Capitulo 08 Seccion Turbina

7/24/2019 Capitulo 08 Seccion Turbina

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CAPITULO VIII 1

INTRODUCCION

El cilindro de la turbina esta hecho de acero al carbono. Encierra la cmarade combustin y proporciona la caja (housing) de las 4 etapas de losdiafragmas estacionarios de la turbina, tambin denominados ensamblajes

de anillo de alabes.

Cada ensamblaje de anillo de alabes esta compuesto por segmentos depaletas y segmentos de anillos que estn montados en ranuras de anillosde aislamiento, que a su vez estn montadas en el anillo de los alabes. Losanillos de aislamiento, los segmentos de las paletas de la turbina y lossegmentos de los anillos estn retenidos y colocados en el anillo de lapaleta con tornillos y clavijas de torsin radial. Los segmentos de laspaletas de la turbina estn fundidos con shrouds internos y externosintegrales de una aleacin resistente a altas temperaturas.

Las paletas dirigen el flujo de alta velocidad de los gases calientes decombustin expandidos contra los alabes de la turbina, haciendo que elrotor de la turbina gire. Los segmentos de los anillos actan comorevestidores del paso de flujo de los alabes rotatorios. Unas pequeasseparaciones entre los segmentos permiten la expansin diferencial entresegmentos y un anillo de alabe durante los cambios de temperatura.

Seccin

Turbina


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CONJUNTO DE CILINDRO Y SOPORTE DE LA TURBINA

Para facilitar el ensamblaje, desmontaje, inspeccin y mantenimiento, elcilindro de la turbina esta hecho de dos mitades que se unen por la lneacentral horizontal, y forman la base y la cubierta. El cilindro, fabricado conuna lamina de acero al carbono, encierra el rea de combustin por elextremo anterior y las ruedas de alabes por el extremo posterior. Una varillade torsin ubicada en la cubierta y la base para cada rueda de alab evita

que las ruedas giren. La pieza est provista de orificios para las conexionesde aire de enfriamiento que permiten adems insertar termopares de discopara las segunda, tercera y cuarta etapas. La cubierta est equipada contubos que permiten la entrada de una sonda boroscpica por las aberturasde las ruedas de labes de las primera, segunda y tercera etapas. La basetiene orificios por donde se extraen el aire de purga y el aire de enfriamientodel rotor. La purga de aire es necesaria para las turbinas que quemancombustible lquido.


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La cmara de combustin tiene un desage en su parte inferior para drenarcualquier lquido que se acumule durante los perodos de parada. Cuandose arranca la turbina, el desage se abre; luego del encendido, la presindel casco de combustin aumenta hasta alcanzar un valor que hace que se

cierre el desage.

La seccin del cilindro que constituye la base incluye el soporte de laturbina de combustin posterior que se ubica cerca del extremo de escape.

El soporte lleva una calza de relleno, segn sea necesario para alinear laturbina, y va apernado a la plancha de asiento. El soporte rgido, ubicado enel extremo de la turbina donde se encuentra el compresor, fija estaposicin, y el soporte de mun permite la expansin trmica de la turbinasin causar desalineacin con el equipo de accionamiento. En cada lado delcilindro que constituye la base se encuentran juntas de cojinetes de munprovistas de brazos de soporte que van conectados a las juntas de cojineteque se encuentran ubicadas a cada extremo de una base de soporte. Unsoporte de torsin conecta la parte inferior del cilindro base con la base desoporte. Los brazos de soporte giran ligeramente hacia atrs debido a laexpansin trmica de la turbina. Los cojinetes de mun estn equipadoscon accesorios para grasa, pudiendo el aceite lubricante de la turbinacircular por los ductos que se encuentran en los brazos de soporte paraenfriar los cojinetes de mun superiores.

ENSAMBLAJE DIAFRAGMAS DE TURBINA

Se han instalado ruedas de alabes vanes para poder as contar con cuatroetapas de paletas que dirijan el flujo de gases de combustin calientes y


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expandidos que se produce a elevada velocidad hacia los alabes bladesde la turbina y hagan girar el rotor. Las paletas tambin permiten el paso delaire de enfriamiento hacia las regiones de la cavidad de sello intermedio, elcual contina luego hacia la base del alab rotativo.

Este aire de enfriamiento mantiene temperaturas aceptables en lasregiones de la cavidad del disco y pasa finalmente al flujo principal a travsde los correspondientes orificios. Las temperaturas de la cavidad del discoen las segunda, tercera y cuarta etapas se monitorean con termopares deresorte que se comprimen dentro de un receso ubicado en la parte posteriorde los sellos que se encuentran prximos al rotor de la turbina.

Estos sellos reflejan la temperatura del ambiente de la cavidad del discodebido a que la cara laberntica de los sellos posee una amplia superficiesobre la cual pasa el aire de enfriamiento de la cavidad del disco. A travsde los orificios internos el aire del casco del combustor se dirige primero aenfriar las paletas de la primera etapa. El aire de enfriamiento de lassegunda, tercera y cuarta etapas entra a la carcasa de la turbina por unasbridas conectoras.

Las ruedas de labes tienen orificios de dosificacin que regulan el flujocorrecto de aire de enfriamiento. Entre las ranuras de las ruedas de alabesse insertan segmentos de anillos aislantes para minimizar la transferenciatrmica (heat transfer) hacia las ruedas de labes. Esto permite que vare laexpansin trmica entre los componentes de la rueda. Cada etapa de laturbina est constituida por segmentos de paletas y segmentos de arosostenidos por anillos aislantes. Los segmentos de paleta son segmentosfundidos de los que forman parte integral los shrouds internas y externas.Los segmentos de aro sirven de camisa para la trayectoria del flujo de loslabes rotativos. Los anillos aislantes, segmentos de paleta y segmentos dearo se colocan y sostienen en las ruedas de labes con tornillos y varillasde torsin radiales.

En los shrouds internos de los segmentos de paleta se encuentra instaladauna caja de sellos para retener un sello radial segmentado que seencuentra en la superficie del rotor. Este sello radial y un sello de discocolocados en la rueda de labes separan las cmaras de enfriamiento de laseccin del cilindro de la turbina. El aire de enfriamiento presuriza la reginde sello intermedio de la cavidad del disco, lo cual evita que entre gas aelevada temperatura en esta regin. Las paletas de la primera y segundaetapas estn equipadas con orificios en los bordes de salida, los cualespermiten que el aire de enfriamiento de las paletas salga hacia la corrienteprincipal de flujo de gas.


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RESUMEN DEL SISTEMA DE AIRE DE ENFRIAMIENTO DE LA TURBINA

El sistema de enfriamiento de la turbina de combustin desempea dosfunciones bsicas. La primera funcin es proporcionar enfriamiento directoa los componentes expuestos a la temperatura del paso del gas que es

mayor que los limites de temperatura del material. La segunda funcin es elcontrol ambiental de la turbina. Se suministra aire, a presin y temperaturacorrectas, en los distintos puntos crticos para asegurarse de que elambiente de diseo se mantiene en toda la turbina. Se suministra un altoporcentaje del aire de enfriamiento para satisfacer los requerimientos defugas de sellos. Al tener un flujo positivo de aire de enfriamiento hacia elpaso del gas, los gases calientes se excluyen de la estructura del soportede la concha y las reas de los discos de los alabes de la turbina.

El aire para el enfriamiento del rotor y los alabes rotatorios se extrae de ladescarga del compresor axial en la concha del combustor. El aire de

descarga del compresor pasa a travs de un enfriador aire-a-agua y se filtrapara el enfriamiento del vstago (rotor). El enfriamiento directo se produceen los aserramientos de la raz de los alabes del vstago de la turbina enlas cuatro etapas. Efectivamente, este enfriamiento crea un limite trmicoentre los alabes expuestos a la temperatura del paso del gas y los discosde la turbina.


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Las paletas estacionarias de la turbina se enfran de varias maneras. Laspaletas de la primera etapa utilizan la descarga del compresor dirigidainternamente para pasar desde el shroud exterior al ncleo hueco de laspaletas y salir a travs de pasajes hacia el borde de salida.

Las paletas de la segunda etapa usan el aire de purga del compresor decatorceava etapa que fluye desde el mltiple hasta el cilindro de la turbina atravs de una tubera externa. El aire pasa desde el shroud exterior, atravs de las paletas y a travs del refuerzo interior, mientras algo de airesale a travs de pasajes hacia el borde de salida.

Las paletas de la tercera etapa utilizan el aire de purga del compresor de laonceava etapa, conducido por tuberas externas hasta la caja de la turbinay las paletas de la cuarta etapa usan el aire de purga del compresor de lasexta etapa conducido por tuberas externas. El aire pasa radialmente atravs de las paletas desde el shroud exterior al interior. El aire enfra laspaletas y los segmentos de paletas y tambin crea un flujo positivo a travsde los segmentos de anillos y los sellos inter-etapas. Un orificio en laslneas de aire de enfriamiento de la tercera y cuarta etapas limita el flujo.

ROTOR DE LA TURBINA

El vstago de la turbina esta constituido por un tubo de torsin y cuatrodiscos de turbina que estn unidos por pernos para formar una sola unidad.

La seccin del tubo de torsin que establece una conexin de torsin entrelos vstagos del compresor y la turbina y conduce el aire de enfriamiento alos discos de la turbina.

Los discos de la turbina estn hechos de piezas forjadas de acero aleado ytienen un acoplamiento curvo en las superficies que engranan con otrodisco. Este acoplamiento es un miembro de conexin con dientes en formade curva caractersticos espaciados circunferencialmente sobre lasuperficie. En un diente los miembros tienen forma de reloj de arena,mientras que los dientes del miembro con el que engranan tienen forma debarril.

Cuando engranan las partes, los dientes forman una conexin de disco adisco sencilla pero muy exacta, con suficiente elasticidad para seguir loscambios de temperatura de una etapa a otra.

Los alabes de la turbina, forjados de acero aleado altamente resistente alcalor, tienen races de entrada lateral en forma de cola de milano. Cualquieralabe se puede sacar y reemplazar sin alterar las otras coronas de paletas ysin levantar el rotor.


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Las races de los alabes y los bordes (rims) de los discos estn aislados delos gases calientes por medio de un sistema patentado de cartelas deentrada y salida. Las cartelas de entrada proporcionan una cmara de aireanular que acepta el aire enfriado y filtrado del rotor interior y lo dirigeaxialmente a la raz de los alabes y a las reas de ranuras de los discos

desde donde es posteriormente descargado a travs de orificios en lascartelas de escape de los alabes de la tercera y cuarta etapa. Los alabes dela primera y segunda etapa tienen una serie de orificios para descargar elaire de enfriamiento directamente en la corriente de gas.


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Tecnologas Avanzadas para el Desarrollo de las Turbinas de Gas

Uno de los principales avances en el aumento de potencia y eficiencia en lasturbinas de gas es el incremento de la temperatura de entrada a la turbinaTIT. La razn de esto es muy simple, la cada de entalpa entre las etapas

de la turbina es incrementada por este aumento de temperatura y por lo tantola eficiencia es tambin incrementada. La siguiente tabla muestra eldesarrollo de las turbinas de gas y el incremento de la TIT.

La eficiencia y potencia de salida tambin se ha incrementado en proporcinsimilar al incremento de la TIT tanto para el ciclo simple como para el ciclocombinado segn se aprecia en las tablas siguientes.


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Los alabes fijos y mviles vanes and blades experimentan la mas altatemperatura de los gases de combustin firing temperatura y estnexpuestas a las mas rigurosas condiciones trmicas. Mitsubishi hadesarrollado avanzados y sofisticados sistemas de enfriamiento paramantener la temperatura del metal dentro de los lmites metalrgicos.

La tecnologa de enfriamiento desarrollada incorpora procesos extensivos ysostenidos enfocados a extender la vida de los componentes de las partescalientes de la maquina. Cada uno de estos procesos es cuidadosamenteprobado para proveer confiabilidad y calidad a todas sus partes.


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Tecnologa de Materiales

Materiales patentados por Mitsubishi para soportar altas temperaturas sonaplicados en sus turbinas de gas, junto con TBC Termal Barrier Coatingrecubrimientos metlicos y cermicos para asegurar una operacin confiable

a estas temperaturas, as como nuevas tecnologas de sellos para minimizarlas fugas.

Una superaleacin en base nquel, MGA2400 fue desarrollada paraaplicaciones en los vanes de la turbina, Este presenta una excelenteresistencia a la fatiga trmica, la oxidacin, la corrosin y el fenmeno decreep. Muy importante es que puede ser reparado.

Otra superaleacin es la MGA1400, la cual se usa en los blades. Estematerial tiene superior creep rupture comparado con los materialesconvencionales, incluyendo el IN738 y el U-520. El MGA1400 es usada tantoen CC conventional casting como en DS diretionally solidified. La siguientetabla muestra las caractersticas de estos materiales.


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Recubrimientos TBC (Termal Barrier Coating)

El recubrimiento TBC es importante debido al efecto de aislamiento trmicoparticularmente a las altas temperaturas que deben soportar los materialesen las modernas turbinas de gas.


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Tecnologa de Sellos


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Tecnologa de Enfriamiento de los Alabes


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Tecnologa de Fundic in

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