Turbina a Gas
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GUIA - SOBRE TURBINAS A GAS
Autor: Ing. Bugna, Luis21/05/2008
Ao 2008
CAPITULO 1: INTRODUCCION La Energa contenida en un fluido puede ser trasformada en trabajo mecnico mediante un mecanismo: ALTERNATIVO a PISTON
21/05/2008
MECANISMO TURBINA
21/05/2008
VENTAJAS: AUSENCIA DE PARTES ALTERNATIVAS:MENOR FRICCION, PROBLEMAS DE LUBRICACION Y CONSUMO DE LUBRICANTE AUSENCIA DE ESFUERZOS INERCIALES ALTERNATIVOS MAQUINAS BALANCEADAS MENOR TAMAO Y PESO DE LA MAQUINA PARA LA MISMA POTENCIA SI EL FLUIDO ES: VAPOR AGUA 21/05/2008 GASES DE COMBUSTION TURBINA A VAPOR TURBINA HIDRAULICA TURBINA A GAS
Na RECORDAR TURBO COMPRESOR Turbomaquina Generadora
Nc NA
c
= Na / Nc
NC
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RECORDAR MECANISMO TURBINAS Turbomaquina Motora NA
NT Na Nt
T21/05/2008
= NT / Na
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Si Son Maquinas Ideales:
c = 1
N C = NA
T = 1
N A = NT
Y ambas maquinas se conectan a un eje: NAC
NC
NT
NET
Al aplicar al conjunto un giro, Nc = NA = NT El conjunto se mantiene girando sin entregar potencia al exterior 21/05/2008 ya que Nc = NT y NE = NT - NC = 0
SI SON MAQUINAS REALES:
c < 1
N C > NA
T < 1
N A > NT
NC > NT NO GIRA SOLUCION ENERGIA
SI EL COMPRESOR ASPIRA AIRE, EL INCREMENTO DE ENERGIA SE PUEDE LOGRAR UTILIZANDO EL MISMO PARA 21/05/2008 QUEMAR UN COMBUSTIBLE
El quemado del combustible puede ser a:VOLUMEN CONSTANTE TURBINA A GAS A VOLUMEN CONSTANTE Sist. Carburacin Sist. Encendido Sist.Distribucin
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PRESION CONSTANTE TURBINA A GAS A PRESION CONSTANTE Quemador
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COMPONENTES BASICOS DE UNA TURBINA A GAS
Compresor Cmara de combustin Turbina21/05/2008
CICLO TEORICO T P 3 2 3 4 2 1 4 V21/05/2008
1 S
DIFERENCIAS FUNCIONALES ENTRE UNA TURBINA A GAS Y UN MOTOR DIESEL
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Factores que frenaron el desarrollo de una turbina a gas A ) Factores termodinamicos B ) Potencia interna Tg
Zona caliente A ) Factores termodinamicos: Tg - Materiales y Tcnicas de refrigeracin adecuados B )21/05/2008 Potencia interna: Consumo del compresor
30 20 10
Rendimiento de la turbina de gas en funcin de: Tg y comportamiento de los compresores
c y t = 0.9 c y t = 0.85 c y t = 0.8Tg 450 750
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APLICACIONES DE LA TURBINA A GAS 1. PRODUCIR POTENCIA AL EJE: Industrial : Potencia mecnica Potencia Elctrica Marino 2. PROPULSION AERONAUTICA: Propulsin a chorro Turbo hlice 3. OTRAS APLICACIONES, VARIANTES EN EL CICLO Y TURBINAS DE GEOMETRIA VARIABLE21/05/2008
NOTA: Establecido un uso existen una serie de variantes destinadas a: - Mejorar el rendimiento - Aumentar potencia de mquina - Posibilitar flexibilidad en la operacin - Utilizar otros combustibles - Mejorar la cupla de arranque21/05/2008
PRODUCIR POTENCIA EN EL EJE A) TURBINA A GAS SIMPLE
VENTAJA: La elevada inercia debida al arrastre del compresor, reduce el peligro de sobre velocidad, en el caso de una perdida de carga. DESVENTAJA: No posee cupla de arranque RECOMENDADA PARA: Operar en velocidad fija (n = cte.) y donde la 21/05/2008 flexibilidad de operacin no es importante.
B) AUMENTAR EL RENDIMIENTO: AUMENTAR LA RELACION DE COMPRESION AUMENTAR LA TEMPERATURA DE LOS GASES CICLO REGENERATIVO
CICLO REGENERATIVO
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VENTAJAS * Su empleo no altera el mtodo de regulacin de potencia de la turbina a gas
* Aumenta el rendimiento
DESVENTAJAS
* El espacio que ocupa el intercambiador de calor y su mantenimiento21/05/2008
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C) AUMENTAR POTENCIA UNITARIA DE MAQUINA a)
VENTAJAS Se disminuye el trabajo de compresin, luego mayor potencia de mquina DESVENTAJAS21/05/2008
Cada de rendimiento El empleo de un refrigerador de aire
b ) Post Combustin
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NOTA: Es factible usar las tres combinaciones anteriormente mencionadas en una sola planta:
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C) FLEXIBILIDAD EN LA OPERACIN turbina a gas de dos conjuntos rotantes a)
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b)
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VENTAJAS: Proporciona flexibilidad de operacin. Solamente el conjunto rotor de alta presin necesita ser girado durante el ciclo de arranque DESVENTAJA: * Complejidad desde el punto de vista constructivo NOTA: Es factible incorporar las modificaciones anteriores21/05/2008
D) UTILIZAR OTRO TIPO DE COMBUSTIBLE
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VENTAJAS: * Evita que los constituyentes de los productos de combustin, erosionen o corroan los alabes y toberas de turbina. * Posibilita el empleo de carbn pulverizado, aceite residual. DESVENTAJA: * La complejidad del quemado y del intercambiador de calor
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E) OBTENER CUPLA DE ARRANQUE
generador de gases21/05/2008
turbina de poder
VENTAJAS: * Ampliar el campo de aplicacin de la turbina de gas, por disponer de elevada cupla de arranque. * El arrancador es dimensionado para arrastrar solamente el generador de gases. DESVENTAJAS: * La perdida de carga puede generar una rpida sobrevelocidad de la turbina de poder. * Aumenta la complejidad del sistema de control21/05/2008
SE RECOMIENDA PARA: * Propulsar hlices * Generacin de pico * Generacin de emergencia * Accionar compresores * Accionar bombas * Toda otra mquina que requiera cupla de arranque
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PROPULSION AERONAUTICA Las turbinas a gas utilizadas en aeronutica transforman la energa potencial contenida en el combustible en: ENERGIA CINETICA: ENERGIA MECANICA CLASIFICACION A) Reaccin directa: B) Reaccin indirecta:21/05/2008
(REACCION DIRECTA) (REACCION INDIRECTA)
PROPULSION POR REACCION POTENCIA AL EJE
TURBOREACTOR
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TURBO HELICE
TURBO EJE
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RESUMEN TURBINA A GAS PARA PRODUCIR POTENCIA MECANICA AL EJE USO: INDUSTRIAL - PRODUCIR ENERGIA ELECTRICA Y PROPULSION MARINA
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generador de gases
turbina de poder
VERSION AERONAUTICA
VERSION INDUSTRIAL
CARACTERISTICAS
Menor Mayor No Menor Menor Mayor21/05/2008
Peso y volumen Complejidad Constructiva Mantenimiento en situ Vida entre recorrida Tiempos de arranque Disponibilidad de maquina
Mayor Menor Si Mayor Mayor Menor
21/05/2008
21/05/2008
NOTA Existe una tercera posibilidad constructiva
VERSION AERONAUTICA MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
VERSION INDUSTRIAL TAMAO Y VOLUMEN AERONAUTICA21/05/2008
21/05/2008
21/05/2008
CAPITULO 2: CICLOS TEORICOS Y REALES CICLOS TEORICO 2 Q 3
wc
wt
we
1 Maquina Simple
4
Ciclo de: BRAYTON o de JOULE
P 2
Q1
T 3 Q1
3 wt 4
wu
wt
2 wc 1
Q1 - Q2 Q2 S
wc
1
Q2 4 V
Anlisis del ciclo Parmetros del aire en cada punto P,T,V Evaluacin de Wc, Wt, Wu Rendimiento del ciclo Parmetros del aire en cada punto P,T,V Datos: Punto 1: Punto 2:
P 1
y
T1
;
;1
T3
o
Q1
v1 =
R T P1
P2 = P1
T2 = T1
k 1
k
v 2 = v1
1
1
k
Punto 3
P3 = P2R T3 v3 = P3Punto 4
;
T3
Dato o
Q1 = C p (T3 T2 )
T3
P4 = P 1
T4 = T3 1
k 1 k
R T4 v4 = P4
Evaluacin de trabajos:
Wc = h2 h1
Wt = h3 h4
Wc = C p (T2 T1 ) Wt = C p (T3 T4 )
Wu = Wt Wc Wu = C p [(T3 T4 ) (T2 T1 )]
Rendimiento del ciclo
Wu Wt Wc Q1 Q2 = = = Q1 Q1 Q1
=
Recordando las expresiones que permiten evaluar W; Q y adems que k 1 k 4 3 1 c e 2
T = T
T =T 1
k 1 k
= 1
1
k 1
k
40 30 20
= F ( , k )
k > k10
2
4
6
8
10
11
12
CICLOS REAL
P 2 2r 3 3r
T
3 3 4 2 2 4
4r 1 1r 4 V 1 1 S
Justificacin Punto 1: Punto 2: entropa 2 2r P1 = P1r o P1 > P1r P2 = P2r compresin con aumento de T 3 3r 3 3 4 2 2 4r 1 1r 4 V 1 1 S 4
P
Punto3: P3 > P3r por resistencia a la circulacin de los gases en la cmara T3r > < o = a T3 Punto 4: P4 > P4r Expansin con aumento de entropa y perdidas de carga en los conductos de escape T 3 3 2 2r 3 3r
P
4
2 2 4r 1 1r 4 V 1 1
4
S
Lo anterior permite expresar que existe una compresin terica isentrpica Wc y una compresin real no isentrpica Wcr Wc = h2 - h1 Wcr = h2r - h1r Wc < Wcr Rendimiento interno del compresor ic = Wc / Wcr
Wt = h3 - h4
Wtr = h3r - h4r Wt > Wtr
Rendimiento interno de la turbina it = Wtr / Wt
= cr > trTodas las perdidas que pueden ser representadas en los diagramas termodinmicos se denominan
perdidas internasWu > Wur imotor=
Wur / Q1
termod = Wu / Q1 imotor < termod
Perdidas externas son aquellas que transfieren caloral exterior o se gastan en la parte externa de la maquina: Calor perdido por las paredes externas de la maquina por radiacin y convecino Roce mecnico Potencia de auxiliares Combustin incompleta We < Wur total=
mec = We / Wur We / Q1
total = mec . imotor
Anlisis de las perdidas internas: ic, it, P3-2 y Pe > Pat Su influencia A) ic y it < 1; ic = Wc / Wcr it = Wtr / Wt rendimiento interno P3-2 y Pe = 0 (a) T 3 3r 4r (b) 2 Wur = Wtr - Wcr (c) imotor Wur / Q1 (d) 1 1r S 2r 4
=
Reemplazando a, b y c en d
imotor
1 m it 1 m 1) ic =
(
m 1 ( 1) ic
imotor = f , , ic , it )
Donde: = T1 / T3 = T1r / T3r y m = (k 1) / k
(
imotor = f , , ic , it )Influencia de los distintos factores y condiciones operativas sobre el rendimiento interno motor Influencia de los distintos factores a ) - Aumento en s)-
(
y
y
it
it
ic
+
imotorf ( )
ic
Si:
imotor = f= Cte
( , )im
Cte
=
Ciclo ideal
11 2 3
2
3
Conclusin: Para aumentar rendimiento en los ciclos reales se debe disminuir y ello nos permite aumentar la relacin de compresin Para disminuir se debe aumentar T3 (Tg) porque T1 esta fijado por las condiciones ambientales Materiales mas resistentes a altas temperaturas o tcnicas de refrigeracin mas eficientes
Influencia de las condiciones operativas: a ) Influencia de T3 en una maquina en operacion Al estar la maquina construida
, ic y it imot = f ( ) =T /T 1 3
Cte
= Cte / T3
T3 es funcin de la potencia que desarrolla la maquina Cargas parciales bajos rendimientos
imot
b ) Influencia de en operacion
y
ic
y
it
en una maquina Cte
Compresor sucio Turbina sucia
Menos rendimientos
ic
it
Anlisis de las perdidas internas: ic, it, P3-2 y Pe > Pat Su influencia rendimiento interno B ) Influencia de las perdidas de presion en la camara de combustion P2-3 y contrapresion el escape
, ,
ic
y
it
Cte
P3r = P4 - P2-3
t
P4r > P4 = P3r / P4r 6 Mvil Fijo
Obstruccin
La obstruccin reduce el Q y genera el desprendimiento en el primer estadio provocando el surge -Reflujo - en el mismo - El compresor entra en la zona de inestabilidad deja de bombear Primer Estadio Mvil Fijo
Curvas caractersticas de un compresor P A1 Zona Inestable A0 A2 A3 nminimo n2 n0 nmaximo
Q
En los compresores axiales las variaciones de caudales pueden ser muy reducidas, si P > 10 A1 Zona Inestable A0 A2 A3 nminimo Q n2 n0 nmaximo
Q
SOLUCIONES Utilizar una sangra en la zona intermedia
Compresores de dos ejes
Alabes mviles
Compresores de dos ejes Ultimo Estadio Aumentando la velocidad de la ultimo Estadio Mvil Fijo
Mvil
Fijo
Obstruccin
Alabes mviles
Primer Estadio Mvil Fijo
CAPITULO 4: CAMARA DE COMBUSTION Es el lugar fsico de la turbina a gas, donde se lleva a cabo el proceso de quemado del combustible Para quemar el combustible se necesita: Que el aire y el combustible forme una mezcla explosiva: combustible en estado gaseoso intimo contacto entre el aire y combustible relacin de mezcla inflamable - Posteriormente colocar la mezcla en una cmara y utilizando el calor que libera una chipa, se auto inflama la parte cercana a la misma Si el calor que libera es suficiente v Frente de llama
Para realizar el quemado en forma continua se necesita: Cmara Quemador abierta V v Aire
SI: v v v = > < V V
Mezcla inflamable ESTABLE
Chispa
INESTABLE V
NOTA Relacin de mezcla inflamable en funcin de la velocidad del aire (V) Rica Limite de Rica
Pobre
Limite de Pobre V
Este comportamiento puede crear apagado de llama en aceleraciones y desaceleraciones violentas
REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR UNA CAMARA DE COMBUSTION Mantener estabilidad de llama Temperaturas de gases permisible, compatible con los materiales empleados en la zona caliente Combustin completa El carbono libre, provoca dao en las paletas y depsitos de carbn Baja disipacin de calor Mnimas prdidas de presin Uniformidad en la distribucin de temperatura Dimensiones reducidas
Mantener la estabilidad V v Aire
v
=
V
ESTABLE
La velocidad del aire ( V ), depende de la velocidad del compresor La solucin es obtener en la zona de quemado una V independiente de la potencia de la maquina Existen dos soluciones:
Primera solucin Entrada de aire
Quemador Envuelta Zona de remanso Tubo de llama
Segunda solucin Tubo de llama Quemador
Aletas deflectoras Envuelta
Quemador
Envuelta
Entrada de aire
Tubo de llama Zona de Combustin Zona de Dilucin
Esta Cmara tiene estabilidad, temperatura de gases controlada, asegura combustin completa y baja disipacin de calor al exterior
Entrada de aire
Zona de Combustin
Zona de Dilucin
Segunda solucin
Aire Primario
Aire Secundario
FLUJO DE AIRE Descarga del compresor Cmara de combustin aire primario aire secundario
AIRE PRIMARIO: Se utiliza para la combustin AIRE SECUNDARIO: Descender temperatura tubo de llama Estabilizar la llama Reducir temperatura de los productos de la combustin a un lmite aceptable Reducir la perdida de calor al exterior
TIPOS DE CAMARAS DE COMBUSTION
Versin Aeronutica: A) cmara mltiple B) cmara anular c) cmara tubo anular
Cmaras versin industrial
Capitulo 5: Mecanismo TurbinaFUNCIN Transformar la energa contenida en los gases de combustin en energa mecnica. COMPONENTES BASICOS Estator (paletas fijas) Rotor (paletas mviles CLASIFICACION De acuerdo a la direccin de la corriente de gases al pasar por el rodete En turbinas de accin y reaccin Escalonamiento simple o mltiple
De acuerdo a la direccin de la corriente de gases al pasar por el rodete la maquina puede ser Radial o Axial Maquina Radial 0 Estadio Fija 1 Movil 2
Circulacin Centrpeta
Maquina Axial
0
Fija
1
Mvil
2
Estator Rotor
Estadio
Turbina de accin 0 1 2 0 1 2
Fija
Mvil
Fija
Mvil
h
p v
c
Turbina de reaccion 0 1 2 0 1 2
Fija
Mvil
Fija
Mvil
h
p
c
v
Grado de reaccin
hm =
=0 >0NOTA: de 0.5
ht
Accin Reaccin
En turbina a gas se utilizan grados de reaccion
Maquina radial 0 Estadio Fija 1 Movil 2 Circulacin Centrpeta ( Wu )m= (U12 U22)/2 + (C12 C22)/2 + (W22 W12)/2 Con circulacin centrifuga el termino (U12 U22)/2 seria < 0
Maquina Axial
( Wu )m= (U12 U22)/2 + (C12 C22)/2 + (W22 W12)/2 Todos los trminos son positivos
METODOS DE FIJACION DE LAS PALETAS A LOS DISCOS DE TURBINA
EFECTO CREEP SOBRE LAS PALETAS Temperatura del material Ferroso Fro Caliente
L L= f ( F )
L L=f(t)
F
F = Cte.
Los materiales ferrosos cuando estn sometidos a temperaturas y esfuerzos, las elongaciones son funcin del tiempo que permanece aplicada la fuerza aunque esta permanezca constante.
ELONGACION ( L)
FRACTURA
Fuerza aplica constante
I
II
III
TIEMPO
SOLUCION * Bajar la temperatura de los gases * Usar paletas refrigeradas NOTA 1 La tendencia es utilizar temperaturas de gases cada vez ms elevadas. NOTA 2 Con elevadas temperaturas de gases, la oxidacin pasa a ser un factor limitante en la vida de la mquina, tan significativo como el efecto creep; por lo tanto resulta igualmente importante enfriar componentes tales como paletas fijas (toberas) y paletas mviles.
METODOS DESARROLLADOS
Refrigeracin Interna Fig, 1 Refrigeracin externa Por capa Fig. 2 Por Transpiracin Fig. 3 Refrigeracin combinada Fig. 4
Figura 1
Figura 2
Figura 3
Figura 4
El uso de paletas refrigeradas, requiere una configuracin especial del disco o rotor: * Disco ranurado * Disco partido
Disco ranurado
Disco partido
TURBINA DE PODER
Es un mecanismo turbina semejante al descripto anteriormente, pero con la variante que generalmente no requiere paletas mviles y fijas refrigeradas: debido a que trabaja con gases a menores temperaturas. Por esta circunstancia es un mecanismo que tiene mayor vida. Con respecto a su montaje puede ser conformando una sola unidad con el generador de gases o en cuerpo separado.
Rodillo
Rodillo
Rodillo
Rodillo Rodillo
Bolas
Bolas Rodillo Bolas
Bolas
CAPITULO: 6 - SISTEMAS AUXILIARES Sistemas que se agregan a los componentes bsicos para convertir a los mismos en una maquina operable Sistema de combustible Sistema de lubricacin Sistema de arranque Sistema de encendido Sistema de virado Sistema de refrigeracin, sellos y venteo Sistema de control Sistema de proteccin
SISTEMA DE COMBUSTIBLE
Sistema Combustible
Quemadores
Alimentacin de combustible Distintas potencias Cambios de regmenes Aceleraciones Desaceleraciones Arranque Parar la maquina Nota: Forma parte del sistema de proteccin de la maquina
Distintas potencias Esquemas bsicos para combustible liquido
Q u e m a d o r e s
Distintas potencias Esquemas bsicos para combustible gaseoso
Fuente de gas Planta reguladora Planta compresora
Quemadores
Separadores, filtros, etc. Simple Pulverizadores
Liquido Quemadores Gas Evaporadores Mezclador
Doble
Sin retorno
Con retorno
Pulverizadores simples
Permite mayor variacin de caudal Pulverizadores doble
Pulverizador simple con aire
Pulverizador doble con aire
Vlvula divisora liquido P u l v e r i z a d o r e s
D o b l e s
Aire Comprimido Pulverizador
Combustible
Evaporador o Gasificador
Mezclador
Combustible
Cambios de regmenes Aceleraciones Desaceleraciones En las aceleraciones el incremento de combustible debe ser controlado para evitar que los compresores entre en la zona de inestabilidad o la mezcla salga de los limites de riqueza En las desaceleraciones la disminucin de combustible debe ser controlado para evitar que la mezcla salga de los limites de pobreza
Arranque El caudal de combustible que se debe proveer durante el arranque varia segn la maquina sea de diseo industrial o aeronutica Maquina Aeronutica: Diseo lento necesita aporte adicional Diseo Rpido no necesita Maquina Industrial: El caudal para arranque debe ser gradual y con una ley semejante a la de aumento de velocidad de la maquina para evitar incrementos bruscos en la temperaturas de gases
SISTEMA DE COMBUSTIBLE Llave de corte
Sistema Combustible
Quemadores
Alimentacin de combustible Distintas potencias Cambios de regmenes Aceleraciones Desaceleraciones Arranque Parar la maquina Nota: Forma parte del sistema de proteccin de la maquina
SISTEMA DE LUBRICACION Versin aeronutica Versin industrial SISTEMA DE ENCENDIDO Llama piloto Chispa Generacin de la chispa: Mtodo convencional Sistema capacitivo, con descarga superficial Llama principal
SISTEMA DE ARRANQUE Llevar la maquina hasta la velocidad de autosustentamiento, para ello puede utilizar energa: Elctrica Neumtica Hidrulica Mecnica Gases a presin Turbina auxiliar
SISTEMA DE VIRADO Versin aeronutica Versin industrial SISTEMA DE VENTEO, REFRIGERACION Y SELLO Venteo interno de la maquina Refrigeracin zona caliente Evitar fugas de fluidos SISTEMA DE PROTECCION Nivel correctivo Nivel para maquina
SISTEMA DE CONTROL Para la operacin de la maquina: Arranque Llevar la maquina a distintas potencias y velocidades Parar la maquina: En forma normal En emergencia Supervisa que la maquina opere adecuadamente Libre de inestabilidades Informa los valores de parmetros operativos Gobierna el sistema de control de contaminacin
CAPITULO: 7 - PRESTACION DE UNA TURBINA A GAS Cuando de una turbina se conoce la cupla motora, potencia efectiva y su consumo especifico para las distintas revoluciones de la maquina se dice que se conoce su prestacin o aptitud En primer lugar mostraremos las curvas que representan estos parmetros para la maquina compuesta por generador de gas y turbina de poder Cuando el generador de gases esta funcionando a plena potencia con la turbina de poder detenida, el esfuerzo que realizan los gases sobre el paleteado de la misma es mximo, para ir disminuyendo a medida que aumenta su velocidad de rotacin
Representacin de la variacin de la cupla en relacin a la velocidad de rotacin de la turbina de poder Cm Cmax Cmax 2 a 3 Cmin
Cmin
100% Ac 90% Ac 80% Ac ntp nmax
Recordando que Ne Cm . n Ne 100% Ac 90% Ac 80% Ac
Nemax
ntp nmax
A consecuencia del alto valor de las potencias internas la maquina se disea para la velocidad de trabajo, donde el Ce adquiere el valor mnimo Ce
80% Ac 90% Ac Cemin 100% Ac
nmax
ntp
MAQUINA SIMPLE Cm Ne
ntp n de trabajo
Variacin de Tg y nc en F ( Q ) Tg nc Tg nc
En todas las maquinas se llega al valor de Tgmax
En maquinas veloces se adquiere el valor mximo
Qmax
Q
Influencia de la temperatura del aire de admisin Q = Cte. +Temperatura Ne Tg - - Kg de aire + Tg y - Ne
Ta
DISPONIBILIDAD DE POTENCIA Ne Tg Nemax Tgmax Nemax Tgmax
Ta Razones Estructurales P.D.
DISPONIBILIDAD DE POTENCIA Ne Tg Nemax Tgmax Nemax Tgmax
Ta P.D.
DISPONIBILIDAD DE POTENCIA en maquinas de velocidad constante Ne Nemax Consumo de aire Consumo de combustible
Nemax
Ta P.D.
Disponibilidad de potencia Ne T diseo 110% T1 > Td 120% T2 > Td
Nemax
ntp nmax
Influencia de la presin del aire de admisin Q = Cte. + Presin + + Kc de aire La inversa es valida Influencia de la presin de escape Q = Cte. + Presin - expansin La inversa es valida La presin de admisin y escape puede variar por altura sobre el nivel del mar o por la existencia de conductos de admisin y escape Los fabricantes indican los factores de correccin por estas variaciones - Ne - Tg y + Ne
Variaciones de potencia por cambios ambientales y de montaje
Grafico 1
Grafico 2
Grafico 3
Grafico 4
Ejemplo de disponibilidad de potenciaLa maquina GAU 1 ser colocada en una instalacin que presenta las siguientes perdidas en los conductos: Admisin 100mm de columna de agua Escape 100 mm de columna de agua Adems estar colocada a 100metros sobre el nivel del mar y aspirara aire a 30 C
Del grafico 1 la potencia mxima y su consumo a 30 C, nivel del mar y sin perdidas en conductos es de: 1327 Kw 546 Kg de Com / hora Del grafico 2 y 3 las variaciones de potencia y consumo por mm de perdida para el regimen de 1327 Kw son: Por mm de perdida en admisin 0.38 Kw/mm Por mm de perdida en el escape 0.20 Kw/mm Disminucin de consumo por mm 0.063 Kg/mm
Para los datos anteriores la perdidas de potencia son: Por admisin 38 kw Por escape 20 kw Para los datos anteriores la disminucin de consumo es: 6 Kg de combustible por hora
Por lo tanto la potencia a desarrollar y su consumo a nivel del mar seria: 1327 38 20 = 1269 Kw 546 6 = 540 Kg de Comb. por hora
Corrigiendo los valores anteriores por estar colocada la maquina a 100 metros sobre el nivel del mar. Del grafico 4 para 100 metros, el factor de correccin es 0,988. Por lo tanto la potencia a desarrollar y su consumo es de: Potencia: 1269 x 0,988 = 1254 Kw Consumo: 540 x 0,988 = 534 Kg de Comb./ hora
Conclusin: Perdida de potencia: 1327 1269 = 58 Kw Expresado en % entre el 4 y 5 % Disminucin de consumo: 546 534 = 12 Kg de comb. / hora Expresado en % aproximadamente el 2 %
CAPITULO: 8 - OPERACIN DE UNA TURBINA A GAS En la operacin se necesitan realizar una serie de tareas que se pueden agrupar en: Tareas a realizar antes del arranque Tareas a realizar durante el arranque Tareas a realizar durante la operacin Tareas a realizar durante la detencin
Tareas a realizar con posterioridad a la detencin
Antes de analizar las distintas tareas, vamos a definir Ciclo Seco y Ciclo Hmedo Ciclo Seco: Accionar arranque sin encendido y combustible Ciclo Hmedo: Esta tarea se puede necesitar maquinas aeronuticas alimentadas con combustible liquido para purgar el sistema de combustible, se realiza accionado el arranque y sistema de combustible sin encendido: Tareas a realizar antes del arranque (maquina aeronutica) Colocar el acelerador en mnimo Varios
Tareas a realizar durante el arranque Asegurar aire en la cmara de combustin
Activar sistema de combustible y encendido
Puede que Si o No se inicie la combustin despus de un determinado tiempo en segundos
Se inicia: Observar variacin Tg
Tg nc Tgmax. n relenti
Ta
t =0
t1
Activa encendido y combustible
t
No se inicia: Suspender proceso de arranque y realizar ciclo seco Reintentar un segundo ciclo de arranque Tareas a realizar durante la operacin Llevar la maquina a los niveles de potencia necesarios manteniendo los parmetros funcionales dentro de los limites: Velocidad de los conjuntos rotantes Temperatura de gases Nivel de vibraciones Etc.. Cuando es necesario lavar los compresores
Tareas a realizar durante la detencin Disminuir la velocidad al mnimo Estabilizadas las temperaturas cortar combustible Tareas a realizar con posterioridad a la detencin Cerrar los servicios auxiliares Si existe intencin de ponerla en marcha dentro de un periodo no mayor a unas pocas horas, no es necesario realizar alguna tarea adicional Caso contrario lavar los compresores e inhibirlos
Tareas a realizar antes del arranque ( maquina Industrial ) Colocar prelubricacion y virar Habilitar sistema de combustible Varios Tareas a realizar durante el arranque Asegurar aire en la cmara de combustin Activar combustible piloto y encendido Mantener en esta condicin con el virador colocado hasta que la maquina adquiera la temperatura necesaria Lanzar la maquina con el combustible de proceso de arranque
Puede que Si o No se inicie la combustin despus de un determinado tiempo en segundos Se inicia: Observar variacin Tg Tgmax. Tg
n relenti
Lanzamiento t =0 t1 Activa encendido y combustible piloto t
Tareas a realizar durante la operacin igual que turbina aeronutica Tareas a realizar durante la detencin igual que turbina aeronutica Tareas a realizar con posterioridad a la detencin Cerrar los servicios auxiliares Si existe intencin de ponerla en marcha inmediatamente, no es necesario realizar alguna tarea adicional
Caso contrario colocar virador y prelubricacion
A continuacin proceder igual que turbina aeronutica NOTA: Cuando la turbina queda detenida por mas de una semana , es conveniente cada semana cambiar de posicin los conjuntos rotantes y prelubricar
LAVADO DE COMPRESORES Limpieza en seco: Durante el funcionamiento se incorpora por la aspiracin de la maquina una determinada cantidad de un polvo combustible de bajo contenido de ceniza y con granulometra defina, esta ingesta de polvo realiza la limpieza de las paletas por un procedimiento semejante a un arenado Las condiciones de operacin cuando se realiza la inyeccin de polvo las indica el fabricante como tambin la cantidad del mismo y en que tiempo
Limpieza hmeda: Con la maquina en fri y accionado el arranque ( ciclo seco ) se incorpora en el aire admitido una determinada cantidad de liquido lavador. Posteriormente se detiene el arranque y se deja drenar el liquido para realizar a continuacin un secado mediante ciclo seco o arrancando la maquina El liquido lavador puede ser agua o un solvente no inflamable Limpieza hmeda en marcha: Es una limpieza en seco donde se reemplaza el polvo por un liquido lavador
Capitulo 9: Control de gestin - Electrnico - de una Turbina a GasSon dispositivos que remplazan al hombre en la tarea de operacin y control de una Turbina a Gas obteniendo un funcionamiento confiable y seguro de la misma Estos sistemas constan de varios: Sistemas de control Proteccin Diseos secuenciados
Sistemas de control: de velocidad y potencia de temperatura de arranque de aceleracin de parada de contaminacin por gases de escape Protecciones de: sobre velocidad sobre temperatura vibraciones sobre proceso de combustin perdida de llama Diseos secuenciados: Arranque y parada normal
Estan preparados para trabajar con combustible liquido, gaseoso o con mezcla de los dos El sistema de combustible liquido debe estar conformado por el esquema bsico siguiente Demanda de combustible Quemadores Bomba Vlvula de corte Divisora de caudal
El sistema de combustible gaseoso debe estar conformado por el esquema bsico siguiente Venteo Cmara de combustinVlvula de control de gas
Vlvula de Vlvula corte y de corte reguladora de presin Demanda de combustible Para posicionar las vlvulas se utilizan sistemas electro hidrulicos
Demanda de Posicion
Posiciona vlvula
Servo para posicionar las vlvulas
Control de gestin electrnicoA la pantalla
TemperaturasA la pantalla
Velocidad y Potencia AceleracinA la pantalla
Arranque Parada Modo Manual Protecciones
Ciclo de arranque
Sistema de velocidad y potencia combustible LiquidoDemanda de combustible
Purga de combustible
Demanda de combustible
RPMVlvula de Corte Venteo cmara de combustin
* *Presin Cte. = f( RPM)
**
**
Vlvula que controla el gas
Sistema de velocidad y potencia combustible gaseoso
Transferencia de combustible liquido a gas
Transferencia de combustible gaseoso a liquido a gas
Funcionando con mezcla de combustible
Parada por protecciones y parada de emergencia
Parada por protecciones y parada de emergenciaServo Velocidad
Pantalla
vlvula
Vlvula control de gas Vlvula de corte
Temperatura
Servo vlvula
Vibracin
monitoreo combustin
Velocidad Servo Apagado llama vlvula
Vlvula de corte
Capitulo 10: Contaminacin atmosfrica por la descarga de gases de escape de una Turbina a GasComo la turbina a gas trabaja con una combustin que se realiza con una mezcla correcta y despus se le incorpora un gran exceso de aire para adecuar la temperatura de los gases a lo permitido por la zona caliente de la maquina, se puede considerar que la combustin finalmente se efecta con una relacin de mezcla pobre Esta circunstancia hace que cuando el rgimen de la combustin sea elevado se forme un alto porcentaje de oxido nitroso en los gases de escape, cuyo valor excede lo permitido por las normas
Para reducir el contenido de oxido nitroso se pueden utilizar tres tcnicas: A) Inyectar agua: en la cmara de combustin En la aspiracin del compresor
B) Inyectar vapor C) Utilizar quemadores que permitan desplazar la llama Esta ultima posibilidad se la identifica como solucin seca La figura que sigue muestra un quemador que permite desplazar la llama cuando se utiliza un combustible gaseoso
Alimentacin quemadores primarios
Alimentacin quemadores de transferencias Alimentacin quemadores secundarios
Quemador Primario
Quemadores secundarios Quemador de transferencia
Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso
Alimentacin quemadores primarios Zona primaria Quemador Primario
Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso
Alimentacin quemadores primarios
Alimentacin quemadores de transferencias Alimentacin quemadores secundarios
Quemador Primario
Zona secundaria
Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso
Quemadores primarios Circuito de combustible para combustible gaseoso
Alimentacin de gas
Quemadores secundarios
Vlvula de purga
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas Vlvula de transferencia Quemadores de transferencias
De cero al 30 % de Carga
Quemadores primarios
Alimentacin de gas
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas
Del 30 % al 75 % de Carga
Quemadores primarios
Alimentacin de gas
Quemadores secundarios
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas Vlvula de transferencia
1 Etapa de la transicin al sistema mixto
Quemadores primarios
Alimentacin de gas
Quemadores secundarios
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas Vlvula de transferencia Quemador de transferencia
2 Etapa del Inicio de la transicin al sistema mixto
Quemadores primarios
Alimentacin de gas
Quemadores secundarios
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas Vlvula de transferencia Quemador de transferencia
Operacin en el sistema mixto
Quemadores primarios
Alimentacin de gas
Quemadores secundarios
Vlvula de transferencia Grupo de vlvulas Vlvula de transferencia Quemador de transferencia
Primario Primario y secundario Mixto
Quemador Secundario Quemador Primario
Quemador con desplazamiento de llama para combustible liquido
Quemador Secundario Quemador Primario Zona primaria
Zona secundaria
Quemador con desplazamiento de llama para combustible liquido
Quemado de combustible liquido
Demanda de combustible Quemadores Bomba Vlvula de corte Divisora de caudal
Quemadores primarios Demanda de combustible
Quemadores Secundarios Bomba Vlvula de corte Divisora de caudal
Primario
Primario y secundario
Modulo Aeronutico Turbina Lento
ncb = 6360 RPM nca = 8030 RPM 7 Etapas 5 Etapas 8 C. C.
ntp = 5660 RPM
N6 = 33800HP P2 = 37/40 PSI T2 = 120/125 0C P3 = 150 PSI T4 = 990 0C T6 = 654 0C 0 0 T3 = 350 0C T5 = 776 C T7 = 464 C T1 = 15 0C Ne = 28000HP
P1 = 14,7 PSI
C.B.P
C.A.P
Voluta de escape Entrada de aire
Tablero de control local
Soportes tg.
Entrada de aire
Ventilacin
Salida de escape
Proteccin contra incendio
Tablero de control
Puerta de acceso
Sistema de Combustible Turbina Lenta
Llave de corte
Sistema Combustible
Quemadores
Alimentacin de combustible
Recordar: Funcin sistema de combustible: Suministrar combustible para obtener las distintas potencias Cambios de regmenes Aceleraciones Desaceleraciones Combustible para arranque Parar la maquina Forma parte del sistema de proteccin
Ayudas didcticas:
1X P = Cte
Si: 0 < X d/4 P = f( x )
2 - Obtenemos un sistema que
n
P = Cte P = f (n)
2-
+n
P = Cte + P = f (n)
2-
- n
P = Cte - P = f (n)
3P1 > P2 v P 1 P2 Q1 = S . v Q S . P1 P2 S 4P1 > P2 P > P3 Q1 S1 . P1 P2 Q2 S2 . P2 P3 Q1 = Q2
S1
S2
P1
>
P2 P
>
P3
S1
S2 Q1 = Q2
Q1 S1 . P1 P2 =
Q2 S2 . P2 P3
S12 . P1 + S22 . P3 P2 = S12 + S22
5-
Aplicacin P2
P1
S1
S2
P3 = Cte
S3
P3 S4
S12 . P1 + S22 . P3 P2 = S12 + S22 P3 =
S32 . P1 + S42 . P3 S32 + S42
Si:
S1 = 3 S2 = 2
S3 = 4
S4 = 2 P3 P 2 0,11 0,97 2,05
P1 2 Kg/cm2
P3 = 1 Kg/cm2 y variando P1: P2 P3 1,69 7,23 14,15 S1 1,80 8,20 16,20 S2
10 Kg/cm2 20 Kg/cm2
P1 S3
F S4 S4
P3 = Cte
S1 P1 S3
S2 P3 = Cte
F S4
La fuerza F es funcin de P1 Si se alteran uno o mas valores de S, para un mismo valor de P1 cambia el valor de F
Esquema bsico del sistema de combustible Suministrar combustible para obtener las distintas potencias Posicin acelerador Cantidad de combustible
Quemadores
Q f ( % acel )
Q f ( Pdp ) Val. Divisora
U.aceleradora
Pdp f ( % acel )
Bomba de Combustible
Ps
Pdp
Parte trasera
Parte delantera Servo que altera el desplazamiento
Bomba
Parte delantera de la bomba de combustible: Bomba de pistones axiales rotativos Bomba de desplazamiento variable
Servo que Posiciona el plato + Pb - Pb
Pa
Pb
Si: - Pb + Pb Pa . S = Pb . S + R
- Pb - menos inclinacin menos caudal + Pb - mas inclinacin mas caudal
Pdp Ps = f ( P3p ) Ps
P3p P3p P3p
Unidad Aceleradora
% Ac PCte P3p = f ( Ac )
P3p
Vlvula Reguladora de presin con escape
P3p
P3p
Vlvula Reguladora de presin con escape
+
+
Unidad Aceleradora
+
Q f ( Pdp ) Val. Divisora
U.aceleradora
Pdp f ( % acel )
Pdp
Vlvula divisora
Orificio primario
Pdp
Vlvula divisora
Orificio primario
Orificio secundario
Combustible para alcanzar distintas potencias
Fuente de aire
Comentario: Para aumentar la sensibilidad de regulacin se utiliza un resorte dbil mas la accin de una fuerza generada por una presin constante actuando sobre un diafragma Presin Constante
Orificio secundario
Combustible para alcanzar distintas potencias
Val.Reg. Presin
Fuente de aire
Lnea de presin Cte.
Aceleracin libre de inestabilidad
Ultima etapa compresor de alta
Desacelerar sin apagado de llama La falta de llama en un proceso de desaceleracin brusca se puede producir por: Quedarse sin combustible el quemador Exceso de aire que vuela la llama Para dar solucin al primer caso se debe asegurar un combustible mnimo en estas circunstancias En el segundo caso se debe realizar una disminucin de caudal de combustible en forma gradual
Desacelerar sin apagado de llama
Quedarse sin combustible el quemador
Desacelerar sin apagado de llama
Exceso de aire que vuela la llama
Combustible para Arranque
Parada Normal - Parada de Emergencia
PROTECCIONES Evitan que los parmetros Tg y velocidades de los conjuntos rotantes superen los valores mximos En esta tarea colabora el sistema de combustible Generalmente las protecciones se realizan en dos niveles: 1 Nivel - correctivo 2 Nivel - para maquina
Esta maquina posee los siguientes niveles y protecciones Temperatura de gases: I y 2 nivel Velocidad turbina poder: 1 y 2 nivel 1 nivel: dos sistemas: Limitador de velocidad mxima Limitador al 105 % 2 nivel: Dos sistemas: Corte al 108 % ( Elctrico ) Corte al 110 % ( Mecnico ) Velocidad conjunto de alta y baja: 1 nivel
Proteccin de la Tg 1 nivel
2 nivel Parada de emergencia
Limitador de velocidad mxima Turbina poder 1nivel
Generador de seal de velocidad
Unidad Aceleradora - Limitadora
Limitador del 105% - Turbina Poder 1 nivel
2 nivel velocidad Turbina Poder Para maquina 1 sistema generador que activa rele parada de emergencia 2 sistema mecnico que activa mecanismo parada de emergencia
Limitacin velocidad conjunto de baja y alta 1 nivel
Limitacin velocidad conjunto de baja y alta 1 nivel
Comentario Final:
Turbina aeronutica de alta velocidad
Ne = 5000 HP RPM Cb 6000 - 14000 RPM Ca 10000 - 17500 RPM 12900
Tg = 750 RPMauts = 5500
Rodillo
Rodillo
Rodillo
Rodillo Rodillo
Bolas
Bolas Rodillo Bolas
Bolas
Circuito Bsico Ne Unidad Aceleradora Val. Divisora Val. Corte
Bomba Q
Bomba de Combustible
Ps
Pdp
P = Cte Unidad aceleradora Vlvula reguladora
P3p
Ps
Pdp
P = Cte
P3p
Ps
Pdp
Quemador Primario
Vlvula divisora P = Cte
Quemador Secundario
Drenaje Pdp
Circuito Bsico
Amortiguar oscilaciones de presin
Apagado de llama
Alimentacin compresor de alta
Aceleracin si inestabilidad
Parada normal y de emergencia
Protecciones Temperatura de Gases: 1 y 2 Nivel Velocidades de los conjuntos Rotantes: Turbina de Poder 1 y 2 Nivel: 1 Nivel: Limitador de Velocidad Mxima Limitador al 105 % 2 Nivel: Elctrico al 108 % Velocidades conjuntos de Baja y Alta: 1 Nivel
Seal de las termocuplas
Seal del generador de velocidad
Solenoide del 105 %
Protecciones Temperatura de Gases: 1 y 2 Nivel Velocidades de los conjuntos Rotantes: Turbina de Poder 1 y 2 Nivel: 1 Nivel: Limitador de Velocidad Mxima Limitador al 105 % 2 Nivel: Elctrico al 108 % Velocidades conjuntos de Baja y Alta: 1 Nivel
Regulador de baja
Ps P=f(n)
Pdp
Tarea Complementaria:
Accionamiento de la vlvula de sangra Utiliza como informacin las velocidades de los conjuntos rotantes del generador Como energa auxiliar para su accionamiento presin de combustible Comportamiento: Se mantiene abierta desde cero a 10500 RPM del compresor de baja Ajusta la velocidad de cierre por variacin de las condiciones de aspiracin
Val. De Purga
Circuito Bsico Ne Unidad Aceleradora
Val. Divisora Val. Corte
Bomba Q
Servo - Vlvula de Sangra
Admisin Bomba
Pa ( nca ) Pb ( ncb )
Pdp
0 =
RPM Compresor de baja < 10500
Admisin Bomba
Pa ( nca ) Pb ( ncb )
Pdp
RPM Compresor de baja > 10500
Admisin Bomba
Pa ( nca ) Pb ( ncb )
Pdp
0 =
RPM Compresor de baja < 10500
RPM Compresor de baja > 10500
Descripcin turbina GEVersin Industrial
Turbina a gas simple - GE -
RPM : 5740 Etapas compresor : 16 Etapas turbinas : 5 Caudal de aire : 56 Kg /seg
Relacin de compresin : 6 a 1 Cmaras de combustin : 6
Turbina a gas simple con regeneracin- GE -
1 - Compresor 3 - Quemadores
4 - Mecanismo Turbina 2 - Regenerador
Vlvula de purga
Quemadores para combustible liquido Aire comprimido
Combustible
Combustible
Intercambiador
Aire comprimido Gases de escape
Intercambiador
Intercambiador
Potencia disponible (Pd) La potencia nominal Pn ( de diseo ), en esta maquina se expresa para: Temp.Ambiente 15 C Presin 760 mm Hg. Depresin en la aspiracin 50 mm.H2O Contrapresion de escape 50 mm. H2O Pd = Pn . 1. 2. 3
Consumo especifico real (Cer) Consumo especifico nominal ( Cen ), en esta maquina esta referido : Temperatura ambiente 15C Depresin en la aspiracin 50 mm. H2O Contrapresion de escape 50 mm. H2O La variacin de presin atmosfrica no influye en el Ce = 100 . 860/ Cer (Cal/Kw.-h)
Cer = Cen. 1. 2. 3 = 100 . 632/ Cer (Cal/HP-h)
Sistema de combustible Liquido y gaseosoTurbina GE
Quemadores maquina acoplada Tablero de vlvulas Turbina
Sistema de Bombas
Sistema de Combustible
Sistema de Bombas Retornos Electro bombas
presin 55 (Kg/Cm2)
Deposito de combustible
Filtros
V. Interceptoras V. Seguridad
A los quemadores
Tablero de vlvulas Acelerador y control (**) de potencia El envi de la bomba puede ira: Quemadores Retorno por: (*) (**) Alimentacin a presin Vlvula de (*) Arranque (***)
Vlvula de (***) corte Retornos
A los quemadores
Tablero de vlvulas Acelerador y control de potencia
Vlvula de corte Retornos
Vlvula de corte cerrada y Bombas en funcionamiento
Alimentacin a presin Vlvula de Arranque
A los quemadores
Tablero de vlvulas Acelerador y control de potencia
Vlvula de corte Retornos
Proceso de Arranque
Alimentacin a presin Vlvula de Arranque
A Alimentacion a presion Cte Mando de la Vlvula de Arranque B Presion de descarga del compresor
A los quemadores
Tablero de vlvulas Acelerador y control de potencia
Vlvula de corte Retornos
Proceso de Aceleracin y regulacin de potencia
Alimentacin a presin Vlvula de Arranque
Acelerador y control de potencia Vlvula Acelerador y regulador
Servo
Proteccin de temperatura
Proteccin de Inestabilidad
maquina acoplada Tablero de vlvulas
Turbina
Sistema de Bombas
Sistema de Combustible
Sistema de combustible gaseoso
Planta compresora y/o reguladora Circuito de la maquina
Planta reguladora
REGULADORES DE VELOCIDADFUNCION PRIMARIA: Mantener las R.P.M. constante de un grupo: MAQUINA MOTRIZ - MAQUINA ARRASTRADA
Recordar: Cupla motriz (Par, Torque) Cupla resistente Comportamiento: Cm = Cr n estable n=0 n=0 Cm = Cr n inestable > < n=0 n = cte acelera desacelera
Cr es funcin de la cargaCm si es : - Motor Diesel: - Turbina a gas:
Posicin cremallera Cantidad combustible
- Turbina a vapor: Cantidad de vapor
Obs: Cm = f(x)
Componentes bsicos
Comparador
Accin
Servo
n
x
n0Transductor Regulador
Sistema a controlar
COMPORTAMIENTO
Funcin primaria:
-
Mantener n estable para cargas constantes
- Cuando vare la carga, restablecer rpidamente la condicin de n estable con transitorios acotados en excesos pico y duracin ( estos los impone la mquina arrastrada )
CARGA
tiempo n(RPM) +n -n tiempo DURACION
COMPORTAMIENTOEsttico nv nc nv Asttico nc
0
Carga
100%
0
Carga
100%
% de CV = ( nv nc ) / nv
FUNCIN COMPLEMENTARIA Poder variar la velocidad de referencia en forma rpida y/o con precisin Limitar la velocidad ordenada entre un valor mnimo y mximo Si el grupo trabaja en paralelo con otro/s , repartir carga segn ley prefijada: Igual transitorio % cada velocidad segn ley
Ejemplos de reparticin de carga:nv nc nv nc
0
L1
100%
0
L1
100%
L1=L1+L1
Ejemplos de reparticin de carga:nv nc nv nc
L L2
L 0 L1 L2 100%
0
L1
100%
L1=La+Lb La = Lb Lc = Ld
L2=Lc+Ld
nv
Cadas de velocidades distintas nc nv
nc
L1 0 100%
L2 0 100%
L=L1+L2 L1 > L2
nv no L1
nc
nv
nc
L2 100%
100% 0 L=L3+L2
0
nv no L1 L3
nc
nv
nc
L2 100% 0 100%
0
L=L1+L2 L=L3+L2
Reparticin Carga y recuperacin de nonv nc
3 1 2
carga 0 L1 L2 100%
Entrar en paralelonv no nc nv nc
0
L
100
0
100
no 2
1
1
2
0
L/2
L
100 L
0
L/2
100
ESQUEMA EXTERNO
Orden del acelerador
0
10%
-
+
Variable X
REGULADOR ELEMENTAL
Comparador
Accin de control y Amplificador
Comparador - Mecnico El estado de equilibrio se alcanza cuando la accin de F y P sobre O es la misma P F = f(n)
no
O +n 0 -n
El equilibrio se rompe por variacin de n o P
Comparador - Mecnico Disminucin de n
P F = f(n)
+n 0 -n
Comparador - Mecnico Aumento de n
P F = f(n)
+n 0 -n
Accin de control y Amplificador
-X
Accin de control y Amplificador
+X
Cm = Cr
- n Cte.
Aumento de Cr Disminuye n +X
+X
Disminucin de Cr Aumento de n -X
-X
Aumento de n
+X
Disminucin de n
-X
Comportamiento:
- Admite variar no - La sensibilidad depende de: - Inercia - Friccin interna -R
Comparador - Mecnico El estado de equilibrio se alcanza cuando la accin de F y P sobre O es la misma P F = f(n)
no
O
0 R - Fuerza que se opone al movimiento, menos sensibilidad
Los excesos pico y duracin del transitorio se magnifican cuando: - Existen bajas inercias rotantes - Altas potencias especficas - Bruscas variaciones de carga . - Baja sensibilidad
Clasificacin de los reguladores Medio ACCION A TOMAR Y AMPLIFICADOR MECANICO HIDRAULICONEUMATICO
COMPARADOR MECNICO HIDRULICO ELECTRNICO NEUMATICO
Grupo Generador KAWASAKI
Caractersticas Identificacin: GPB - 40
Prestaciones: Generador para potencia de Base Potencia: 5000 KVA - 4000 KW (condiciones Estndar ) Entra en servicio en 40 seg. Tensin 6.600 Volts 4 Polos 50 Hz - 1500 RPM
Modulo de Generacin: 2 Turbina a Gas Kawasaki M1A 23A Generador Trifsico Siemens Base unificada con caja reductora de dos entradas, una salida de potencia y accionamientos de accesorios Sistemas Auxiliares
Panel de Control: Panel de Control de Generacin Panel de Bateras para Control y Arranque
Turbina a Gas
Turbina a Gas
M1A - 23
M1A - 23
Caja reductora Caja de accesorios
Generador N = 4000 Kw
Caja de accesoriosEntrada Salida Entrada
Caja reductora Caja reductora y de accesorios
Reductor
Satelite
Pion
Corona
Caja ReductoraCorona Satelite Pion
Enlace entre reductorasCorona
Engranaje para el enlace
Caja de accesoriosEntrada Salida Entrada
Caja reductora
Arranque
Rueda Libre
Arranque
Bomba Actuador
Bomba de aceite
Bomba de aceite
Caja reductora y de accesorios
Turbina a Gas Kawasaki - M1A - 23
Turbina a GasTipo: Compresor:
M1A - 23
Ciclo abierto un eje Centrifugo de dos etapas
Camara de Combustion: Simple Mecanismo Turbina: Refrigeracion: Cojinetes: Axial de cuatro etapas I y 2 etapa Deslizamiento
Relacion de compresion: 11,5 a 1 Rendimiento: Potencia: Velocidad: 27,5 % 2190 KW 22000 RPM
Turbina a Gas Kawasaki M1A - 23Tubo de Llama Difusores Compresores
quemador
Bujia
Entrada de Aire
Toberas
Eje de salida Rodete Compresores
Rueda Turbina
Conjunto Rotante Montado sobre Rodamientos Montado sobre cojineter eso r mp Co Ejeue R sd da e ina urb la T
Aspiracion y 1 Etapa
2 Etapa
Zona Caliente
Quemador Envuelta Tubo de Llama
Cmara de Combustin Bujia
Sistemas Auxiliares Sistema de Lubricacion Sistema de combustible Sistema de Arranque Sistema de Encendido Sistema de Regulacion Sistema Electrico
Sistema de LubricacinCircuito de distribucin de aceite con circulacin forzada por dos bombas de engranajes, accionadas por los trenes reductores Posee control de baja presin y temperatura de aceite El deposito es la parte inferior de la caja reductora, posee alarma por nivel mnimo 120 litros Posee dos bombas para prelubricacion una con accionamiento electrico y la otra con accionamiento manual
Bomba Actuador
Actuador
Venteo
Filtro de admision 105 Bomba principal de engranajes
DistribuidorFiltro Val, Termostatica Refrig.r Val, Seg Bomba Filtro
Val.Seg. 9 Kg/Cm2 Val. Termostatica 76 90 C Filtro de descarga 5 Presion Distribuidor Val.Seg. 3,5 Kg/Cm2 Interruptor baja presion 1,5 Kg/Cm2 Circuito de lubricacin
Circuito de lubricacin
Circuito de Prelubricacin
Sistema de CombustibleRequiere una fuente de alimentacin de gas a una presin de 14,5 Kg./cm2 con alarma por falta de presin El gas debe poseer un poder calorfico inferior entre 4000 y 10000Kcal/m3 No debe poseer ni vestigio de agua y gases de hidrocarburos condensable El contenido de azufre en peso debe ser menor que el 1% para gases con 10000 Kcal/Hg El contenido de partculas mximo es de 30 ppm y su tamao mximo de 10
P = 14.5Kg/cm2
Actuador Elec-Hidrulico Vlvula de potencia y de aceleracin Sist.Principal Val.Corte Sist.Piloto
Valvula Alimentacion Val.Piloto Sistema de combustible gaseoso Un sistema para las dos maquinas El sistema provee combustible piloto y principal
Vlvula de potencia y de aceleracinPresion de descarga del Compresor Limitador de combustimle Al Quemador Principal
De la Valvula Corte
Esquema de Comando de las Vlvulas Solenoide
RPM
100 %
22 % 5% Valvula Piloto Valvula de Principal
Sistema de ArranqueCon cuatro motores electricos de 40 Kw de potencia cada uno - dos por turbina se provee potencia para el arranque y permite arrastrar las turbinas hasta la velocidad de autosustentamiento 55 % Para reducir el amperaje durante el arranque se intercalan en forma automatica unas resitencia en serie La fuente de energia son baterias de 60 V con dispositivos de recarga automatica El numero de intento de ciclos de arranques se encuentra limitado 5 con maquina caliente y 6 para maquina fria. Tres son los procesos de venteo permitido de 25 seg de duracion. En todos los casos con un minuto de intervalo
Sistema de EncendidoPosee una buja por cmara alimentada con una tensin de 15000 Volts La tensin se produce mediante un circuito electrnico ( Caja de encendido ) que se alimenta con 24 V de CC Existe una caja por buja y turbina Para evitar recalentamientos no se permiten mas de 5 periodos de usos de un minuto por uno de intervalo
Sistema de RegulacinEsta compuesto por un Regulador electrnico que controla un actuador electro hidrulico del tipo EG 3 con motor hidrulico El motor se utiliza para mantener en movimiento la vlvula hidrulica y reducir su friccin El actuador debe ser alimentado con aceite a una presin de 9 10 Kg/cm2 y con un caudal de 15 litros por minuto
EG 3
Sistema ElctricoContiene los siguientes circuitos: Circuito de sensores Circuito de encendido Circuito de comando de las vlvulas de combustible Circuito de arranque Circuito de virado
Circuito de sensoresContiene los siguientes sensore: Sensor magntico para determinar la velocidad de la maquina para el automatismo de control de operacin Sensor magntico para determinar la velocidad del eje de salida para el regulador Sensor de temperatura de escape, para ello se utilizan 4 termocuplas en paralelo ubicadas en la descarga de la turbina y conectadas en oposicin con la termocupla ubicada en la admisin De esta forma la temperatura de escape es funcin de la carga e casi independiente de la variaciones de la temperatura de admisin
Sensor de temperatura para el: aceite de alimentacin aceite de retorno de los cojinetes Sensor de temperatura para el aire admitido Se utiliza para disminuir la potencia de la maquina cuando se supera la condicin estndar
Circuito de encendidoAlimenta las cajas electrnicas de encendido con 24 V de CC, durante el ciclo de arranque entre cero y el 55 % de la velocidad de la maquina
Circuito de comando de las vlvulas de combustiblesAlimenta con 24 V CC las solenoide de las vlvulas: Piloto que controla la vlvula principal De combustible piloto
Circuito de ArranqueAlimenta con 24 V CC las solenoide de los: interruptores principal de arranque De los relay de las resistencias de arranque
Circuito de viradoAlimenta con 24 V CC el motor elctrico de 3000 RPM para realizar el virado de la maquina, durante 10 Horas despus de la parada de la misma para obtener un enfriamiento uniforme. Durante este periodo si es necesario poner en marcha la maquina, se suspende el virado y se esta en condiciones para efectuar el ciclo de arranque El virador se comanda en forma manual o en automtico. En este caso en el ciclo de parada cuando la velocidad alcanza el 55 % de la velocidad en el proceso de detencin el virador entra en funcionamiento en forma automtica por 10 Horas Y si durante este periodo se necesita arrancar la maquina al pasar por 55 % se para el virador automticamente
ComentarioSi el virador esta fuera de servicio, y pasan 10 minutos desde la parada,algunos de los siguientes procedimiento se deben cumplir para arrancar nuevamente la maquina: Esperar 10 horas Realizar ciclos de venteo Virar a mano
Actuador Regulador
Sistema Encendido
Arranque N 1-2
ArranqueN 3-4
Baterias 60 V
Controlador Arranque N 1-4
BateriasSensor Sensor RPM Instrumentos
Baja Temperatura Presion Aceites Aceites Temperatura Gases
24 V Caja Control
RPM Regulador
Valvula Solenoide Arranque
Valvula Solenoide Principal Control
Valvula Solenoide By-Pass Motor Virador
Panel Sistema ElctricoVirador
Sistema de ControlContiene los siguientes sistemas: Panel de operacion Caja de control ( EBC ) Cableado ( Entre turbina y EBC )
Panel de operacinContiene los siguientes elementos: Indicador de velocidad Indicador de temperatura de escape Indicador de temperatura de aceite Correccin de velocidad Indicadores lumnicos Botn para: Arranque, Parada, Purga, Parada de Emergencia y Reset
Caja de control ( EBC )La caja de control contiene todo el software necesario para la operacin y proteccin del grupo generador Esta conectada con el panel de operacin, recibe informacin de los distintos sensores y comanda los sistemas auxiliares Necesita una alimentacin de 24 V CC y para asegurar confiabilidad en su funcionamiento las condiciones ambientales deben estar entre los siguientes valores : Temperatura ambiente 10 50 C Humedad relativa menor a 95 %
Operacin del grupo Puede ser puesta en marcha a distancia o en forma automtica desde el panel de operaciones ( Ver grafico de secuencia ) Idem para detencin La maquina esta protegida con parada inmediata por las siguientes variables: Alta temperatura de escape Baja presin de lubricacin Sobre velocidad Falla de arranque
Secuencia de Arranque Automatico
Representacion de los eventos
RPM 100%
Tiempo
Secuencia de Arranque Automatico
Prelubric Arranque Encendido Valvula Principal Valvula Arranque RPM 100% 95% 55% 22% 5% Inicia excitacion Inicia Purga Inicia el Arranque
Tiempo
Disponibilidad de potencia
12 C
Turbina a Gas M1A 23 Rotor montado sobre cojinete de friccion Potencia maxima continua: 2000KW hasta 12 C Sin perdidas de escape y admision Y al nivel del mar
19 C
27 C
Turbina a Gas M1A - 23 Rotor montado sobre Rodamiento Potencia maxima continua: 2000 KW hasta 19 C Potencia maxima de Pico: 2000 KW hasta a 27 C Sin perdidas de escape y admision Y al nivel del mar