Partes de una turbina de gasLas turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales: -Compresor -Cmara de combustin -Turbina de expansin -Carcasa

Adems cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricacin, recinto acstico, bancada, virador, etc.

Compresor:Su funcin consiste en comprimir el aire de admisin, hasta la presin indicada para cada turbina, para introducirla en la cmara de combustin. Su diseo es principalmente axial y necesita un gran nmero de etapas, alrededor de 20 para una razn de compresin de 1:30, comparada con la turbina de expansin. Su funcionamiento consiste en empujar el aires a travs de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presin es un proceso que consume mucha energa, llegando a significar hasta el 60% de la energa producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesara para este proceso, puede optarse por un diseo que enfre el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresin, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada ms fra del aire en la cmara de combustin.El control de la admisin de aire en el compresor puede realizarse segn dos posibilidades. -Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga mxima como si trabajamos a cargas ms bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas disean con geometra variable, dejando pasar ms o menos aire segn su posicin relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia. -Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotacin del compresor puede regularse para una admisin adecuada de aire para cada momento.

Turbina de expansin:Esta diseada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustin y convertir su energa cintica en energa mecnica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reaccin, y deben generar la suficiente energa para alimentar al compresor y la produccin de energa elctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseo aerodinmico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que estn unidos solidariamente. Adems de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misin es redireccionar el aire de salida de la cmara de combustin y de cada etapa en la direccin adecuada hasta la siguiente.Los alabes deben estar recubiertos por material cermico para soportar las altas temperaturas, adems, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeos orificios practicados a lo largo de toda su superficie.

Carcasa:La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudindose dividir en 3 secciones longitudinales: -Carcasa del compresor: Est compuesta por una nica capa para soporte de los alabes fijos y para conduccin del aire de refrigeracin a etapas posteriores de la turbina de gas. -Carcasa de la cmara de combustin: Tiene mltiples capas, para proteccin trmica, mecnica y distribucin de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustin. -Carcasa de la turbina de expansin: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujecin de los alabes fijos y otra externa para la distribucin del aire de refrigeracin por el interior de los alabes. Debe tambin de proveer proteccin trmica frente al exterior.

Otros componentes de la turbina de gas:

-Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisin que se introduce al compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una ltima con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologas para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.

-Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, segn sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifriccin llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar vibraciones.

-Sistema de lubricacin: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generacin elctrica, su misin es tanto el refrigerar como mantener una pelcula de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricacin suele contar con una bomba mecnica unida al eje de rotacin, otra elctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecnica por una turbina elctrica extra. Entre sus componentes principales estn el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.

-Recinto acstico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su funcin es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contraincendios y de ventilacin.

-Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentacin propia para que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.

-Virador: El sistema virador consiste en un motor elctrico o hidrulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansin trmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razn la turbina se detiene (avera del rotor, avera de la turbina, inspeccin interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estar girando varias horas con el sistema virador.

Tipos de turbinas de gasLas turbinas de gas son equipos capaces de transformar la energa qumica contenida en un combustible en energa mecnica, ya sea para su aprovechamiento energtico o como fuerza de impulso de aviones, automviles o barcos. En este artculo prestaremos atencin a su papel como productor comercial de elctricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneracin junto con turbinas de vapor, o en diseos hbridos con otras tecnologas renovables.

Pueden clasificarse segn el origen de su desarrollo, por el diseo de su cmara de combustin y por su nmero de ejes.

-Turbina de gas aeroderivadas: Provienen del diseo de turbinas de para fines aeronuticos, pero adaptadas a la produccin de energa elctrica en plantas industriales o como microturbinas. Sus principales caractersticas son su gran fiabilidad y su alta relacin potencia/peso, adems cuentan con una gran versatilidad de operacin y su arranque no es una operacin tan crtica como en 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 diseo facilita las operaciones de sustitucin y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven acabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

-Turbina de gas industriales: La evolucin de su diseo se ha orientado siempre a la produccin de electricidad, buscndose grandes potencias y largos periodos de operacin a mxima carga sin paradas ni arranques continuos.Su potencia de diseo puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneracin. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamao y peso, buscndose alargar lo mas posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

-Turbina de cmara de combustin tipo silo: En estos diseos la cmara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cmara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansin por una abertura inferior conectada a sta. Su diseo no esta muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

-Turbina de cmara de combustin anular: En este caso la cmara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al rededor del eje. Tiene un nico tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeracin de los gases de combustin y bajas perdidas de carga, aunque su distribucin de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cmaras tuboanulares.Este diseo se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas. -Turbina de cmara de combustin tuboanular: Una serie de tubos distribuidos al rededor del eje de forma uniforme conforman este diseo de cmara de combustin. Cada una posee un nico inyector y buja. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Adems si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transicin, que es la que recoge todos los gases de combustin para dirigirlos a la turbina de expansin, es una parte delicada de la instalacin.Esta tecnologa es utilizada en sus diseos por Mitshubishi y General Electric.

-Turbina monoeje: El compresor, turbina de expansin y generador giran de forma solidaria con un nico eje de rotacin. La velocidad de giro es en la inmensa mayora de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador elctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseo usual en las grandes turbinas comerciales de generacin elctrica.

-Turbina multieje: La turbina de expansin se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presin, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda seccin comparte eje con el generador, aprovechndose la energa transmitida en la generacin de electricidad. Esta tecnologa es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequea potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

Tipos de arranqueLos fabricantes de las turbinas los suelen dividir en tres grupos: Arranque fro, que es aquel que se produce cuando la turbina ha estado ms de 72 horas parada. Arranque templado, entre las 24 y 72 horas. Arranque caliente se produce en menos de 24 horas de que se haya producido la parada. Adicionalmente, existen dos tipos ms de arranques: Arranque superfro. Despus de una parada programada, sin virador. El virador es una mquina encargada de hacer girar el rotor a muy bajas revoluciones para que se enfre de forma homognea y con ello evitar que se deforme. En el arranque superfro el metal de la turbina est a temperatura ambiente, y posiblemente el rotor se encuentre ligeramente curvado, por lo que ser necesario que la turbina fire en modo virador entre 6 y 24 horas Rearranque inmediatamente despus de un disparo, se produce despus de un disparo porque algn sensor ha dado un aviso y se ha corregido rpidamente o ha sido una falsa alarma, o se estn haciendo prueba. Curiosamente, el nmero de arranques fallidos (arranques que no llegan a completarse) en rearranques es ms elevado que en el resto de los tipos de arranque. La diferencia fundamental est en la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de inicio del arranque. Debido a que la carcasa y el rotor se calientan a diferente ritmo por tener masas diferentes (la carcasa es ms pesada que el rotor), lo que obliga a una subida controlada en carga. el estrs trmico y la dilatacin diferencial entre la carcasa y el rotor marcan la velocidad de esa subida de potencia.

Las diferencias en tiempo son menos acusadas que en la turbinas de vapor, por ejemplo. Un arranque fro con subida de carga hasta la plena potencia puede completarse entre 30 y 45 minutos, mientras que para un arranque caliente pueden ser necesarios menos de 15.

Fases de un arranqueLas 5 fases en que puede dividirse el arranque de una turbina de gas son las siguientes:1) Funcionamiento en virador.Para asegurar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotacin en caso de parada prolongada es necesario que la turbina gire en virador durante unas horas, evitando as deformaciones producidas al enfriarse de forma no homognea. Si tras la parada ha estado funcionando en virador, est fase ya est realizada.2) Preparacin para el arranque.Debe haber presin de gas, se debe ir metiendo gas poco a poco.El sistema de alta tensin debe estar operativo, ya que nos alimentara al generador que en este caso actuara de motor para arrancar la turbina.El sistema de refrigeracin debe estar operativo, para ir evacuando el calor conforme lo vayamos generando y no tener que sacar mucho de golpe.Niveles de caldera correctos, si tiene sistema de recuperacin de gases, se debe revisar el sistema para ver que todo est correcto y no nos de problemas cuando pongamos a plena carga la turbina.Bomba auxiliar de lubricacin en marcha, temperatura correcta, para que todo este bien lubricado y evitar posibles daos.Ausencia de alarmas de cualquier tipo, ver que no hay ninguna alarma que nos avise de posibles fallos, no vaya a ser que exista un problema no nos demos cuenta y a la hora de poner a plena carga el sistema nos de un fallo y tengamos que parar.3) Inicio y subida hasta velocidad de barrido de gases.El motor de arranque, que suele ser el propio generador, hace girar la turbina, empezando nosotros a meter gas y aire.El variador controla la velocidad del motor de arranque para ir subiendo de forma adecuada intentando evitar lo ms rpido posible las zonas peligrosas de vibracin.Sube lentamente la velocidad, hasta una velocidad de giro lento, no superior a 500 rpm. Se busca realizar un barrido de gases que pudiera haber en la turbina, para evitar explosiones. Tambin se pretende que la distribucin de pesos a lo largo del eje de rotacin sea perfecta y se eviten problemas de vibracin al atravesar las velocidades crticas.4) Aceleracin hasta velocidad de sincronismo. Paso por velocidades crticas.Se ordena desde el control subir hasta velocidades de sincronismo.Interesa pasar por las velocidades crticas lo ms rpido posible.La supervisin de las vibraciones durante la aceleracin es fundamental, ya que nos pueden indicar posibles problemas.El sistema tambin supervisa la aceleracin, para asegurar que se pasa rpidamente por las velocidades crticas.A una velocidad determinada, se activa el ignitor, y se enciende la llama piloto.La llama piloto enciende a su vez las cmaras de combustin o quemadores (FLAME ON).A partir de ese momento la fuerza de los gases de combustin empieza a impulsar la turbina.Poco a poco, la fuerza que ejerce el motor va siendo menor, y la de los gases mayores.A una velocidad determinada, el motor de arranque se desconecta. Si es el generador, deja de actuar como motor y se prepara para actuar como generador.Se alcanza la velocidad de sincronismo, empezamos a producir energa elctrica, en esta fase es donde ms disparos se producen.5) Sincronizacin y 6) Subida de carga hasta la potencia seleccionada.El cierre del interruptor de mquina una vez alcanzada la velocidad de sincronismo suele ser muy rpido, unos minutos como mucho.El sincronizador vara ligeramente la velocidad de la turbina.La subida de carga debe ser lenta, de acuerdo al tipo de arranque.

Problemas habituales durante los arranques Vibraciones al atravesar las velocidades crticas. Fallo de llama (Flame Off), se nos apaga la llama. Aceleracin insuficiente. Desplazamiento axial excesivo al subir carga. Temperatura excesiva de cojinetes, esta fallando la lubricacin o estamos hiendo muy rpido. Vibraciones al subir carga. Consejos tiles en los arranques de turbinas de gas1) Si se ha producido un disparo durante un arranque, no hay que arrancar de nuevo hasta no tener claro qu ha provocado el disparo y haberlo solucionado.2) Las averas no se arreglan solas, de forma mgica. Aunque es cierto que a veces son problemas irreales relacionados con la instrumentacin, la mayora de las veces no es as.3) Las turbinas de gas no son caprichosas: cuando tienen un problema no intentan llamar la atencin, tienen un problema de verdad.4) Puentear sensores, anular detectores o elevar valores de consigna en el control para facilitar un arranque es una mala decisin. Las averas ms graves en una turbina siempre estn relacionadas con una negligencia de este tipo.

Principales Averas en Turbinas de Gas

La mayor parte de los fallos en turbinas de gas estn relacionados con las altas temperaturas que se emplean en la cmara de combustin y en las primeras filas de labes de la turbina de expansin. Otro gran grupo se refiere al ajuste del proceso de combustin, y as el rendimiento y la estabilidad de llama se ven relacionados con estos ajustes. Otra parte de las averas son las tpicas de los equipos rotativos: vibraciones, desalineaciones, etc. Y por ltimo, al igual que ocurre con los motores de gas, las negligencias de operacin y mantenimiento estn detrs de muchos de los problemas que se viven con turbinas de gas, y especialmente, detrs de las averas ms graves. As, tratar de arrancar una y otra vez con alarmas presentes sin solucionar el problema, o retrasar las inspecciones programadas es la causa de muchas grandes averas en turbinas de gas.

Fallos en casa de filtros.Es un fallo importante ya que la casa de filtros se encarga de intentar que el aire entre lo ms limpio posible de partculas y objetos extraos al compresor, ya que cualquier objeto por partcula slida por muy pequea que sea puede ocasionar graves daos a nuestro equipo, los posibles fallos que se suelen dar son los siguientes: Roturas de filtros. Conductividad alta en agua. Desprendimiento de boquillas, conviene tenerlas atadas con cadenas para sujetarlas bien. Entrada de suciedad por cierre no estanco de la casa de filtros, por ejemplo que no est bien cerrada la puerta de acceso. Corrosin en la casa de filtros.

Fallos en labes (compresor y turbina de expansin).El fallo en los labes es un muy delicado ya que los labes son los encargados de impulsar el aire en el compresor y de aprovechar los gases de combustin para mover la turbina, por lo que estn sometidos a esfuerzos y cargas trmicas muy grandes, todo ello girando a altas velocidades, lo que puede provocar que pequeos defectos en su superficie se hagan importantes al poco tiempo, pudiendo llegar a romperse el alabe y provocando un gran desastre en el interior de la turbina, a continuacin a exponer algunos de los ms importantes: Impactos (FOD, Foreign Object Damage y DOD, Domestic Object Damage). Fisuras (cracks). Rotura por velocidad crtica. Prdida de recubrimiento cermico (coating loss). Obstruccin de orificios de refrigeracin. Corrosin (fretting). Erosin. Roces (Rubbing). Deformacin por fluencia trmica (creep). Sobretemperatura (overfiring). Decoloracin (en compresor). Fallos en cmara de combustin.La cmara de combustin es el lugar donde se produce combustin del combustible con el comburente en ella se pueden alcanzar muy altas temperaturas y presiones, que provocaran la destruccin del metal si este se encontrase desnudo por ello se ha de recubrir de materiales cermicos y estar refrigerado, siendo este uno de los fallos posibles que se pueden dar en esta parte del grupo, pero tambin hay otros como los siguientes: Llama pulsante, provoca una vibracin. Prdida de material en las placas de recubrimiento (TBC spallation). Sobretemperatura en lanzas, provocando su degradacin. Sobretemperatura en piezas de transicin, lo que puede llevar a su rotura. Fallos del rotor.El rotor es el elemento que nos une todo el sistema en la turbinas de un solo eje, por lo que un fallo en el es muy importante ya que al unir turbina, compresor, generador y turbina de vapor, el fallo puede ser comunicado a todo el sistema con lo que ello supondra de desajustes y daos. Los posibles fallos que de pueden dar en el rotor son: Bombeo del compresor, no entra suficiente caudal de aire. Ensuciamiento del compresor. Vibracin que puede estar causada por las siguientes circunstancias: *Mal estado de sensores de vibracin o tarjetas acondicionadoras de seal.*Desalineacin.*Falta de presin o caudal de aceite.*Mala calidad de aceite: aceite con agua o con viscosidad inadecuada.*Desequilibrio por:1) Incrustaciones.2) Rotura de un alabe.3) Equilibrado mal efectuado.*Vibracin en alternador o reductor.*Fisura en el eje.*Curvatura del eje.*Cojinetes en mal estado.*Defectos en la bancada. Ensalada de paletas, que consiste en una reaccin en cadena como consecuencia de la rotura de un alabe o por la introduccin de un objeto que provoque la rotura de labes. Una fisura en el rotor, no tiene solucin permanente solo temporal. Aparece cuando una grieta superficial progresa, se detecta por el aumento de vibracin, que no se corrige con nada, el problema es que no se suele tener un rotor de repuesto, y en muchos casos hay que fabricar uno nuevo, con todo esto hay que tener en cuenta a la hora de seleccionar una turbina, que hay que elegir una turbina cuyo fabricante garantice la disponibilidad inmediata de un rotor.

Fallos de la carcasa.La carcasa es la encarga de cubrir el compresor, cmara de combustin y turbina, sirviendo tambin de soporte a los labes fijos y mviles, para las conducciones de combustible y los diversos instrumentos, por lo que al ser la encargada de cubrir todo el sistema se debe vigilar su perfecto estado para no tener fugas de aire que nos hagan perder presin, o que provoquen la entrada de objetos extraos, con el consiguiente riesgo para la turbina. Los fallos ms comunes son: Fisuras en la carcasa. Fugas de aire por carcasa. Perno bloqueado, los tornillos de sujecin se ha podido quedar soldados en sus agujeros. Fallos en cojinetes.Los cojinetes son unos elementos esenciales, ya que es ah donde va apoyado el rotor y por tanto todo el sistema, tambin nos evitan los desplazamientos hacia delante o detrs del sistema, ya que la turbina provoca un empuje. Se utilizan cojinetes antifriccin ya que los rodamientos no aguantaran el peso de semejante sistema, los cojinetes tienen una capa de un metal llamado Babit, que permite girar al rotor con un rozamiento muy pequeo, pero es un metal muy delicado que hay que cuidar para evitar su degradacin y por tanto el comienzo de posibles problemas. Los posibles fallos que se pueden dar en esta pieza son los siguientes: Desplazamiento axial excesivo. Fallos en la lubricacin. Desgaste del material antifriccin. Golpes y daos en material antifriccin. Problemas de lubricacin: *Agua en el aceite.*Contaminacin.Fallos de control y de la instrumentacin.La probabilidad de fallo es estable en toda la vida del equipo, pero hay veces que todo el sistema puede estar funcionando bien, pero que sean los sensores que nos tendran que indicar los fallos los que estn funcionando mal, y nos estn dando falsos fallos que nos podran hacer parar la central y a la hora de ir a ver la avera ver que todo esta correcto y que ha sido un fallo del sensor que como todo se puede estropear, por lo que para evitar estas falsas alarmas se utiliza el sistema 2 de 3, esto es, tenemos 3 sensores para controlar la misma cosa, solo en caso de que 2 de esos 3 sensores nos adviertan de fallos debemos hacerlos caso, ya que puede ser que si solo fuese uno podra estar averiado.Existen determinados factores aumentan la probabilidad de fallo como son:*Temperatura.*Humedad.*Polvo y suciedad.*Tensin de alimentacin.Los fallos ms habituales en el sistema control podemos destacar los siguientes: Sensores de temperatura. Sensores pticos. El fallo ms grave en control es el fallo del PLC, un autmata encargado de control, por lo que para mitigarlo en la medida de lo posible se debe hacer: El PLC debe ser redundante. Toda la instrumentacin (incluidos sensores, transmisores y tarjetas de bus de datos) debe tenerse en stock en la planta.

Para tener una visin ms clara del ciclo de turbinas de gas simple obsrvese la siguientefigura donde se enumera las cuatro diferentes etapas por las que pasa el aire y los tres diferentes procesos que ocurren.

Figura 1.1.- Muestra el diagrama esquemtico de un ciclo simple de potencia de turbinas de gas, lasnumeraciones muestran los procesos que sufre el aire en los diferentes dispositivos cada proceso se' descrihe cnmn la interfase entre nmero v niimern. a cnmnresnr. h camara de cnmhustih v c turhina.