Revista

R O B E RT S U A R E Z julio Volumen 1, nยบ 1

Turbinas de gas

robert

suarez

Volumen 1, nº 1

Fecha del boletín

Turbina de gas

Contenido:

Turbina de gas ¿Qué son?

Una turbina de gas, es una turbo máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas.

Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de gas son turbo máquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas de gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son di-

ferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase.

En resumen es una máquina diseñada para utilizar la energía aportada por los gases que salen de una cámara de combustión a alta presión y muy altas temperaturas, por lo que llevan mucha energía, dichos gases al chocar contra los alabes de la turbina de expansión

provocan su giro, este giro lo podemos aprovechar para mover un generador y producir electricidad o provocar un impulso utilizado para mover por ejemplo un avión.

Compresor, Cámara de combustión, Turbina de expansión, Carcasa.

Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamien-

to, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.

Normalmente se entiende que dichas partes cumplen funciones de mucho valor como el: Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo

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Partes fundamentales de la turbina

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Compresor, turbina 3 expansión, cámara combustión

Tipos de turbina 4 de gas, Aéreoderivadas

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Turbinas de gas industrial.

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Función y uso de 6 las turbinas de gas.

Motor turbofan de low bypass ratio HF-120 (GEHonda).

Puntos de interés especial: Ventajas de las turbinas de vapor.

En que ciclo son usadas las turbinas de gas

Partes fundamentales de la turbina Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:

Turbina de gas

Sistema de aporte de calor al fluido Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.

Antecedentes de uso de las turbinas de gas

Compresor Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.

Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaría para

este proceso, puede absorbe la misma cantioptarse por un diseño dad de aire. El trabajo que enfríe el aire en para comprimir ese aire etapas intermedias, es el mismo, tanto si favoreciendo su comtrabajamos a carga presión, aunque reduce máxima como si trabala eficiencia de la turbijamos a cargas más na por la entrada más bajas, y por lo tanto fría del aire en la cámaproducimos menos poCompresores axiales en turbira de combustión. El tencia. nas de gas control de la admisión Turbinas multieje: En de aire en el compresor este caso como la velopuede realizarse según cidad de giro del comdos posibilidades. presor es independiente del generador, Turbinas monoeje: El compresor siemla velocidad de rotación del compresor pre gira a la misma velocidad, que viene puede regularse para una admisión adedada por el generador, y por lo tanto cuada de aire para cada momento.

Turbina de expansión Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona

“Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración”

de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la

carcasa, y cuya misión es re direccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.

Cámara de combustión A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar.

Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubri-

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mientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no está diseñadas para soportar tan altas temperaturas.

Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases .

Cámara exterior: Se ocupa de recoger

el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.

Anular

Turbina de gas

Carcasa La carcasa protege y aísla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:

teriores de la turbina de gas.

Carcasa de la cámara de combuscascara tión: Tiene múltiples capas, para protección térmiCarcasa del compresor: Está ca, mecánica y distribución de compuesta por una única capa aire para las 3 fases en que se para soporte de los alabes fi- introduce el aire en la comjos y para conducción del aire bustión. de refrigeración a etapas pos-

Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección térmica frente al exterior.

Tipos de Turbinas de Gas Las turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electrici-

dad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables. Existen diferentes tipos de turbinas dependiendo de su origen, disposición de la cámara de combustión y ejes con los que cuente.

Dependiendo de su origen

las podemos

clasificar como:

“Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas”

Aeroderivadas: Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en

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otros tipos de turbinas de gas. Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal.

Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven acabo revisiones completas Turbina Aeroderivada en menores intervalos de tiempo

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Turbina de gas industriales: La evolución de su diseño se ha orientado tiempo las revisiones completas del equisiempre a la producción de electricidad, po. buscándose grandes potencias y largos Turbina de cámara de combustión tipo periodos de operación a máxima carga sin silo: En estos diseños la cámara aparece paradas ni arranques continuos. dispuesta sobre la parte superior de la Su potencia de diseño puede turbina. Los inyectollegar a los 500 MW, moviendo res se instalan atravegrandes cantidades de aire a sando el techo supebajas velocidades, que pueden rior de la cámara, y aprovecharse en posteriores los gases de escape aplicaciones de cogeneración. llegan a la turbina de Su mantenimiento debe realiexpansión por una zarse in si-tu debido a su gran abertura inferior Turbina de uso industrial tamaño y peso, buscándose conectada a ésta. Su para producir electricidad. alargar lo más posible en el diseño no está muy

Turbina de cámara de combustión tubo anular: Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión.

Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso.

Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación. Esta

tecnología es utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.

Turbina monoeje: El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

Turbina de cámara de combustión anular: En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tuboanulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

Turbina multieje: La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

Turbina Monoeje.

Turbina multieje

Cámara de combustión Anular Cámara de combustión Tuboanular.

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robert suarez Sus principales ventajas son su pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la 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.

e Principios d nto Funcionamie

Una turbina de gas es un motor térm ico rotativo de combustión interna, donde a partir de la ener gía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.

El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, dond e se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.

Las pérdidas de energía se desprend en en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalme nte no son superiores al 3% de la energía aportada.

ciclo combinado es una central eléctrica en la que la energía térmica del combustible es transformada en electricidad mediante dos ciclos termodinámicos: el correspondiente a una turbina de gas, generalmente gas natural, mediante combustión (ciclo Brayton) y el convencional de agua/turbina de vapor (ciclo de Rankine).

Antecedentes de uso de las turbinas de gas en diversas aéreas Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para 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 gas-vapor) han provocado una auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años.

función