1 Plantas Propulsoras Navales Propulsión a Turbinas de Gas Componentes Sala de Máquinas TG El Material que contiene el presente Archivo, es de circulac ión interna en la Materia “Plantas Propulsoras Navales”,en la cursada 2016 y fue compilado por Luis R de Pascuale, en base a su experiencia profesional.- Centro de Estudios Mar del Plata Universidad Tecnológica Nacional
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Plantas Propulsoras Navales Propulsión a Turbinas de GasComponentes Sala de Máquinas TG
El Material que contiene el presente Archivo, es decirculación interna en la Materia “Plantas PropulsorasNavales”, en la cursada 2016 y fue compilado porLuis R de Pascuale, en base a su experienciaprofesional.-
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En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primeraTurbina de Gas. Incorporaba una turbina de varias etapas ycompresión en varias etapas con flujo axial probó susmodelos funcionales en los años 1900.
En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en losEstados Unidos para una Turbina de Gas. Esta fue otorgadapero generó mucha controversia.
La Compañía General Electric comenzó su división de
Turbinas de Gas en 1903. Un Ingeniero llamado StanfordMoss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo másnotable fue el Turbo Supercargador ó Turbocargador o bienTurbocompresor.
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El Turbocompresor utilizaba los Gases de Escape de unmotor alternativo para mover una Rueda de Turbina que, a suvez, movía un compresor centrífugo utilizado parasobrecargar. Este elemento hizo posible construir las
primeras Turbinas de Gas confiables.En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaronTurbinas de Gas para la propulsión de aviones. Losalemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a
chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.
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Turbina de GasEl nombre mas adecuado para este tipo de Propulsor deberíaser “Motor de Combustión Interna”, pero para evitarconfusiones los norteamericanos popularizaron el término,“Turbinas a Gas” (Gas Turbine), guardando tal denominaciónpara los Motores Diesel o Nafteros. En Propulsión Naval por
medio de una Turbina a Gas, no es otra cosa que la adopciónde un “Motor Jet” acoplado un eje naval que a través de unaCaja Reductora acciona una Hélice.
En el Reino Unido se comenzó a trabajar en este tipo de Propulsores en
la segunda mitad de la década de 1940 y construyeron la primeraembarcación del mundo con este tipo de propulsión en el año 1953, elHMS Grey Goose. En la década siguiente ya se proyectaron Navíos deGran Porte, exclusivamente, propulsados por Turbinas a Gas.
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Turbina de GasUna Turbina de Gas simple está compuesta de tressecciones principales: un Compresor, una Cámara deCombustión y una Turbina de Potencia. Las Turbinas de Gasoperan en base en el principio del ciclo Brayton, en dondeaire comprimido es mezclado con combustible y quemado
bajo condiciones de presión constante.
Al gas caliente producido por la combustión se le permite suexpansión a través de la Turbina y la hace girar para llevar a
cabo trabajo. En una Turbina de Gas con una eficiencia del33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usacomprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generarelectricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.
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1. Un compresor de flujo axial2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante)3. La turbina a gas4. Sistemas auxiliares para su operación:
a) Sistemas de lubricaciónb) Sistema de alimentación de combustiblec) Sistema de regulación de velocidadd) Sistema de puesta en marcha y paradae) Sistemas de protección de máquinaf) Sistema de acoplamiento hidráulicog) Sistema de virado (virador)
5. Motor de lanzamiento o puesta en Marcha (motor Diésel, oMotor Eléctrico, Motor Neumático o Motor Hidráulico)
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a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño.b) Bajo costo de instalación.
c) Rápida puesta en servicio.d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son losmovimientos roto alternativos de los motores de combustión interna).e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamenteperfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos.
f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores decombustión interna). Lo que arroja mayor vida útil.g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas enmovimiento.h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente.
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i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a másbaja presiones) j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constanteen la cámara de combustión (diferente a los motores de combustióninterna)k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión yturbina propiamente dicha
l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de uncondensador)m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene,gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases decombustión no corroan los álabes o se depositen en ellos
n) El par motor es uniforme y continuo
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Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de
combustible) debido a:
1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la altatemperatura de salida de los gases de escape por chimenea,
entre 495ºC a 560 ºC2. Gran parte de la potencia generada por la turbina esdemandada por el compresor axial, en el orden de las ¾partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina
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Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:
1. Turbinas a gas de acción2. Turbinas a gas de reacción
En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases decombustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/losestadios móviles y fijos de la misma.
De esta manera se produce una transformación de energía de presión aenergía de velocidad (energía cinética) en los gases.
La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos,
permanece constante.
En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gasesde combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadiosmóviles y fijos que componen la misma.
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La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va
disminuyendo.
También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadiosmóviles, en cuyo caso pueden ser:1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)
Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número deejes de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:1. Turbinas a gas de un solo eje2. Turbinas a gas de dos ejes
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En lo sucesivo nos referiremos en especial a compresores axiales. Enel compresor axial, como su nombre lo indica, el flujo de aire es axial,
o sea paralelo al eje del mismo.
El rotor del compresor axial está formado por varias ruedas móvilesdonde los alabes están montados en discos, tal como se observa en elesquema de la diapositiva siguiente.
Las ruedas están ensambladas entre si mediante tornillos guíasaxiales que permiten el apriete correspondiente, formando de estamanera el rotor del compresor axial.
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La compresión del aire se produce al pasar éste a través de un estadiofijo y uno móvil, por lo tanto el compresor está formado por un grannúmero de escalonamientos de compresión.
Como en el caso de las turbinas a gas, o a vapor, los compresoresaxiales pueden ser:a) Compresores axiales de acción
b) Compresores axiales de reacción
La relación de compresión está dada por el cociente entre la presiónde salida del aire del compresor y la presión a su entrada:
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El sistema de combustión provisto en las turbinas a gas pueden ser de
dos tipos:a) Turbinas a gas monocámarab) Turbinas a gas multicámaras
Las turbinas con diseño monocámaras, como es el caso del fabricante
Asea-Brown Boveri (ABB), la cámara se ubica en posiciónperpendicular al eje de la máquina.
En el caso de las turbinas multicámaras, diseño General Electric (GE),las cámaras se ubican en forma concéntricas (paralelas) al eje de la
máquina Las cámaras de combustión de las turbinas a gas han sidoobjetos de permanentes desarrollos a fin de lograr una eficientecombustión y por otro lado asegurar bajas emisiones contaminantes,especialmente en contenidos de óxidos de nitrógeno (NO y NO2)
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En la cámara de combustión se produce la oxidación del combustibledesarrollándose muy altas temperaturas, por arriba de los 3.000 ºF.
Entre las funciones esenciales que debe obtenerse en la cámara decombustión podemos mencionar:a) Estabilizar la llama dentro de una corriente de gases que seencuentran a alta velocidad, de manera que ésta se mantenga estable.
b) Asegurar una corriente de gases continua hacia la turbinac) Mantener una temperatura constante de los gases de combustiónque ingresan a la misma.d) Lograr la máxima eficiencia de combustión, es decir producir lamenor cantidad de inquemados: CO; CH y MP (material particulado u
hollín)e) La caída de presión dentro de la cámara debe ser la menor posiblea fin de minimizar las caídas de presión entre el compresor axial y laturbina.
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El sistema de combustión está formado por: Bujías de encendido Tubos pasa llama, y Detectores de llama
Normalmente se instalan dos bujías y dos detectores de llama.
En el caso de turbinas a gas multi cámaras el encendido se produceen una de las cámaras de combustión creando un aumento de presióndentro de ella, forzando a los gases calientes que se producen a pasara través de los tubos pasa llama al resto de las cámaras, propagandode esta manera la ignición en todas ellas en un tiempo no mayor a 2segundos.
Los detectores de llama, ubicados diametralmente opuestos a lasbujías, constituyen el sistema de detección de llama, emitiendo unaseñal de control cuando el proceso de ignicción ha sido completado.
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La Figura de la siguiente diapositiva, indica un esquema de una
cámara de combustión diseño del fabricante General Electric (GE),donde se observa:a) el ingreso del aire para la combustión,b) el aire para refrigeración del material con que está construido el
tubo de llamas, normalmente de acero inoxidable y
c) el aire de dilución que al incorporarse a la corriente de gasescalientes de la combustión reducen su temperatura al valor para elcual han sido seleccionados los materiales del primer estadio detoberas fijas.
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El rendimiento térmico y la potencia de la Turbina a Gas están
fuertemente influenciados por:a) La relación de compresión yb) La temperatura de los gases de combustión al ingreso a la turbina.
Dado que los aceros super refractarios empiezan a fundir a
aproximadamente a los 2.200 ºF, las partes calientes de la máquinadeben ser refrigeradas, usando para tal propósito gran parte del airedel compresor axial.
El aire extraído del compresor es utilizado para refrigerar, entre otros
componentes calientes, los estadios de toberas fijas y las ruedas dealabes móviles.
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primer estadio fijo de toberas esrefrigerado por aire proveniente delcompresor axial, tal como se observa enla Figura que se aprecia en la diapositiva.Los álabes son huecos y el aire ingresa alinterior de los mismos produciendo la
refrigeración del material. Luego el airesale por los orificios ubicados en el bordede salida de los álabes y se integra a lacorriente de gases. La temperatura deingreso de los gases al primer estadio fijoes del orden de los 1.200 ºC,
constituyendo esta temperatura latemperatura de la fuente caliente a la cualse refería SADI CARNOT, llamadatambién temperatura del fluido motor.
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Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje
1. El aire ingresa al Compresor Axial en el punto (1) a lascondiciones ambientes, previo a haber pasado por un Filtrocon el fin de retener las partículas de polvo u otras partículascontenidas en el Aire Ambiente.
Dado que los parámetros ambientales varían durante el día eincluso varían también en función de la ubicación geográfica,es conveniente considerar condiciones standard.
Las condiciones standard utilizadas en la industria son lascondiciones ISO que establecen una temperatura de 15 ºC yuna presión de 1 kg/cm2.
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Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje
En el Compresor Axial el aire es comprimido hasta la presiónde combustión, o máxima presión del ciclo, sin aporte de calordel medio y como consecuencia de ello la temperatura del airese incrementa debido a la compresión del mismo.
El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor alnecesario para producir la oxidación del combustible en laCámara de Combustión.
Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a:
a) La necesidad de lograr una adecuada refrigeración de laspartes calientes de la máquina (cámara de combustión,conductos de transición, estadios de toberas fijas, ruedas dealabes móviles y conductos de escape).
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Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje
b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases decombustión desde que se forman en la cámara de combustiónhasta que estos ingresan en el primer estadio de alabes.
Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial a
tener un gran tamaño y en consecuencia a absorber la mayorparte de la potencia entregada por la turbina, del orden de las3/4 partes de la misma.
2. Una vez que el aire sale del compresor parte de el ingresa a
la cámara de combustión tal como se indica en el punto (2) dela Fig. 1, donde el combustible es inyectado produciéndose deesta manera la combustión del mismo, dando lugar al aportede calor (Q) del medio a la máquina térmica.
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Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje
El proceso de Combustión se realiza a Presión Constantealcanzando muy altas temperaturas lo que da lugar a que sedeba ingresar a la Cámara de Combustión aire de dilución a finde disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeraciónpara refrigerar el material del tubo de llama ubicado en el
interior de la misma.
El caudal másico de gases formados será igual a la suma delcaudal de aire ingresado a la cámara de combustión más elcaudal de Combustible inyectado a la misma
3. Los Gases de Combustión así enfriados a una temperaturaaproximada a los 1.200 ºC ingresan al primer estadio de álabesfijos, o Toberas, de la Turbina como se indica en el punto (3)del esquema.
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Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje
4. El ciclo finaliza cuando los Gases de Combustión despuésde expandirse en la turbina abandonan la misma y sonexpulsados a la atmósfera, tal como se indica en el punto (4)del esquema.
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Con algunas excepciones, la mayoría de las Turbinas a Gasutilizadas en los Navíos, son Motores Aeronáuticos“Marinizados” (aeroderivadas). Por lo tanto para atender a losrequisitos específicos de la actividad se deben realizar algunoscambios en estas máquinas, uno de los cambios mas notables
se practican en la Cámara de Combustión, para utilizarCombustible Diesel en lugar de JP1 (Jet Propulsion One – Kerosene de Aviación).
Otros cambios lo constituyen el material de los alabes delcompresor (en las Turbinas Navales se construyen en aceroespecial, en cambio los alabes de las Turbinas de Aviación sonde aluminio), también es necesario introducir un compresor debaja presión.
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Turbina de GasLa utilización de Turbinas de Gas, implica otro cambio en ladisposición, a ellas no se les puede cambiar el sentido derotación, por tanto se les debe agregar al eje propulsor unInversor de Marcha o el empleo de Hélices de paso Variable(tener presente que estas son de menor eficiencia que lasHélices de Paso Fijo).
El uso de Turbinas de Gas, implica una reducción del espacioocupado, en comparación con las Salas de Máquinas conTurbinas de Vapor y sus Calderas.
La nueva disposición trajo una economía en el peso de lainstalación, lo cual aunque parezca imposible, condicionó alos proyectistas de la época, pues las disposiciones de vaporcompensaban el peso de las voluminosas y pesadas antenasde radar
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Turbina de GasEntre las características principales de desempeño de este tipo de
Propulsión se destacan la buena relación Peso/Potencia, por esarazón las Turbinas de Gas equipan tanto embarcaciones pequeñas,como Hovercrafts (relación 100 HP por tonelada),Fragatas/Corbetas (relación entre 10/15 HP por toneladas) hastaPortaviones (relación de 5 HP por tonelada).
Otra característica destacable es la aceleración inicial (una TurbinaKortenaer acelera de 0 a 30 nudos en aproximadamente 75segundos), en las instalaciones con Turbinas de Vapor las Calderas
deben alcanzar un nivel apropiado de presión, por tanto el óptimodesempeño tiene un costo, el consumo específico de combustiblemuy alto. Por este motivo algunas Armadas adoptan Turbinas aGas solamente para velocidades altas (mayores de 18 nudos),utilizando otro Propulsor (Motor Diesel), para velocidades bajas.
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Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es elde añadir un regenerador. El regenerador es unintercambiador de calor que aprovecha la energía de losgases calientes de escape al precalentar el aire que entra a
la cámara de combustión. Este ciclo normalmente esutilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la SolarCentaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de35000 hp.
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Las Turbinas de Gas con altas presiones de trabajo puedenutilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapasde compresión, permitiendo quemar más combustible ygenerar más potencia.
El factor limitante para la cantidad de combustible utilizadoes la temperatura de los gases calientes creados por lacombustión, debido a que existen restricciones a lastemperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y
otras partes de la misma. Con los avances en la Ingenieríade los materiales, estos límites siempre van aumentando.Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600versión marina.
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Turbina de Gas - DisposicionesExisten también Turbinas de Gas con varias etapas de
combustión y expansión y otras con “Inter Enfriador” (Intercooler), Sobrecalentador y Regenerador en el mismociclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:
Cámara deCombustión
Turbina dePotencia
Compresor deBaja Presión
Compresor de Alta Presión
Ingresode Aire
Gases deExhaustación
Intercooler
CombustibleRefrigerante
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El ciclo termodinámico teórico por el cual funcionan todas lasturbinas a gas es el Ciclo BRAYTON. En la diapositivasiguiente vemos los diagramas “temperatura – entropía” y“presión – volumen” para éste ciclo. (Los estados termodinámicos queen él se señalan corresponden a los puntos que venimos usando en el esquemade trabajo)
Ciclo Termodinámico Brayton Teórico Las transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo son lassiguientes:La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica del aire que serealiza en el compresor axial.La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presiónconstante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del medioal sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en el punto 2.
La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gasesde combustión que se desarrolla en la turbina.No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo amodo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como seha explicado anteriormente, un ciclo abierto.
Podemos interpretar que del punto 3 a 4 se produce la devolución decalor (Q devuelto) del sistema al medio, es decir la pérdida de calor al
ambiente a través de los gases de escape de la turbina.
Trabajo Teórico Absorbido por CompresorEl trabajo teórico absorbido por el compresor axial (trabajonegativo) está representado en el diagrama “p – v” de la Fig.
10 por el área comprendida entre la adiabática decompresión y el eje de ordenadas, o sea por el área (a-2-1-b)
Trabajo Teórico del Compresor == h2 –h1
Donde:h1 = Entalpía del Aire a laentrada del Compresor (kcal/kg).
h2 = Entalpía del Aire al salir delCompresor (kcal/kg).
Trabajo Útil Teórico Entregado por TurbinaEl trabajo útil teórico o trabajo neto teórico que entrega laturbina es la diferencia entre el trabajo teórico de turbina
menos el trabajo teórico del compresor.
Gráficamente el Trabajo Útil TeóricoEntregado por la Turbina está
representado por el área (1-2-3-4)de la Figura.
Del Trabajo Total producido por laTurbina, el Compresor axial absorbeaproximadamente el 70%, quedandosolamente el 30% disponible comotrabajo útil.
Supongamos que en el ciclo BRAYTON, representado en la figura, lasevoluciones (1-2) y (3-4) son adiabáticas, con lo cual nos apartamosligeramente de la realidad, ya que las evoluciones reales son politrópicasde exponente variable:
El calor aportado por el medio a través del combustible que se oxida es:
El calor devuelto al medio ambiente por los gases, o calor perdido es:
De todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la
compresión y en la expansión por ser las más significativas, pudiendodespreciar el resto frente a estas.
Por lo tanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tenerpresente que la compresión del aire en el compresor no es isoentrópica
como estudiamos anteriormente, sino que esta es politrópica.
Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión delos gases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que estaes también politrópica.
Ltt = Trabajo teórico de la turbinaLtc = Trabajo teórico del compresor
El trabajo útil teórico de la máquina (Ltm) está dado por la diferenciaentre el trabajo teórico de la turbina menos el trabajo teórico delcompresor, es decir:
Ltm = Ltt – Ltc = Trabajo útil teórico de la máquina
Ahora bien, el trabajo útil real de la máquina (Lrm) está dado por ladiferencia entre el trabajo real de la turbina (Lrt) y el trabajo real del
compresor (Lrc):Lrm = Lrt – Lrc = Trabajo útil real de la máquina (2)
El rendimiento real de la turbina ηt está dado por la relación entre lostrabajos real y teórico de la turbina:
Lo que nos dice que el trabajo real que entrega la turbina es menor queel teórico. El rendimiento de una turbina actual ηt es del orden del 0,95
(95%).
Por su parte, el rendimiento real del compresor ηc está dado por elcociente entre los trabajos teórico y real, resultando este último, mayorque el teórico:
Como se sabe, el compresor real absorbe mayor trabajo que el teórico
para llevar el aire del estado (1) al (2). En la actualidad, el rendimiento deun compresor axial de turbina ηc es aproximadamente del 0,87 (87%)Reemplazando en la ecuación (2):
El rendimiento real o efectivo ηe de la máquina considerada comoconjunto compresor-turbina está dado por:
Donde:El cociente Ltc / Ltt es la relación de los trabajos teóricos del compresor yde la turbina. Se lo indica mediante un coeficiente K que depende de laconstrucción de la máquina, pudiendo determinarse con solo conocer sus
condiciones de operación: temperatura de trabajo de la turbina y relaciónde compresión:
Esta ecuación nos permite trazar lascurvas de rendimiento reales de unamáquina ciclo BRAYTON en funciónde la temperatura de los gases decombustión al ingreso de la Turbina yde la relación de compresión.
La Figura indica las curvas derendimiento real de una turbina cicloBRAYTON. El ηe de las máquinasactuales está en el orden del 25% al
30% para temperatura de los gases decombustión al ingreso a turbina de1.000ºC a 1.100 ªC.
Funcionamiento y Componentes del Sistema de Arranque del Motor:
Para asegurar que un Motor de Turbina de Gas arranquesatisfactoriamente se requieren dos sistemas independientes. Enprincipio, debe disponerse de los medios para que el compresor y laturbina giren hasta una velocidad a la cual pase la cantidad de aireadecuada al sistema de combustión para que se mezcle con el
combustible procedente de los inyectores. Segundo, debeproporcionarse un medio para encender la mezcla aire/combustible enla cámara de combustión. Durante el arranque del motor los dossistemas deben funcionar simultáneamente, no obstante, tambiéndebe existir la posibilidad de giro del motor sin la ignición para
comprobaciones de mantenimiento, y de operar solo el sistema deignición para un reencendido durante el funcionamiento.
Durante un ciclo de puestaen marcha el funcionamientode ambos sistemas estácoordinado, y su operaciónestá de modo automáticocontrolado tras el inicio delciclo por un circuito eléctrico.En el diagrama que vemosen esta diapositiva, semuestra una secuenciatípica de los pasos durante
Métodos de puesta en marcha: El procedimiento de puesta en marcha
para todos los motores de reacción es básicamente el mismo, peropuede lograrse por varios métodos. El tipo y fuente de potencia paralas unidades de puesta en marcha varía de acuerdo con los requisitosdel motor. Algunos usan energía eléctrica, otros usan gas, aire, opresión hidráulica, y cada uno tiene sus propios méritos. Cualquiera
que sea el sistema usado, la fiabilidad es de importancia primordial.
La unidad de puesta en marcha debe producir un alto par de torsión ytransmitirlo al conjunto rotatorio del motor de tal manera queproporcione una suave aceleración desde el reposo hasta la velocidad
a la cual el flujo de gas a través del motor proporcione suficienteenergía para que la turbina del motor se haga cargo del mismo.
Puesta en marcha eléctrica: La puesta en marcha eléctrica se usa en
algunas Turbinas. Normalmente la puesta en marcha es un motoreléctrico de corriente continua acoplado al motor a través de unengranaje reductor y un mecanismo de trinquete o embrague, quedesacopla automáticamente después de que el motor ha alcanzado lavelocidad de automantenido.
El suministro eléctrico puede ser de bajo o alto voltaje, y pasa a travésde un sistema de relés y resistencias para permitir que todo el voltajese aplique progresivamente a medida que la puesta en marcha ganavelocidad. También proporciona la energía para el funcionamiento delsistema de encendido. El suministro eléctrico se cancela
automáticamente cuando la carga de la puesta en marcha se reducedespués de que el motor ha arrancado satisfactoriamente cuando elciclo está completo. En la diapositiva siguiente se muestra un sistemade puesta en marcha eléctrica típico.
Puestas en marcha neumáticas: Las puestas en marcha neumáticasson de uso corriente. Tiene muchas ventajas sobre otros sistemas, yaque comparativamente es ligero de peso a la vez que económico ysimple de operar. Un motor neumático de puesta en marcha tiene unrotor de turbina que transmite la potencia de salida al eje de la puestaen marcha conectado al motor a través de un engranaje de reduccióny embrague. La turbina de la puesta en marcha se gira por aire a
presión que se toma desde el sistema del buque,. El suministro deaire para la puesta en marcha se controla por una válvula de control yreguladora de presión que se abre cuando se selecciona el arranquede un motor, y se cierra automáticamente cuando la unidad de puestaen marcha alcanza una predeterminada velocidad. El embrague
también suelta automáticamente a medida que el motor acelera hastalas r.p.m. de ralentí y cesa la rotación de la puesta en marcha. En ladiapositiva siguiente se muestra una unidad de puesta en marchaneumática típica.
Para el arranque de todos los motores de reacción se usa la ignición de
alta energía, y siempre están equipados con un sistema doble. Cadasistema tiene una unidad de encendido de alta energía conectada a supropio encendedor o bujía, estando los dos encendedores situados endistintas posiciones en el sistema de combustión. Cada unidad deencendido de alta energía recibe una alimentación de bajo voltaje,
controlada por el circuito eléctrico del sistema de puesta en marchadesde el sistema eléctrico del buque.La energía eléctrica se almacena en la unidad de encendido, hasta quea un predeterminado valor, la energía se disipa a través del encendedorcomo una descarga de alto voltaje y gran amperaje. Las unidades de
encendido, también llamadas cajas de encendido o excitadores, sonnormalmente unidades selladas y no pueden repararse al nivel decampo. En algunas instalaciones, los dos excitadores estánincorporados en una sola unidad.
La unidad de encendido que se muestra en la diapositiva siguiente es
una unidad típica de C.C. operada por mecanismo ruptor. Una bobinade inducción, operada por el mecanismo ruptor, carga al condensadorde almacenamiento a través de un rectificador de alto voltaje. Cuandoel voltaje en el condensador es igual al valor de salto de un disparadorde descarga sellado, la energía se descarga a través del extremo del
encendedor. Una bobina de autoinducción prolonga el tiempo de ladescarga, y se monta una resistencia de descarga para asegurar quecualquier energía almacenada en el condensador se disipa en unminuto después de que el sistema se ha desconectado. La unidad estáequipada con una resistencia de seguridad que permite que esta opere
sin riesgo, incluso cuando el cable de alta tensión esté desconectado yaislado.
Encendedores (Bujías): Los encendedores del motor de turbina sirven
para lo mismo que las bujías en un motor alternativo: prenden lamezcla combustible – aire, pero sus condiciones de funcionamiento soncompletamente distintas. En un motor alternativo, una chispa derelativamente baja energía debe saltar entre los electrodos de una bujíauna vuelta sí y otra no del eje de cigüeñal. En un motor de turbina, se
requieren chispas de alta energía, pero solo cuando el motor se estáarrancando o en condiciones cuando hay peligro de apagado de llama.Los encendedores no son propensos a la acumulación de carbón comolo son las bujías, porque la chispa de alta energía despega cualquierdepósito que se forme en el extremo de disparo. Debido a la dificultad
en la ignición de la mezcla combustible - aire en un motor de turbina,los encendedores están hechos a la medida del motor. Generalmente,un encendedor diseñado para un motor no funcionará adecuadamenteen otro modelo.
Existen dos tipos básicos de encendedores: encendedores de chispa
(el mas usado) y encendedores de incandescencia, que se usa enalgunos de los motores mas pequeños. Las configuraciones delextremo de disparo de los distintos tipos de encendedores mostradosen la diapositiva siguiente permiten apreciar algunas de susinteresantes características.
La punta del encendedor A del tipo electrodo central en superficiesobresale ligeramente dentro de la cámara de combustión y la chispasigue la superficie del aislante entre los electrodos. La punta delelectrodo central en el encendedor B también sobresale dentro de la
cámara de combustión, pero está refrigerado por aire. El aire que pasaalrededor de la parte exterior de la cámara de combustión fluye dentrodel encendedor a través del orificio en su lateral.
El encendedor de incandescencia solo se usa en algunos motores
pequeños y está instalado de tal manera que parte del aire derefrigeración que fluye alrededor de la parte exterior de la cámara decombustión fluye dentro de él a través de las bobinas deincandescencia. Las bobinas se calientan con corriente procedente delexcitador de encendido hasta que se ponen de color amarillo naranja, y
el combustible del inyector, que se pulveriza sobre la bobina, seprende. El aire que sopla a través de la bobina produce una vena dellama que prende la mezcla en la cámara de combustión. Losencendedores de incandescencia son especialmente adecuados paralos arranques en tiempo frío.
Instalación Turbina de Gas para PropulsiónLa instalación de Turbinas de Gas en los Buques, presentan
principalmente las siguientes dificultades:a. De tipo Mecánico Estructural similar a las Turbinas deVapor, debido a la flexibilidad del Buque, sometido aesfuerzos y vibraciones que hacen variar la alineación
relativa entre la Turbina y la Caja Reductora Principal. Estadificultad se soluciona con un acoplamiento flexible.b. De tipo termodinámico, al afectar el rendimiento de lainstalación las perdidas de carga, surgidas de la granlongitud de los conductos de admisión del aire y
exhaustación de los gases, a los que han de añadirse losnecesarios filtros deshumidificadores en la admisión.
PropulsiónNo se debe perder de vista, que al ser utilizadas lasTurbinas de Gas en Barcos de Guerra, también deberáncumplir con los requerimientos de resistencia al choque, labaja emisión de ruidos y la necesidad de rebajar lasemisiones infrarrojas en los gases de escape. En la figura
de la diapositiva anterior se puede apreciar el esquema deuna sección longitudinal de la Cámara de MáquinasPrincipales de un Buque, en la que se destacan losprincipales componentes. En la figura podemos ver que el
conducto de admisión esta diseñado para que además sirvacomo vía de salida a la totalidad de los elementos de laTurbina, en el caso de tener que sustituirlos en caso detener que reemplazarlos por tareas de mantenimiento oreparación. Centro de Estudios Mar del Plata
Sistema de Ventilación (Aire de Combustión): Las tomas de
aire se localizan en la zona superior de la cabina, se le debenincluir múltiples filtros. La inyección de aire a la Cámara deMáquinas es mecánica. La descarga de Gases de escape serealiza fuera del espacio de la Cámara de Máquinas medianteun sistema mecánico.
Sistema de Combustible: habitualmente las Turbinas de Gasemplean DFM (diesel fuel marine) o bien JP-5, Jet Fuels,ambos son mezclas complejas de hidrocarburos obtenidos dela destilación de petróleo.
Sistemas de Lubricación: se organizan para suministrarlubricante a los cojinetes y cajas reductoras.
Sistema de Arranque: Llevar al Compresor a la Velocidad de
Arranque, utilizando potencia originada en Sistemas de AireComprimido, Motor Diesel o bien Sistema, Alcanzada laVelocidad (r.p.m.) de Arranque, Inyección de Combustible yencendido por chispa.
Sistema de Transmisión de Potencia: Una Caja Reductora esutilizada para transmitir el Torque, mediante una Línea deEjes, las Turbinas pueden funcionan a diferentesvelocidades.
Otros, Sistema de Contraincendios, Sistema de Elevación yTransporte en la Sala de Máquinas.
En el exterior del Módulo se destacan contundentemente las
acometidas del Ingreso de Aire y de Exhaustación. El Conjuntointeriormente dispone de un Sistema de Detección deIncendios y su Sistema de Extinción, un Sistema deiluminación, y distintas conexiones.
El Módulo, como se dijo, facilita la Instalación o bien permitesu retiro para atender una gran reparación, las tareas derevisión, mantenimiento o reemplazos, se realizan sininconvenientes por las cómodas Puertas del Módulo. El
número y la ubicación de la Puertas del Módulo pueden varíarconforme las necesidades de la Sala de Máquinas. Asimismoel Módulo dispone de Paneles laterales
En diapositivas anteriores, pudimos apreciar, un ModuloTurbina de Gas Marina y su Instalación en un Fast Ferry,
Moderno Buque de Transporte de Pasajeros y sus Vehículos,donde tenemos una vista lateral de su Sala de Máquinas,cuya materialización es el objetivo de la Materia. De igualforma apreciamos un Layout de la Instalación del Módulo enun Buque LNG Carrier de gran porte. Entonces en estainteligencia, tenemos que disponer y consignar los datosrelevantes de cada Servicio, para poder diseñar la Sala deMáquinas del Ferry, mas adelante veremos pautas para el“Diseño” de una Sala de Máquinas en general, pero ahora a
partir de la información que brindan los Fabricantes deTurbinas de Gas, vamos a plantear las necesidades de cadaServicio. En la diapositiva siguiente presentaremos losServicios a Estudiar.
El Sistema de Lubricación de una Turbina de Gas tiene comoprincipal función suministrar aceite a todos los cojinetes con
tal de impedir su desgaste (función lubricación). Otra funcióna puntualizar del Sistema de Lubricación es el de Refrigerarlas superficies calientes. El Sistema de Lubricación de laTurbina mínimamente está formado por los siguientescomponentes:
TANQUE ALMACÉN (1): Este puede, o no, ser parte integraldel conjunto de la Turbina, no obstante en los Buqueshabitualmente se ubica en el Doble Fondo de la Sala de
Máquinas. El Equipo debe estar protegido por cualquier fugade aceite, así que en este Tanque, deberá disponer Alarmasde “Bajo Nivel” y de “Muy Bajo Nivel” con tal de parar elequipo en caso que el Nivel de Aceite del Tanque Almacén(Carter) sea bajo. Centro de Estudios Mar del Plata
importante del Sistema de Aceite, en caso de fallo fácilmentese averiarán los cojinetes. Para evitar que la Bomba deCirculación falle pueden instalarse dos bombas dispuestas enparalelo o montar una bomba accionada por el propio eje de laturbina. En caso que la Bomba sea accionada por la Turbina, através de la Caja Reductora, se requiere un Embrague y porsupuesto ésta, no podrá ser inspeccionada, revisada, reparadao sustituida durante el funcionamiento del equipo. De todasformas; aún siendo accionada la Bomba por la Turbina, o no,
siempre se deben instalar mínimo dos Bombas de Circulaciónde Aceite (Redundancia) con tal de aumentar la fiabilidad delequipo. Las Bombas del Sistema de Lubricación deben ser aTornillo o a Engranajes (Bombas de Desplazamiento Positivo).
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Turbina de Gas Esquema Lubricación(1) Tanque Almacén
En la actualidad la generalización del uso de BombasCentrífugas, y su desarrollo tecnológico, han hecho que
algunos diseñadores piensen en su empleo en Sistemas deLubricación, es recomendable evitar tal elección dado que eluso de Bombas tipo Centrífugo provocan que el Aceite secontamine con aire, si esto sucede, la Bomba se descebará(bolsa de aire) interrumpiendo el flujo de aceite.
VÁLVULAS SOSTENEDORAS DE PRESIÓN DE ACEITE: Aseguran que laPresión de Aceite sea constante en todo el circuito, se deben instalar aposteriori del Enfriador. ENFRIADORES (7): Debido a que el aceite tieneuna función refrigerante y que a ciertas temperaturas pierde propiedades,son necesarios los Enfriadores de Aceite. Dependiendo del calentamientoque vaya a sufrir el Aceite en los Cojinetes el sistema de enfriado sedimensiona de una manera u otra. Un Aceite muy frío aumentará suviscosidad pudiendo acarrear problemas de circulación por lo que debeencontrarse un equilibrio.
Mientras los Filtros se van ensuciando la presión de aceiteprevio a ingreso al Filtro incrementará y por ende a la salidadecrecerá. Para detectar el ensuciamiento de Filtros se midela presión manométrica pre y pos Filtro, además se incorporaun Sistema Medidor de Presión Diferencial que hace saltaruna Alarma.
Filtro de MallaFiltro Motorizado o
Autolimpiante
By Pass con Válvula de Cierre Manómetros Control Filtrado
Previo al Arranque de la Turbinase la debe “Pre Lubricar” paraformar la “Cuña de Aceite”, establecer una “Circulación Fluida del Lubricante” y lograruna “Temperatura deFuncionamiento “ de los
Es fundamental que en todomomento el Aceite Lubricante seencuentre limpio y mas allá delbuen funcionamiento del Sistemade Filtrado, se aconsejaPeriódicamente, el uso de unaPurificadora (Centrífuga),
qLas Turbinas de Gas se disponen para consumir una serie de
combustibles que van desde un “Combustible Pesado”, tal elcaso de HFO, has el más “Liviano” como el LPG, pasando porMDO, JP5, JP1, etc., este abanico obliga a distintasconfiguraciones de los Sistemas utilizados en los Buques.Para los fines de la Materia PPN vamos a presentar unasuerte de “ESQUEMA GENÉRICO” que nos va servir de basepara para adaptarlo a las distintas necesidades.
Para las cuestiones de aprendizaje vamos a subdividir al
Esquema de Combustible en tres grandes bloques: Sub Sistema de Trasvase, Sub Sistema de Tratamiento, Sub Sistema de Alimentación,
En la siguiente diapositiva se presenta, un Esquemaorientativo que aproxima el Servicio de Aire Comprimido de un
Buque (que estudiaremos más adelante), el cual nos sirvepara entender el Servicio de Arranque de una Turbina de Gaspor Aire Comprimido, las Válvulas que se emplean en elEsquema son;
= Válvula de Cierre, como son de diámetros mayores a DN 38 se usan V. Globo,
= Válvula de Cierre, como son de diámetros de DN 38 o menores se usan V. Aguja,
En el Croquis tenemos la alimentación “final” (Aire Comprimido) al Motor de Arranque y suacople a la Turbina de Gas, donde podemosidentificar distintos componentes, ver
diapositiva siguiente, la alimentación puededarse del Sistema de Aire Comprimido delBuque o bien de un Sistema propio con suCompresor y Botella de almacenaje.
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Motor Arranque Aire ComprimidoInstalación dentro del Módulo (Equipo) Ingersoll Rand
Para estudiar el Sistema de Ventilación del Módulo, debemostener presente, que el Módulo contenedor de la Turbina de Gas
está instalado en una Sala de Máquinas, por tanto estamoshablando de un Sistema de Ventilación de la Sala deMáquinas, tema que se tratará oportunamente. En todos losBuques el Sistema de Ventilación de la Sala de Máquinas,contempla dos Sub Sistemas bien diferenciados, a saber: el
“Sub Sistema Aire de Combustión”, que es el Aire necesariopara atender la “Combustión” de los Motores de CombustiónInterna y el requerido para funcionamiento de losCompresores, el restante Sub Sistema corresponde al “Sub
Sistema de Confort”, que se encarga de hacer “confortable” elespacio de Máquinas a las tripulaciones que trabajan en él y“cambiar permanentemente el Aire residente para “refrigerar los Equipos Instalados en la Sala de Máquinas.
El Sistema de Ventilación del Módulo, también atiende dos SubSistemas, uno equivalente al “Sub Sistema Aire deCombustión”, denominado de la misma forma y el otro loidentificamos como “Sub Sistema Aire de Refrigeración”, esteen cierta forma equivale al “Sub Sistema Aire de Confort”, puesse encarga de bajar la temperatura de los Equipos instalados
en el interior del Módulo.
En la próxima diapositiva veremos el Arreglo del Conducto de Aire con el Módulo contenedor de la Turbina de Gas y en la
siguiente se aprecia con detalle el Conducto de Aire deRefrigeración y el Circuito que recorre el Aire Fresco hastaabandonar el Módulo contenedor.
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Conducto Ingreso de Aire al MóduloFiltro de Partículas
En el Croquis podemos apreciar ladisposición del Conducto de Ventilacióndel Módulo, en tal arreglo vemos la
magnitud del Conducto de Ingreso de Aire, con relación a las dimensione delMódulo contenedor de la Turbina deGas. Otro de los datos relevantes es laforma del Conducto, que se inicia en unManguerote por donde Ingresa el Aire a
un Conducto que se divide en dos,destinando el primero (atmosférico)para Aire de Combustión, y el otro(presurizado) para Refrigeración. Eldiseño de ambos Conductos, posibilitael ingreso de un gran volumen de Aire,con mínima caída de Presión
Módulo
Conducto Aire deCombustión
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Acometida al Módulo delConducto Aire y Circuito de Refrigeración
Aire al Módulo Contenedor,se puede apreciar que elmismo se identifica con laestructura del Buque, porsu tamaño, también seaprecia su forma paradisminuir la velocidad del
Aire, las secciones sondatos del fabricante delequipo, se recomiendaincluir en el interior del
Conducto canalizadorespara evitar los cambios dedirección rectos. La vistaes una disposición típica abordo.
El Sistema Anti Hielo funciona conel Aire Comprimido Caliente delSistema de Arranque y se descargaen el conducto de entrada. Eleva latemperatura por encima del puntode congelación. La temperatura deentrada de aproximadamente 38 ° F(3.333°C) cuando se selecciona AntiHielo. Temperatura suficiente paraevitar la formación de hielo.También funde el hielo, aguanieve o
nieve arrastrado por el Aire de Admisión.
Supresor deInfrarrojos
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Esquema Ventilación Sala de Máquinascon Módulo contenedor Turbina de Gas
El tema “Ventilación Sala de Máquinas”, dada su especial importancia sedesarrolla en un Capítulo independiente,no obstante adelantamos el criterio
básico para diseño del Sistema, el AireFresco se “inyecta” (VentiladorCentrífugo) para “presurizar” la Sala deMáquinas y alcanzar los rincones másalejados del Sistema de Ductos, la
extracción es por “termosifón”, escapando a través del “Guardacalor”
SILENCIADORES: Un silenciadorde “baffles” se encuentra en elcentro del Conducto, dotado dematerial fonoabsorbentes
encapsulado en chapa de aceroinoxidable perforado. Estematerial, junto con el aislamientode la pared del Conducto, atenúael nivel de sonido emitido por lainstalación, para satisfacer de
₂ pUn Sistema de Dióxido de Carbono (CO₂) por inundación seutiliza para desplazar el oxigeno y extinguiendo el fuego y asíproteger el recinto. El CO₂
se almacena en forma de líquido apresión en botellas de acero.
El volumen del Espacio a proteger, determina el número debotellas de CO₂ necesarias, más arriba se hablo de CO₂/Halón,pues ambos gases reciben idéntico tratamiento y si bienhablamos de CO₂ podemos hacer un relato en espejo con el
Halón.
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Esquema Sistema de Extinción de Incendioa CO₂/Halón por Inundación
₂ pEn la diapositiva siguiente, tenemos un Sistema elemental deExtinción de Incendios, con CO₂/Halón, que trabaja porinundación del recinto, en nuestro caso el Módulo contenedorde la Turbina de Gas, el Sistema de Extinción de Incendiosfunciona, por disparo del activador, que puede ser manual o
automático.Cuando hablamos de Sistema de Extinción de Incendios,inmediatamente aparece asociada la Detección, por lo cualprecisaremos la identificación del Sistema, correctamente,
como Sistema de Detección y Extinción de Incendios, si bienlas Detección y la Extinción están conformadas porequipamientos distintos, ambas trabajan en conjunto.
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Esquema Sistema de Contra IncendioCO₂ por Inundación (Básico)
Entonces dividiendo el Sistema tenemos, dos Subsistemas asaber:I) Componentes Sub Sistema Detección de incendios:a. Detector Ultravioleta de Llama (Sensor de Llama), quebusca las llamas en el zona de la Cámara de Combustión.b. Sensor de Temperatura fij en 400 o F para detectar
incendios fuera de la zona de visión de los detectores de UV.c. Pulsador Manual "FIRE“, que puede ser utilizado por elresponsable del Sistema CI, para activar el sistema contraincendios.
II) Componentes Sub Sistema de Extinción de Incendiosincluyen:a. Banco de Botellas de CO2 primaria para accionar el SubSistema.
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Turbinas de GasSistema de Detección y Extinción de Incendios
b. Banco de Botellas CO₂ secundario para inundar con una
atmósfera inerte al módulo.c. Un Activador de CO₂ ubicado en el Tablero de Control. Esteinterruptor permite, de igual forma, al operador detener laliberación automática de CO₂, en caso de una falsa alarma o
el personal en el Módulo.d. Una señal de parada por fuego electrónica, utilizada paraapagar el motor cuando un incendio es detectado por losSensores de Llama (UV), los Sensores de Temperatura, o elPulsador Manual “Fire”. Esta señal activará la secuencia deparada por fuego.
La Parada por Fuego inicia las siguientes acciones:
Dispara las Alarmas por Fuego en las Consolas de Control, Interrumpe el suministro de Combustible a la Turbina, Interrumpe el accionamiento del Ventilador (Inyector) de airede Refrigeración, y cierra los “Dampers” de los Conductos de
Aire. Demora la descarga de CO₂ por unos 20 segundos.
Safety note: When entering the module, ensure the fireextinguishing system is disabled and signs are posted on the
module and control consoles warning that personnel are in themodule.
El Sistema de Agua Dulce deLavado se utiliza para limpiarel Compresor de TG. LasToberas para pulverizacióncon Limpiador Químico o AguaDulce se ubican en la entradadel compresor y se accionancon la TG en funcionamiento.Los Comandos del Sistema deLavado de Álabes seencuentra fuera del Módulo