TURBINAS A GAS
TURBINAS A GASEDUARDO SANES
CENTRALES ELECTRICASCENTRALES ELECTRICASUna central productora
de energa es cualquier instalacin que tenga como funcin transformar
energa potencial en trabajo. Las centrales elctricas son las
diferentes plantas encargadas de la produccin de energa elctrica y
se sitan, generalmente, en las cercanas de fuentes de energa bsicas
(ros, yacimientos de carbn, etc.). Tambin pueden ubicarse prximas a
las grandes ciudades y zonas industriales, donde el consumo de
energa es elevado.
FUENTES DE ENERGIATIPOS DE CENTRALESLos diferentes tipos de
centrales elctricas dependen de las distintas materias primas
empleadas para obtener la energa elctrica.
CENTRALES HIDROELCTRICASEl costo de construccin de estas
centrales es elevado 1200 1800 $/KW, pero se compensan con los
bajos gastos de explotacin y mantenimiento. Como consecuencia de
esto, las centrales hidrulicas son las ms rentables en comparacin
con los restantes tipos. Estas centrales suelen ubicarse lejos de
los grandes centros de consumo y el lugar de asentamiento de las
mismas est condicionado por las caractersticas del terreno. Las
turbinas hidrulicas son accionadas por el agua como consecuencia de
la energa cintica o a la de presin que ha desarrollado en su
descenso. Los modelos ms relevantes de estas mquinas motrices son
las turbinas Pelton, Francis, Kaplan y de hlice.CENTRALES
NUCLEARESLa produccin de energa se logra mediante la transformacin
previa de la energa nuclear.Un combustible nuclear, el uranio, y un
reactor nuclear reemplazan a los combustibles y a la caldera de la
central trmica. En el reactor tiene lugar la fisin del uranio
(rotura en cadena de los ncleos de los tomos de este elemento
qumico), que al liberar una gran cantidad de energa origina el
calor preciso para la obtencin del vapor de agua. Los tres
combustibles fisionables conocidos son: uranio 235, plutonio 239 y
uranio 233. El primero de estos combustibles es el nico que se
encuentra disponible en la naturaleza. Las centrales nucleares o
termonucleares utilizan las turbinas de vapor como maquinas
motrices. El costo de construccin de estas centrales es
extremadamente elevado aproximadamente entre 4500 5500 $/KW.
Centrales MAREOMOTRICESLa energa elctrica es consecuencia de la
energa de las mareas. Parten del cambio de nivel peridico y las
corrientes de agua de mares, ocanos, lagos, etc.Cuando la marea est
alta, se retiene agua del mar en la zona de embalse; al bajar la
marea, el agua retorna al mar a travs de las maquinas, haciendo
funcionar las mismas.El conjunto de "mquina motriz generador" se
denomina grupo-bulbo y en su interior se ubican un generador, los
equipos correspondientes y una hlice (turbina elctrica del tipo
Kaplan de eje horizontal o inclinado).El costo de construccin de
estas centrales es an incierto ya que existen prototipos montadas
para estudio, pero se estima que su costo de montaje estar entre
7500 8500 $/KW).
Centrales GEOTRMICASLas altas temperaturas que existen en el
interior del globo terrqueo producen un vapor natural a
200Caproximadamente. Esta energa trmica acciona directamente las
turbinas de vapor de las centrales geotrmicas. El subsuelo
terrestre es una reserva de energa prcticamente inagotable, pero es
de difcil acceso y por lo tanto poco aprovechable. El costo de
construccin est entre 2500 4000 $/KW).
Centrales EOLICASEstas centrales utilizan a los vientos o
corrientes de aire para generar la energa elctrica. Su utilizacin
se limita a situaciones especiales debido a que la obtencin de
energa elctrica a travs de estas centrales, tiene un elevado costo.
El viento puede ser aprovechado a partir de ciertas velocidades
(mnima 6 m/s), solo en las centrales elicas de un tamao
considerable. Los aerogeneradores o turbinas elicas son aquellas
mquinas que superan algunas decenas de kW. An se desconoce la
manera de regular la produccin que estas mquinas aportan El costo
de asociado est entre 1300 1600 $/KW).
Centrales solares heliotermicasLa energa luminosa y trmica
proviene del Sol en forma de radiacin electromagntica es
transformada en energa elctrica mediante el empleo de clulas. La
irradiacin solar equivale a 1 kW/m2 siempre que el tiempo se
encuentre despejado. La obtencin de este tipo de energa es muy
irregular, debido a que depende de las variaciones horarias y
estacionales y de las modificaciones en la nubosidad.. El costo de
construccin est entre 1600 2000 $/KW).
Centrales solares fotovoltaicasEl elemento bsico de una central
fotovoltaica es el conjunto de clulas fotovoltaicas, que captan la
energa solar, transformndola en corriente elctrica continua
mediante el efecto fotoelctrico. Estn integradas, primero, en
mdulos y luego se forman con ellos los paneles fotovoltaicos. La
produccin de electricidad de dichas clulas depende de las
condiciones meteorolgicas existentes en cada momento,
fundamentalmente de la radiacin solar. Dichas condiciones son
medidas y analizadas con la ayuda de una estacin meteorolgica. Como
la energa elctrica que circula por la red de transporte lo hace en
forma de corriente alterna, la corriente continua generada en los
paneles solares debe ser transformada a corriente alterna. Por lo
que la corriente directa se hace pasar por un inversor, con lo que
se tiene corriente alterna. El costo de construccin est entre 2300
2900 $/KW).
Centrales TRMICASLa fuente energtica de estas centrales, est
constituido por los distintos combustibles slidos (carbn mineral);
lquidos (disel, petrleo residual), originados en la refinacin del
petrleo crudo); y gaseosos (gas natural). La energa elctrica surge
como consecuencia de la energa trmica de combustin.
Los tipos de centrales trmicas son:
Central trmica de turbinas a gas (600 -750 $/kW).Central trmica
de turbinas a vapor (1000 -1200 $/kW).Central trmica de ciclo
combinado (750 -1000 $/kW).Central trmica con grupos fuel (400 -550
$/kW).
Central Trmica de Ciclo Combinado
CENTRALES trmica con turbina a gasTURBINAS 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.Utilizan como ciclo de potencia el CICLO BRAYTON y el fluido
de trabajo son los GASES DE COMBUSTIN, los cuales son generados
mediante la combustin del gas en la cmara de combustin intermedia
entre el compresor para el aire y la turbina de expansin. Las
partes de una central trmica a gas son:Compresor.Cmara de
combustin.Turbina.
COMPRESORCOMPRESOR DE LA TURBINA A GAS Compresor Centrfugo
Compresor Axial
Se encarga de comprimir el aire, antes de introducirlo en la
cmara de combustin. El empuje aumenta cuanto mayor es la compresin
(mayor ratio de compresin).
Ventajas y desventajasCOMPRESOR CENTRIFUGOLas ventajas:Barato y
fcil de construir Ms robusto (menos susceptible al FOD, prdida del
compresor y surge1).Eficiente para aplicaciones pequeas (pequeos
reactores, turbo-hlice). Es ms pequeo y pesa menos.Las desventajas:
Seccin frontal elevada.RC bajos.COMPRESOR AXIALLas ventajas:Mayor
gasto msico (G). Por tanto, mayor empuje. Mayor relacin
potencia/peso. Mayores RC. Mayor eficiencia (80-90% comparado con
el 75-80% de los centrfugos). xLas desventajas: Gran
complejidad.Elevado coste.Ms susceptible a FOD, prdida de compresor
y surge.labes guas de INGRESO (igv)El aire al entrar en la primera
etapa del compresor es orientado por los labes guas de entrada de
manera que fluya en la direccin correcta para ser recogido por los
labes de rotor. Los labes guas de entrada son similares a los labes
de estator, pero estn diseados para tener un efecto mnimo sobre la
velocidad o presin del aire que entra.En la mayora de los motores
los labes guas de entrada son fijos, pero en algunos estos son
variables y pueden ajustar su ngulo automticamente para minimizar
la posibilidad de stall.
PRINCIPALES AVERIAS EN COMPRESORESSuciedad (fouling).Congelacin
de agua en las primeras filas de labes fijos (Icing).Compressor
surge.Entrada de un objeto extrao (FOD) o rotura de elemento
interno (DOD).Fracturas en labes (cracking).Roces entre labes
mviles y estator (rubbing)
CAMARA DE COMBUSTIONCmara de CombustinEl objetivo de la cmara de
combustin es contener la mezcla de aire combustible y extraer el
mximo poder calorfico con una presin constante. La energa necesaria
para hacer funcionar el motor se extrae del combustible mediante un
proceso termodinmico de combustin que tiene lugar en la cmara de
combustin. La energa calorfica que se produce en este proceso es
comunicada al flujo de aire (y gases producto de la combustin) que
atraviesa el motor elevando sustancialmente su temperatura.AIRE
PRIMARIO: El 20% del aire se utiliza en la combustin, mezclado con
combustible. Propsito combustin.AIRE SECUNDARIO: El 20% del aire
entra por unos agujeros que entran en la cmara, creando unos
torbellinos al mezclarse con el aire primario y el combustible
hacen que explosione mejor. Propsito formacin de vrtices (mejorar
combustin).AIRE TERCIARIO: El resto del aire que no entra por los
agujeros, se mezcla con el aire que sale a 2000C para enfriarlo
hasta 1000 1500C. Propsito refrigeracin.
TIPOS DE CAMARA DE COMBUSTIONTIPO CANPrimeros motores de
compresores axiales, actualmente slo se utilizan en compresores
centrfugos. Situada alrededor del eje en el hueco entre el
compresor y la turbina. Inconvenientes Prdida de masa de aire
(divisin viene del compresor) Prdida de eficiencia de combustin
porque hay menos aire.Tubo de salida doblada para reducir la
longitud del motor, pero por otro lado aumenta seccin transversal
(anchura), se utiliza en aeronaves que necesiten motores compactos
(helicpteros). Motores de compresor centrfugo (ms grandes y anchos,
aprovechamos anchura para quitarle longitud).
TIPO ANULARSe utilizan en compresores axiales, slo un tubo y
aprovecha ms el espacio (ms cantidad de masa de aire). Serie de
inyectores de combustible (entre 12 y 20) situados en la periferia.
Ventajas Espacio turbina y compresor se aprovecha al mximo, seccin
frontal puede ser ms pequea. Rendimiento ms alto al estar todo
dentro de la CC, la mezcla aire-combustible se mezcla mejor.
Menores prdidas de presin Mejor refrigeracin gases durante la
combustin. Longitud 75% menor que la tubular. El combustible no
quemado se elimina y el CO (txico) se convierte en CO2 (no
txico).Consiguen una buena refrigeracin de los gases de combustin y
bajas perdidas de cargaTIPOS DE CAMARA DE COMBUSTIONCAMARA
ANULARInconvenientes Distribucin de combustible menos uniforme a
pesar de utilizar tantos inyectores (seccin ms grande).
Estructuralmente ms dbil: nica lmina, ms fina, el calor (al ser
mayor) la debilita ms; se puede producir deformaciones de las
paredes por la combustin. Mayor tiempo y costo de mantenimiento.
Distribucin de temperaturas y mezcla aire/combustible es menos
uniforme que en las CAN - ANULAR.
CAMARA ANULAR
TIPOS DE CAMARA DE COMBUSTIONCAN ANULAREs una mezcla de la can y
la anular, la parte anterior de esta cmara es idntica al conjunto
de cmaras individuales, y termina conectando al final con un
conducto anular anlogo al de la parte posterior de las cmaras
anulares, que es el que se encarga de recoger y homogeneizar antes
de que entren en la turbina los gases de combustinproducidos en
cada una de las partes individuales (piezas de transicin).Se tiene
aqu la misma ventaja que en el conjunto de cmaras individuales de
que la parte anterior de cada una de los tubos de llama
independientes puede ser desmontada para su mantenimiento sin
necesidad de desmontar el motor.Adems cada parte similar a las
cmaras individuales es ms corta que era en estas, con lo que las
prdidas de presin en ellas (una de las desventajas de las cmaras
independientes) tambin es menor.Can anularTampoco se tiene la
desventaja que se presenta en los conjuntos de cmaras individuales
de falta de homogeneidad de temperatura de los gases a la salida de
la cmara cuando falla alguno de los inyectores, puesto que esa
homogeneidad se consigue, incluso en caso de que falle, en la parte
anular de la cmara.
Partes de la cmara de combustin can - anular
Combustion Gas DischargeCompressor DischargePABCPreparado por
Alejandro AyrasAveras tpicas en cmara de combustinTemperatura
excesiva (Overfiring).Pulsacin de llama (pulsation).Apagado de
llama (flameout).Rotura en la pieza de transicin.Rotura de las
toberas de inyeccin de gas.
TURBINAturbinaEl objetivo de la Turbina es pasar la energa de
los gases de la combustin, en energa mecnica para mover el
compresor, y el remanente de la energa cintica para generar energa
elctrica en el generador.Extrae la energa de los gases calientes
(potencial + cintica) y la convierte en energa mecnica. Gracias a
esta energa, la turbina incrementa la velocidad y transmite ese
movimiento al compresor y al generador. Turbina, ciclo de expansin:
Velocidad T disminuye Volumen Presin disminuye Prdidas La media de
prdidas del motor de turbina es del 8%. Es sistema muy eficiente.
Las prdidas se resumen en: 3,5% labes; 1,5% aletas de guiado; 2%
sistema de escape.
Los alabes DE LA turbinaALABESDiseo que debe soportar gran estrs
trmico.Refrigeracin de los labes el calor es transferido desde la
superficie del labe al aire refrigerante mediante mtodos
convectivos, o por el paso de aire por la superficie interna a
travs de orificios existentes en los labes.Materiales: Aleaciones
en base a Niquel. Pequeos contenidos de cromo mejoran mucho su
resistencia a la corrosin. Se utilizan labes monocristalinos para
evitar problemas de bordes de granos, que por las condiciones de
operacin generan problemas de creep, fatiga, stress, etc.
ALABES MOVILES (BLADES)
ALABES FIJOS (VANES)
Averas tpicas en LA turbinaRotura de labes.Fisuras en labes.FOD
y DOD.Temperatura excesiva (Overfiring).Prdida de material cermico
(TBC Expalation).
CICLO TERMODINAMICO BRAYTONCICLO BRAYTON DE TURBINAS A GASEn el
ao 1873 GEORGE BRAYTON (1830 1892) expuso el principio de
funcionamiento del ciclo que lleva su nombre.Si bien se le llama
ciclo termodinmico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un
ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que
egresa son gases de combustin, o sea en un estado diferente al que
se tenia cuando se inici el proceso, por eso se dice que es un
ciclo abierto.Las turbinas a gas son mquinas trmicas rotativas de
combustin interna a flujo continuo cuyo esquema se representa en la
siguiente figura.
ANALISIS DEL CICLO BRAYTON
Las transformaciones tericas que se realizan en el ciclo son las
siguientes:La compresin 1-2 representa la compresin isoentrpica del
aire que se realiza en el compresor axial.La transformacin 2-3
representa el proceso de combustin a presin constante donde se
produce el aporte de calor (Q suministrado) del medio al sistema
debido a la oxidacin del combustible inyectado en el punto 2.La
transformacin 3-4 representa la expansin isoentrpica de los gases
de combustin que se desarrolla en la turbina.No existe la
transformacin 4-1. En los diagramas se representa solo a modo de
cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como se ha
explicado anteriormente, un ciclo abierto.Podemos interpretar que
del punto 3 a 4 se produce la devolucin de calor (Q devuelto) del
sistema al medio, es decir la prdida de calor al ambiente a travs
de los gases de escape de la turbina.DIAGRAMA DE FLUJO DEL CICLO
BRAYTON CURVAS P-V Y T-S
ANALISIS DEL CICLO BRAYTONANALISIS DEL CICLO BRAYTON
ANALISIS DEL CICLO BRAYTON
ANALISIS DEL CICLO BRAYTON
Considerando que el aire est en condiciones estndar y fro, se
cumple que los calores especficos son constantes, e igual a su
valor a temperatura ambiente.
DIAGRAMA DE FLUJO DEL CICLO BRAYTON CURVAS P-V Y T-SCalor
Absorbido (32)Calor Cedido (14)Trabajo en el Compresor (21)Trabajo
en la Turbina (34)EJERCICIOS
Resolverlo por las dos formas, considerando al aire como gas
ideal, y con las tablas del aire a diversas temperaturas.ANALISIS
DEL CICLO REAL BRAYTONSabemos que en toda mquina trmica el
rendimiento y la potencia del ciclo real siempre son inferiores a
los del ciclo terico por varias razones, tales como:La compresin no
es isoentrpica.La expansin no es isoentrpica.En todo el sistema se
producen prdidas de presin.El proceso de la combustin es
incompleto, por lo cual no toda la energa qumica contenida en el
combustible es liberada en ella como energa calrica, debido a la
presencia de inquemados.Existen prdidas por radiacin y conveccin a
travs de todo el cuerpo de la mquina.Existen prdidas de energa
cintica a travs de los gases de escape la cual no se utiliza en las
mquinas industrialesANALISIS DEL CICLO BRAYTON
CURVAS T-S DEL CICLO REAL BRAYTONEJERCICIOS
Hallar la eficiencia del ciclo, el trabajo real de la turbina y
del compresor, considerando que la eficiencia del compresor es 0.8
y de la turbina 0.85.TURBINA A GAS SIEMENS SGT6 5000F (4)
CENTRAL TERMICA A GAS
_1053328005.unknown
