Turbinas de Combustión

Definicion

Una turbina de gas, es una turbomaquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Las turbinas de gas son turbomáquinas térmicas y se caracteriza por tener una baja relación peso-potencia y velocidad de giro muy elevada.

Origen

La primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la cámara de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansión multietapa.

Tipos de turbinas de gas

Pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes.

Según el origen de desarrollo:

Aeroderivadas: Son aquellas turbinas diseñadas para propulsar aviones, son compactas, robustas, tienen una alta relación potencia/peso, son versátiles de operar.

Industriales: Son turbinas diseñadas desde su origen para uso industrial por lo que su peso y tamaño es mayor al no estar limitadas por su lugar de utilización. Con ellas se busca grandes potencias y se busca que operen el mayor tiempo posible de forma constante.

Dependiendo de su tipo de cámara de combustión las podemos clasificar en tres categorías:

Cámaras de combustión tipo Silo: Este tipo de turbinas tienen la cámara de combustión fuera del eje que une la turbina y el compresor, puesto en la parte superior, los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta.

Cámaras de combustión Anulares: En este tipo de cámara de combustión, la cámara forma un anillo continuo alrededor del eje entre el compresor y la turbina, los quemadores los tiene dispuestos a lo largo de todo el anillo

Cámaras de combustión Tuboanulares: Este tipo de cámaras de combustión esta formada por una serie de cilindros puestos alrededor del eje cada uno con su quemador y sistema de encendido.

Dependiendo del número de ejes las podemos clasificar como:

Monoeje: En este tipo de turbinas el compresor, turbina y generador, están todo unidos en el mismo rotor girando de forma solidaria, son las más comunes para uso de generación eléctrica.

Multieje: Este tipo de turbinas esta dividido el eje en dos,  un eje en el que esta el compresor y la turbina de alta, que es la encargada de impulsar al compresor. En el otro eje se encuentran la turbina de potencia que es la que mueve el generador. Este tipo de configuración se usa en turbinas aeroderivadas y de pequeña potencia.

Formas Constructivas

Sus partes principales son :

Compresor

Cámara de combustión

Turbina de expansión

Carcasa

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

Compresor

Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión.

Cámara de combustión

A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar.Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina

Están diseñadas mediante una doble cámara:

-Cámara exterior

-Cámara interior

Turbina de expansión

Esta diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional.

Esquemas de operación

Sistema abierto

Sistema cerrado

TURBINA DE GAS CON REGENERADOR

VentajasSobre turbinas de

vapor:

 

Instalaciones mas compactas

Menos dispositivos auxiliares

No necesitan condensador

No necesitan agua

Lubricación más simple

Fácil control

Cimientos ligeros

Escape limpio (no necesita chimenea)

Relación peso / potencia mas pequeña

Sobre motores de émbolo para

aviación:

Empleo de Keroseno o destilados

Menor peligro de incendio

No existen fuerzas desequilibradas

Menos piezas en movimiento

Facilidad de instalación

Menor superficie frontal

Menor peso por H.P.

Problemas de refrigeración más simples

DesventajasBajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a:

1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495oC a 560 oC

2. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las 3⁄4 partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina

Áreas de aplicación

Propulsión de aviones con motores turborreactores y de hélice

Propulsión de barcos rápidos, locomotoras y vehículos de carga rápidos

Propulsión de generadores eléctricos en centrales energéticas

Propulsión de compresores y bombas en la extracción de gas natural y aceite

Mantenimiento de Turbinas de Gas

Podemos dividir las actividades de mantenimiento de la turbina de gas en tres grandes grupos: mantenimiento rutinario, inspecciones y grandes revisiones.

Mantenimiento rutinario

 Vigilancia de parámetros (temperaturas en las cámaras de combustión, presión y temperatura del compresor de la turbina, niveles de vibración en cojinetes, presión y temperatura del aceite de lubricación, caudal y temperatura del aire de refrigeración, caída de presión en los filtros de aire de admisión y temperatura en el escape, como parámetros más importantes)

Análisis del aceite de lubricación. Filtrado y/o sustitución cuando corresponde

Calibración de la instrumentación (presiones, temperaturas y caudales, fundamentalmente)

Comprobaciones del sistema contraincendios

Inspecciones

Inspecciones boroscópicas para comprobar el estado de las partes internas de la turbina. Suele comprobarse el estado de las cámaras de combustión y quemadores, y las distintas filas de álabes de la turbina.

Alineamiento de la turbina, si es necesario

Grandes revisiones

Las grandes revisiones suponen la apertura de la turbina y la sustitución de piezas de desgaste.

Sustitución de álabes.

Sustitución completa de la cámara de combustión.

Limpieza manual de los álabes del compresor.

Revisión y reacondicionamiento en su caso de los cojinetes de apoyo.

Revisión completa de todo el sistema de lubricación,

CapacidadesActualmente las turbinas a gas tienen un amplio

rango de capacidad, que oscila entre los 12.5 a los 150 MW en un solo generador.

Localización en el país

Plantas térmicas propiedad de ENEE:

Subestación La Puerta, San Pedro Sula. Turbina Hitachi (turbina de gas) con 18 MW 

Subestación La Puerta, San Pedro Sula. Turbina General Electric (turbina de gas) con 15 MW

Plantas Empresa privada:

Planta PAVANA I de la Empresa LUFUSSA, en San Lorenzo, Valle. Turbina con 39.5 MW (turbina de gas).

Criterios para la Selección

La evaluación térmica de turbinas de gas debe realizarse a las condiciones del sitio en que se instalará el sistema, ya que el considerar solamente la capacidad a condiciones ISO de funcionamiento conduce a estimados irreales de potencia eléctrica generada.

En aquellos casos en que no es conveniente la producción de electricidad y calor en exceso a los requerimientos de la planta (venta de excedentes), las variaciones estacionarias en las demandas de energía pueden ser manejadas de una manera eficiente mediante la implementación de acciones como la operación de la turbina a carga parcial.

EjercicioUna planta de turbina de gas que opera en un ciclo

Brayton con regeneración, entrega 20000 kW a un generador eléctrico. La temperatura máxima es 927 C  y la temperatura mínima es 17 C.

La presión mínima es 95 kPa y la presión máxima es 380 kPa. La eficiencia del regenerador es de 75%. La eficiencia del compresor es de 80% y la de la turbina es 85%.

a) ¿Cuál es la potencia de la turbina?

b) ¿Qué fracción de la potencia de la turbina es usada para mover el compresor?