanto en las móviles como en las directrices. El esquema de esta configuración puede verse en la imagen siguiente.
En estos compresores multietapa, la sección transversal va disminuyendo en la dirección del flujo a fin de conservar la velocidad axial a medida el fluido se comprime. Ello da a estos elementos su característica forma troncocónica.
LA COMBUSTIÓN: ¿Qué es una cámara de combustión? Una cámara de combustión es un receptáculo donde se introduce el aire a alta presión proveniente del compresor, para mezclarse con el combustible y arder en el interior de ésta. Este elemento debe reunir las características constructivas y de diseño necesarias a fín de realizar esta operación de forma óptima y segura. Las cámaras de combustión en turbinas de gas constan de: · ·
Un armazón esterior que contiene las presiones de los gases. Un armazón interior, donde van alojados los quemadores, que resiste las temperaturas elevadas, sustentado de forma que permita dilataciones térmicas libres.
Características de la combustión: La combustión debe realizarse por completo en el interior de la cámara de combustión, de forma que a la turbina solo pasen gases calientes y no actue la llama sobre los álabes, manteniendo los límites de deformación plástica de estos úlimos dentro de límites aceptables. Los combustibles deben estar libres de partículas e impurezas sólidas a fín de evitar erosiones en los álabes de la turbina. En este sentido tambien juegan un papel importante las cenizas que se puedan derivar de la combustión. De otro lado, el contenido en azufre del combustible resulta contraproducente en cuanto a que, para mantener los requisitos operativos en niveles seguros para la máquina, permite un menor nivel de recuperacion del calor de los gases de escape, debido a la corrosion que éstos imprimen sobre los intercambiadores. El campo de tempreaturas a la salida de la cámara debe ser homogéneo, de forma que se distribuya uniformemente por los álbes sin causa tensiones térmicas diferenciadas.
Mecánica de la combustión: Para que la combustión se de en el interior de la cámara de combustión, la velocidad de los gases en su paso por la cámara no debe exceder a la de propagación de la llama, rondando esta velocidad de influjo los 30-60m/s. De forma que la geometría de la cámara y las condiciones de alimentación se estudian también a estos efectos. La relación estequiométrica de combustión para los combustibles líquidos empleados normalmente a estos particulares ronda un valor de 14,9; es decir, que para la combustión de 1kg de combustible se requieren 14,9kg de aire. De cualquier manera, las turbinas de gas funcionan con un alto exceso de aire a fin de que la temepratura de los productos de la combustión no sea excesiva al incidir sobre los álabes de la turbina. Teniendo que, si la relación combustible-aire estequiométrica era de 15/1, la relación cumbustible aire total es, para las condiciones de diseño, de 60/1, como valor orientativo. Este exceso viene limitado por la anteriormente comentada velocidad de propagación de la llama y, para que la combustión se realice correctamente en este entorno, se emplea un sistema de inyección de combustible por fases que se describe a continuación: ·
·
·
Fase primaria: el aire primario, que correspone a un 15-20% del total, se introduce alrededor del chorro de combustible, creando una mezcla rica a fin de obtener una temperatura elevada para conseguir una combustión rápida. Fase secundaria: el aire secundario, que corresponde a aproximadamente un 30% del total, se introduce a través de unos orificios del tubo de llama, completando la combustión. Fase terciaria: el aire terciario, 50-55% del total, se mezcla con los productos de combustión en la zona de dilución, a fín de reducir su temperatura previa a la entrada en la turbina.
Combustibles empleados en turbinas de gas: Pueden usar tanto combustibles gaseosos, a saber; gas natural o propano, o combustibles líquidos, como gasóleo, gasolinas y fuelóleo de alta calidad. Los combustibles líquidos presentan, frente a los gaseosos, mayor complegidad de filtrado, requerimientos superiores en el sistema de atomizado por altas presiones y unas características de combustión y rendimientos peores.
Requisitos que deben reunir las cámaras de combustión: · · ·
·
·
Pérdidas de carga: deben ser mínimas debido a que afectan a consumo y potencia específicos. Pérdidas térmicas: se producen a través de las paredes y por combustiones incompletas. Deben ser mínimas. Formación de depósitos: debe evitarse la formación de depósitos por acumulación de partículas sólidas, pués, arrastradas en el torrente de gases, reducen la vida util de los álabes de la turbina, bloquean y distorsionan el flujo y producen sobrecalentamientos en la cámara. Emisión de humos: las características de la combustión deben ser controladas, tanto para cumplir requisitos sobre contaminantes como para reducir el ensuciamiento de intercambiadores en caso de ciclos regenerativos. Encendido: debe existir cierta facilidad para realizar el encendido en condiciones de velocidad y presión no nominales.
Tipos de cámara de combustión: Existen tres tipos de cámara de combustión para turbinas de gas, la tubular, la tuboanular y la anular. Aunque el funcionamiento es comun en todas, su forma varía en función de su aplicación. ·
Tubular: Las cámaras de combustión tubulares 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. El flujo de comburente puede darse de manera directa o de manera inversa. En el caso del flujo inverso el aire comprimido entra a la cámara de combustión a través de un anillo que es concéntrico y exterior al cuerpo del quemador. Se conoce como flujo inverso debido a que el aire accede en dirección opuesta a la llama. El aire que circula entre la camisa y el quemador tiene varios puntos de entrada formando las distintas zonas de llama. Las cámaras de combustión de flujo inverso presentan la ventaja de ser más cortas que las de flujo directo y se utilizan en aplicaciones de gran tamaño.
·
Anular: Estas cámaras de combustión suelen ser de flujo directo y son utilizadas principalmente en turbinas de aviación. El diámetro de estas cámaras de combustión es igual al del envolvente del compresor lo que la convierte en un cuerpo más aerodinámico.
El flujo de aire entra a altas velocidades en estas cámaras y debe mezclarse correctamente con el combustible. El correcto funcionamiento de los inyectores influye mucho en el funcionamiento de la cámara de combustión en estos casos, debido a las altas velocidades y al poco tiempo del que se dispone para formar la mezcla. Estas cámaras de combustión requieren menos aire de refrigeración que las tuboanulares por lo que son indicadas para altas temperaturas de trabajo. Como inconveniente presentan el costoso mantenimiento y la dificultad de crear una distribución uniforme de temperatura. ·
Tuboanular: 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.
POTENCIA: ¿Qué es la turbina? Es donde ocurre la expansión de los gases de la combustión, convirtiendo su energía de presión y entalpía en potencia mecánica, de ahí el título, en forma de rotación del eje. La potencia desarrollada en la turbina alimenta a todo el conjunto, quedando excedente mecánico o entálpico para otras aplicaciones.
Características de funcionamiento: La turbina de gas es una turbo máquina térmica que, a pesar de tener un rendimiento muy inferior a los motores alternativos e, incluso, a las turbinas de gas, resulta competitiva por la anteriormente comentada relación potencia/peso, amén de tener un equilibrado muy sencillo por no tratarse de una máquina alternativa. Las potencias que manejan estos equipos oscilan entre los 30kW y los 500MW. Presentan las siguientes características de funcionamiento:
· · · · · · ·
·
Gran velocidad de rotación (entre 3.000 y 30.000 rpm) Presentan un par regular sin necesidad de volante de inercia. Presentan buena adaptación a grandes volúmenes de fluido. Obtienen grandes potencias en volúmenes y pesos reducidos. Tiene una rápida puesta en servicio, de 10 a 20 min hasta funcionamiento nominal en grandes potencias. Fácil manejo y reducidos gastos de mantenimiento. Consumo de agua muy reducido, requiriéndose únicamente para refrigeración de cojinetes El arranque: El arranque de una turbina de gas requiere que se den las condiciones de velocidad, presión y temperatura mínimas. Este proceso se lleva a cabo mediante un motor arrancador, que acciona el eje del compresor, y con él la turbina, hasta una velocidad del 30% de la velocidad nominal. En la siguiente gráfica se describe este proceso, que consta de una serie de fases:
Así como para el arranque en un motor alternativo únicamente se debe vencer la resistencia en la compresión, en una turbina de gas, además, se debe alcanzar gran velocidad durante cierto tiempo. El arranque se acciona en el punto 0 de la gráfica, pasando por a, punto en el cual se inicia el encendido en la cámara de combustión. A continuación, en b, se corta l alimentación del motor de arranque y la turbina ya es capaz de auto sustentarse aunque sin generar energía útil. En el punto c se alcanza la velocidad nominal, comenzando la generación de energía en d , lo cual se aprecia en la curva N(potencia útil) que asciende hasta e, punto a partir del cual se alcanza la plena carga. ·
Influencia de algunos factores ambientales: La temperatura exterior, o temperatura de entrada al compresor, varía el rendimiento del conjunto de forma que, en invierno, es mayor que en verano. Ello es debido a que una mayor temperatura de entrada al compresor genera una mayor potencia absorbida en este componente. Esta mejora del rendimiento es mayor de la que se obtendría con un incremento igual a la entrada de la turbina.
De otro lado, el incremento de la altitud disminuye la presión atmosférica y la densidad del aire, reduciendo la potencia del equipo. De cualquier manera, el consumo de combustible crece en un proporción muy inferior, por lo que el rendimiento se ve poco afectado.
Características constructivas: ·
Disposición mecánica: En primer lugar cabe mencionar las características de la instalación para generación eléctrica. Cuando una turbina está accionando un alternador, esta debe mantener un régimen constante, independientemente de las condiciones de carga, a fin de mantener constante la frecuencia de red. A partir de aquí se pueden distinguir las turbinas por su accionamiento interno, de simple o doble eje.
Las turbinas de simple eje presentan el siguiente problema en caso de regulación a velocidad constante: Si se incrementa el gasto másico: turbina y compresor pasan a distintos puntos o de funcionamiento, creándose una caída de presión entre ambos, lo que modifica el rendimiento de la máquina. Por otra parte, las complicaciones técnicas derivadas de esta posibilidad hacen que no se emplee en turbinas de simple eje. Si se reduce el dosado: al disminuir el dosado, cae la temperatura de entrada a o la turbina, la relación de compresión y el rendimiento. Estos problemas se solventan con la instalación de un sistema de doble eje, mediante el cual, se accionan dos secciones de turbina. La primera dependiente del compresor, es la encargada de accionarlo. La segunda, independiente de la velocidad de giro del compresor es la que acciona el eje del alternador. De esta forma se pueden regular los parámetros de compresión sin influir en la velocidad de la turbina que acciona el alternador, dando una disposición idónea para la regulación a velocidad constante.
·
·
·
Refrigeración: el funcionamiento de las turbinas de gas presenta un límite claro en las temperaturas y tensiones térmicas que pueden soportar los materiales, en especial los que conforman los álabes. Para ello, se disponen de sistemas de refrigeración, que amén de la introducción estratificada de aire comentada en el tema combustión, puede ser de refrigeración por aire, por agua y por vapor. Sobre estos particulares se hace una ampliación posteriormente. Materiales empleados: debido a las temperaturas que se alcanzan en la turbina (de 850 a 1000ºC) no siempre son válidos los mismos materiales que se emplean en los álabes de las turbinas de vapor. Presentan aquí un mejor comportamiento los materiales y recubrimientos refractarios. Lubricación: El sistema de lubricación es necesario para prevenir el desgaste en las zonas de fricción, en los cojinetes que soportan al/los eje/s. De cualquier manera, el mismo sistema de lubricación puede también emplearse para refrigeración. Sobre este particular se hace una ampliación posteriormente.
EFICIENCIA Y COGENERACIÓN: Las turbinas de gas tienen una considerable pérdida de energía por el escape, rondando, la temperatura de los gases a la salida, los 550º. Esto hace que sean altamente aprovechables. Por un lado se pueden aprovechar estos gases para su introducción en otra turbina de gas, previo paso por una segunda cámara de combustión, en lo que se denomina postcombustión. La postcombustión aumenta la potencia y no el rendimiento del ciclo, puesto que el consumo de combustible aumenta.
Por otro lado se puede recoger este excedente térmico y hacerlo atravesar una superficie de intercambio térmico. Este elemento se denomina intercambiador, y se puede emplear bien para aumentar directamente la eficiencia del sistema, bien para aplicaciones de ciclos combinados o bien para cogeneración.
A continuación se hace una breve introducción a los sistemas de aprovechamiento más destacados: ·
·
·
·
·
·
Ciclo regenerativo: un sistema simple regenerativo consiste en intercambiar la temperatura de los gases de escape con la temperatura del aire de admisión previo a la entrada en la turbina. Esto aumenta la temperatura de entrada a la turbina, por lo que reduce el gasto de combustible, incrementando de forma directa el rendimiento de la instalación. Ciclo combinado: consiste en que el intercambiador actúe como una caldera donde se genera vapor de agua para el accionamiento de una turbina de vapor. Este ciclo puede incluir una postcombustión en la caldera para aumentar la temperatura. Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine): en este sistema se emplea el vapor generado en el intercambiador para su introducción en la turbina de gas. Esto incrementa el flujo másico de la turbina de gas, aumentando su potencia. Como inconveniente presenta que tienen un alto consumo de vapor que no puede ser reciclado. Ciclo STIG con turbina de vapor: en este sistema se produce vapor a dos presiones. La fase de alta presión se expansiona en una turbina de vapor hasta equipararse a la fase de baja presión. En este punto ambas fases se envían a la turbina de gas, teniendo el caso anteriormente comentado. Una vez más aquí no se recicla el vapor empleado. Ciclo Cheng: En este ciclo se pretende simplificar el volumen y costes que tiene una instalación completa de vapor, llevando el vapor generado en el intercambiador directamente a la cámara de combustión de la turbina de gas, mezclándose con el flujo de aire. De esta forma se consigue que los gases que atraviesan la turbina puedan ser de temperatura mucho más elevada, unos 1450ºC, consiguiendo con ello un considerable aumento de la potencia. Cogeneración: El calor recogido en el intercambiador se emplea, bien para la producción de frío en una instalación de absorción, bien para la producción de calor y posterior distribución en un sistema de calefacción de distrito.
SISTEMAS CLÁSICOS: ·
Brayton simple: Es el sistema más elemental, el anteriormente comentado compresor, combustión, turbina, escape. Este sistema es el de menor rendimiento aunque también ocupa un volumen y tiene un peso muy inferior al resto, haciéndolo deseable en propulsión.
La variación que se produce en el diagrama representa la variación de las condiciones ideales (negro) respecto de las reales (azul). Esto es debido a las pérdidas en la compresión y expansión lo que las hace apartarse de la isoentropía, y las pérdidas por combustión incompleta y pérdidas de carga en la cámara de combustión, lo que hace apartar la línea 2-3 de la isopresión. ·
Brayton con refrigeración intermedia: una de las mejoras que se pueden introducir al ciclo simple es la refrigeración intermedia en el compresor. Puesto que la compresión ideal es a temperatura constante, se trata de acercarse a esta condición mediante la compresión en dos etapas intercalando un refrigerador.
Este diagrama supone que no existen pérdidas en los elementos de intercambio térmico. En este punto distinguimos el compresor de baja presión (1-2), el refrigerador (2-3) y el compresor de alta presión (3-4).
·
Brayton con recalentamiento intermedio: al igual que la compresión isotérmica es la ideal, la expansión isotérmica también lo es. La razón de intercalar recalentamientos intermedios, anteriormente denominados postcombustión, es precisamente la de acercarse a esta línea ideal. Debido al exceso de aire que proviene del compresor, queda suficiente oxigeno libre para realizar sucesivas combustiones en entornos cada vez más pobres de oxígeno.
Aquí también se distinguen turbina de alta presión (3-4), la postcombustión o recalentamiento (4-5) y la turbina de baja presión (5-6) con sus respectivas generaciones de entropía (4’ y 6’)
·
Brayton regenerativo: comentado anteriormente, resulta en el siguiente ciclo.
En este ciclo, la potencia desarrollada en la turbina crece con respecto a la absorbida en el compresor, todo ello sin un aporte extra de combustible.
AMPLIACIÓN Problemas de operación en compresores: Existe un límite por el cual el compresor dejará de operar en condiciones estables conocido como “surge” o inestabilidad. La inestabilidad se produce cuando la presión de admisión del compresor
es mayor que la de descarga. En esta situación el compresor será incapaz de impeler el flujo en la dirección deseada, resultando esto en una separación y una inversión del sentido del flujo.
·
Inestabilidad: Esta situación de inestabilidad debe ser evitada ya que puede traer consigo fallos y averías en el equipo. El equipo por tanto debe funcionar en condiciones de trabajo lejos de las condiciones de inestabilidad, dejando un margen de seguridad. El problema que se presenta es que la línea de operación más eficiente del compresor está muy cerca de la línea de inestabilidad. Determinar la amplitud de este margen de seguridad es tarea difícil porque debe tenerse un conocimiento preciso del comportamiento de la capa límite a diferentes cargas. A continuación se muestra el mapa de un compresor. Se observa como línea discontinua la línea de operación inestable. Las intersecciones a esta línea corresponden a las curvas velocidad de rotación constante.
Una caída en el caudal másico de aire, un aumento en la velocidad de rotación de éste o la combinación de ambas pueden causar la entrada en régimen de inestabilidad. Para lidiar con estas situaciones los compresores axiales disponen de estatores con álabes de posicionamiento variable, haciendo que varíe el ángulo de ataque en función de la carga. La inestabilidad del compresor puede detectarse debido a que aumentan las vibraciones y el ruido que produce la máquina. En el momento en que el flujo del compresor se invierta variará la temperatura de descarga del compresor y aparecerán fluctuaciones en el incremento de presión producido por la máquina. Además si la condición de operación inestable se mantiene pueden producirse variaciones en la posición axial del eje, dañando cojinetes de empuje e incluso haciendo que los álabes del rotor entren en contacto con los del estator.
·
Bloqueo rotativo: La situación de bloqueo rotativo se produce cuando el flujo de aire no se distribuye de manera uniforme a través de los álabes del compresor. En caso que exista algún problema para el paso por el huelgo entre álabes 3 el flujo se desviará al huelgo 2. Cuando esto sucede, un gran caudal de aire pasa por el huelgo 2 de manera que éste se bloquea, desbloqueándose el huelgo 3. Esta situación provoca que el bloqueo se propague por toda la corona de álabes. El funcionamiento en bloqueo rotativo puede provocar un sobrecalentamiento de la máquina o daños por fatiga inducidos por las vibraciones. Con el objetivo de combatir este problema los compresores axiales suelen incorporar válvulas de sangrado que evacúan el aire si el compresor entra en bloqueo rotativo.
·
Bombeo: El denominado bombeo de un compresor es una situación de operación en régimen de inestabilidad en cual en la cámara de combustión se produce una restricción al paso del aire. Si la restricción al paso producida en la cámara de combustión es superior a la presión que el compresor puede comunicar al fluido la presión de descarga caerá haciendo que el compresor entre en régimen inestable. En ciertas ocasiones incluso el combustible puede invertir su flujo. Cuando la presión en la cámara de combustión se estabiliza el fluido vuelve a ser capaz de entrar en ella bloqueándola de nuevo. Esta situación se produce varias veces por segundo. Como se ha dicho antes el funcionamiento en régimen de inestabilidad será motivo para detener la causa que ha producido el bombeo o para un paro de emergencia ya que puede traer consigo problemas graves para el equipo.
Fallos comunes en compresores: ·
Filtros obstruidos: Los filtros de aire de la turbina se utilizan para impedir que penetren partículas extrañas en la instalación. Los filtros obstruidos pueden ser la causa de una caída de potencia debido a que si penetran partículas extrañas aparecerán picaduras en los álabes. Puede detectarse debido a que los álabes de las primeras etapas del compresor estarán sucios.
·
Ensuciamiento de los álabes: El ensuciamiento de los álabes suele producirse a partir de la tercera etapa de compresión. En concreto encontrar suciedad en los álabes móviles del estator del compresor puede hacer que el compresor entre en régimen de inestabilidad. Esto es debido a que si el mecanismo de movimiento de los álabes funciona de manera incorrecta la variación del ángulo de entrada en función de la carga será ineficiente. Este efecto se nota en compresores de alta relación de compresión en los cuales el margen de operación en régimen de inestabilidad es menor.
·
FOD: El llamado FOD o “foreigin objet damage” es una condición por la que un objeto extraño daña, en este caso los álabes del compresor. El funcionamiento de la máquina con filtros obstruidos puede conllevar a este tipo de problemas, sobretodo, en las primeras etapas de compresión. Se detectará el FOD debido a que los álabes presentarán picaduras. El desgaste en un compresor es debido normalmente a la penetración de partículas extrañas. El polvo es el mayor causante de estos problemas en ambientes normales. En el caso de ambientes agresivos la arena, en zonas desérticas; la sal en la costa o en turbinas marinas o incluso la presencia de hidrocarburos en instalaciones de la industria petroquímica. En el caso que haya habido una pérdida de material debida al FOD es muy aconsejable comunicárselo al fabricante. Durante las inspecciones en boroscopio puede determinarse tanto la velocidad de degradación como la reducción de cuerda del perfil. Conviene que estos cambios sean medidos periódicamente.
·
Corrosión: En el caso de las turbinas marinas o que operen cerca de la costa admisión de partículas salinas puede conllevar, también, al pittig o corrosión por picadura. El pitting en el rotor o el estator priva al equipo de rigidez estructural.
·
Limpieza del compresor: Para evitar las los fallos comentados con anterioridad se aconseja realizar la limpieza del compresor, además de evitar la obstrucción de los filtros. Es evidente que es importante mantener el compresor limpio por que debido a los fallos comentados el compresor perderá relación de compresión, conllevando esto a un menor flujo de gases turbinados. El rendimiento del equipo por tanto bajará. Un aumento en la temperatura de los cojinetes y el incremento de vibraciones son también indicadores de suciedad. La limpieza del compresor permitirá volver a los parámetros de operación nominales. La limpieza puede llevarse a cabo por disolución y abrasión, aunque esta última no se suele aplicar debido a que provoca erosión. La limpieza por disolución varía en función del tipo de instalación, su localización geográfica y las frecuencias con las que se desee realizar. El lavado puede llevarse a cabo mediante disolventes o únicamente con agua. La limpieza con agua sin ningún detergente elimina las partículas indeseadas solubles en agua. En el caso en que se mezcle esta agua con algún detergente el proceso de limpieza será más largo pero probablemente más efectivo.
Fallos comunes en cámaras de combustión: Si se trata de una cámara de combustión tuboanular o tubular las inspecciones no necesariamente deben realizarse a través del boroscopio. Es relativamente fácil desmontar estos equipos y observar si existen anomalías en la camisa y los inyectores. En el caso de las cámaras de combustión anulares deberá realizarse la inspección con boroscopio. En cualquier caso, cualquier anomalía detectada en el funcionamiento de la máquina debe ser comunicada al fabricante; para que éste aplique las medidas necesarias. En la imagen se muestran variaciones producidas en la llama de la cámara de combustión de una turbina de aviación.
·
Grietas: Las grietas o “cracks”, si no son muy grandes, en la cámara de combustión no suelen suponer un problema en caso que estén aisladas. Si las grietas están muy juntas o son muy largas pueden conllevar grandes pérdidas de material, por lo que sí es aconsejable que sean reparadas. Las grietas de este tipo se suelen soldar de la manera que el fabricante recomiende ya que el tipo de metal de aportación variará enormemente según el caso.
·
Zonas quemadas y deformadas: Las zonas quemadas u oxidadas y deformadas deben analizarse con individualidad con tal de detectar la causa. Las reparaciones suelen llevarse a cabo sustituyendo la plancha de material o la pieza afectada. Las quemaduras en la cámara de combustión suelen ser causadas por: suciedad o funcionamiento defectuoso en los inyectores o por una mala alineación de la cámara de combustión. En el caso de las cámaras de combustión tuboanulares en que las zonas quemadas sean las similares la causa será, probablemente, una temperatura de llama o un caudal de combustible demasiado altos. También puede ser debido a la formación de los llamados “slugs” o tapones de gas o líquido debidos a la mala circulación del combustible, que sobre todo durante los periodos de arranque y sobrecarga impiden la correcta refrigeración de las zonas primarias de la llama.
·
Problemas en las piezas de transición: Debido a las altas temperaturas estas piezas pueden agrietarse e incluso llegar a romperse. Los cojinetes y el sello, por la misma razón, están muy sometidos a desgaste. Estas piezas deben reemplazarse por completo en caso que existan anomalías o si la reducción del espesor es considerable.
·
Combustión desigual: Suele ser debida a la obstrucción de los inyectores de combustible y/o los inyectores de vapor o agua. La combustión desigual también sucede en el caso que los deflectores de llama no funcionen adecuadamente. La combustión desigual puede llevar a quemaduras en zonas de la camisa y a los fallos de las piezas de transición entre la primera etapa de la expansión y la cámara de combustión. Además una combustión desigual generará una llama pulsante que vendrá acompañada de vibraciones, que pueden dañar las pieza de transición.
·
Variación del poder calorífico del combustible: Las turbinas de gas deben utilizar combustibles con un poder calorífico recomendado. La variación de combustible puede llevar a fallos como grietas y pequeñas pérdidas de material en la cámara de combustión, además de encontrarse quemaduras en los inyectores. La variación del tipo de combustible hará que cambie su densidad y su poder calorífico con lo que el índice de Wobbe variará. Un índice de Wobbe mayor al recomendado hará que la llama se cree más cerca de la camisa, mientras que un bajo índice de Wobbe dificultará el encendido de la llama y tendrá como resultado una llama pulsante.
·
Aumento de las emisiones de NOx: En el caso que aumente la temperatura de la llama por alguna de las razones mostradas anteriormente, se producirán mayores emisiones de NOx. La pérdida de material en la cámara de combustión o una deformación notable dificultará la creación de las distintas zonas de llama con lo que las prestaciones del equipo variarán. En la imagen se observa una cámara de combustión anular que ha sufrido quemaduras y pérdidas de material.
Refrigeración de álabes en turbinas de gas: Los avances en la eficiencia de las turbinas de gas se basan en gran medida en conseguir altas temperaturas en la cámara de combustión. Uno de los problemas que se presentan es conseguir una turbina capaz de trabajar a muy altas temperaturas. Para ello es de vital importancia que se refrigeren correctamente las partes más delicadas de la turbina, los álabes. El desarrollo de las técnicas de refrigeración y los recubrimientos de los materiales permiten conseguir potencias y rendimientos cada vez más altos. En el artículo presentado a continuación se muestran las técnicas de refrigeración de álabes de las turbinas de gas. ·
Turbinas refrigeradas por aire: Las turbinas refrigeradas por aire realizan un sangrado en el compresor para introducir el aire en el cuerpo de la turbina de manera eficiente. El método más antiguo de refrigeración por aire es el de la refrigeración por convección. Este sistema se basa en introducir el aire directamente desde el compresor para intercambiar calor en las primeras etapas de la turbina refrigerando los álabes, haciéndolo circular por su interior. El aire puede ser inyectado a alta velocidad, refrigeración por impacto, mejorando la refrigeración de la parte más sensible, el borde de ataque. .
Se pueden refrigerar, los álabes y la cámara de combustión, mediante una película fina de aire que mantenga fuera de contacto los gases calientes y el material del álabe. En estos casos el aire se inyecta en el interior del álabe y se hace circular por él. Debe asegurarse en estos casos una buena refrigeración del borde de ataque y de la base del álabe. El aire sale por unos pequeños orificios hacia el exterior. La mezcla de los dos flujos, el de gas y el de aire, conlleva inestabilidades en el flujo que hacen perder cierta eficiencia al equipo. Un tipo de refrigeración parecida es el de transpiración. Para ello se utilizan álabes recubiertos de materiales relativamente porosos por dentro de los cuales se hace circular el aire. Los sistemas de refriegración de álabes por aire pueden encontrarse combinados. ·
Turbinas refrigeradas por agua: Los álabes refrigerados por agua disponen de varios espacios en su interior por los que circula el agua. En este caso el material de los tubos debe tener un alto coeficiente de transferencia de calor por conducción. El agua que refrigera la paleta acaba convirtiéndose en vapor para posteriormente ser expandido en las siguientes etapas de la turbina junto al flujo inicial de gases.
·
Turbinas refrigeradas por vapor: Mediante un diseño similar al de la refrigeración por agua este método es muy utilizado en las centrales de ciclo combinado. Los tubos por los que se hace circular el vapor son también de materiales con altos coeficientes de transferencia de calor. El vapor se extrae de la turbina de vapor de alta presión y se hace circular a través de los álabes de la turbina de gas, para refrigerarlos. El uso de vapor presenta las ventajas que no se mezcla con el flujo, tienen mayor coeficiente de transferencia de calor por convección que el aire y permite introducir más comburente en las zonas de llama de la cámara de combustión; reduciendo la temperatura de la llama y por tanto la formación de NOx. El vapor, con este sistema, se recalienta y posteriormente se expansiona en la turbina de media presión. Cabe señalar que estos métodos de refrigeración requieren un tratamiento de aguas muy eficaz para no dañar la turbina de gas. Además esta relación entre la turbina de vapor y la turbina de gas puede reducir la fiabilidad de la planta de ciclo combinado.
Sistemas de lubricación en turbinas de gas: El sistema de lubricación de una turbina de gas tiene como principal función suministrar aceite a todos los rodamientos con tal de impedir su desgaste. Otra función destacable del sistema de lubricación es el de refrigerar las superficies calientes. El sistema de lubricación de la turbina está formado por los siguientes componentes ·
Depósito de almacenamiento: Este puede, o no, ser parte integral del conjunto de la turbina. El equipo debe estar protegido por cualquier fuga de aceite, así que en el depósito deberá haber una alarma de bajo nivel y una de muy bajo nivel con tal de parar el equipo en caso que el nivel de aceite del depósito sea bajo.
·
Bomba de circulación: Es el elemento más importante del sistema de aceite, en caso de fallo fácilmente se averiarán los cojinetes. Para evitar que la bomba de circulación falle pueden instalarse dos bombas dispuestas en paralelo o montar una bomba accionada por el propio eje de la turbina. En caso que la bomba sea accionada por el eje se requiere un embrague y por supuesto ésta, no podrá ser inspeccionada, revisada, reparada o sustituida durante el funcionamiento del equipo. De todas formas; aún siendo accionada la bomba por el eje, o no, es muy aconsejable instalar dos bombas de circulación de aceite con tal de aumentar la fiabilidad del equipo. Debe tratar de evitarse que el aceite se contamine con aire, si esto sucede y si la bomba utilizada es de tipo centrífugo ésta se descebará dejando de desempeñar sus funciones.
·
Filtros: Los filtros de aceite son importantes para eliminar la carbonilla del aceite, producida por las altas temperaturas a las que se somete, así como otras partículas extrañas que puedan dañar el equipo. Los filtros están dispuestos en forma de cartucho y provistos de una válvula de bypass. De esta manera fácilmente el sistema puede hacer pasar el aceite de lubricación por los filtros más limpios. Mientras los filtros van acumulando partículas indeseables su presión de aceite a un lado y a otro incrementará. Para detectar que los filtros están obstruidos se utiliza un sistema medidor de presión diferencial de aceite que hace saltar una alarma.
·
Reguladores de presión de aceite: Aseguran que la presión de aceite es constante en todo el circuito haciendo posibles las tareas de mantenimiento preventivo en una bomba.
·
Enfriadores: Debido a que el aceite tiene una función refrigerante y que a ciertas temperaturas pierde propiedades, son necesarios los enfriadores de aceite. Dependiendo del calentamiento que vaya a sufrir el aceite en los cojinetes el sistema de enfriado se dimensiona de una manera u otra. Un aceite muy frío aumentará su viscosidad pudiendo acarrear problemas de circulación por lo que debe encontrarse un equilibrio. Los enfriadores suelen del tipo tubular, aumenta su capacidad de transferencia de calor si se les disponen aletas. El agente refrigerante puede ser aire, agua o agua glicolada; dependiendo de situación de la planta, será más conveniente una u otra. Los enfriadores de aceite refrigerados por aire son de convección forzada mediante ventiladores que pueden regular su caudal de aire ajustándose a las necesidades térmicas del aceite. Otra manera de regular la temperatura del aceite es empleando una válvula con control de temperatura de bypass de aceite. Los enfriadores de aceite refrigerados por una agente líquido como puede ser el agua o agua glicolada, utilizan el sistema de contraflujo para favorecer la transferencia térmica de ambos fluidos. El control de temperatura se hace mediante bypass de aceite. El aceite por tanto se envía desde las bombas hacia los filtros donde es depurado, luego pasa a los enfriadores y lubrica los cojinetes para acabar en el depósito de almacenamiento donde es aspirado de nuevo por la bomba.
BIBLIOGRAFÍA: T. GIAMPAOLO. "Gas Turbines handbook, principlies and practices" . 3ª ed. Lilburn GA.ISBN: 088173-5167 M .P. BOYCE. "Gas Turbine Engineering Handbook" . 2ª ed. ISBN: 0-88415-732-6 A. H. LEFEBVRE y D. R. BALLAL, “Gas Turbine Combustion” . 3ª ed. Boca Raton, FL ISBN: 13: 987-1-4200-8605-8 J.M.
SALA.
LIZARRAGA.
“Cogeneración
Aspectos
termodinámicos,
tecnológicos
y
económicos”. 3ed. Bilbao, 1999. ISBN:84-7585-571-7
P.FERNÁNDEZ DÍEZ, ed. Uniform Resource Locators [Santander]: “Turbinas de gas” 2000-2009.
(http://es.libros.redsauce.net/).
F.SOLER PRECIADO, ed. Uniform [Barcelona]: “Turbinas de gas” 2011
(http://www.atmosferis.com/).
Resource
Locators
S.FERRER MUR, ed. Uniform Resource Locators (http://www.atmosferis.com/). [Barcelona]: “Turbinas de gas” 2012
