Turbine Basics

7/31/2019 Turbine Basics

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EL ABEC DE LA TURBINA DE GAS


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VISIN GENERAL

Los elementos principales del motor son una seccin de compresor, una seccin de combustin y una turbina. La

turbina se acopla mecnicamente y conduce al compresor eje motor.

El compresor, la cmara de combustin y la turbina se denominan el ncleo del motor, pues todas las turbinas degas tienen estos elementos. El ncleo se refiere tambin como el generador de gas(GG) ya que la produccin delncleo no es el gas de escape.

El gas a travs de un conducto de escape a la atmsfera. En algunos tipos de aplicaciones, el gas de escape se usapara conducir una turbina adicional llamada la turbina de potencia, que se conecta a una parte del equipo conductor(es decir: generadores, bombas, compresores de procesos, etc.).

Debido a la produccin de alta potencia y a la eficiencia termal elevada, los motores de turbina de gas tambin seusan en una amplia gama de aplicaciones no relacionadas con la industria aeronave. La conexin del eje principal (oturbina de potencia) del motor a un rotor electromagntico generar energa elctrica. Las turbinas de gas tambinpueden usarse para buques de potencia, camiones y tanques militares. En estas aplicaciones, el eje principal seconecta a una caja de cambios.


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EL ABEC DE LA TURBINA

Los dibujos de globo de arriba ilustran los principios bsicos sobre los cuales funcionan los motores de la turbina de gas.

Comprimido dentro del globo, como en el punto (A) arriba ejerce presin sobre los confines del globo. El aire, que tienepeso y ocupa espacio, por definicin, tiene masa. La masa del aire es proporcional a su densidad, y la densidad esproporcional a la temperatura y presin. La masa de aire confinada dentro del globo se acelera desde el globo, creando unafuerza a medida que se libera (B). Esta fuerza aumenta a medida que la masa y la aceleracin aumentan, conforme seestablece en la segunda ley de Newton: la fuerza iguala a la aceleracin de veces de masa (F= MA).

La fuerza creada por la aceleracin de la masa de aire dentro del globo resulta una fuerza igual y opositora que ocasiona

que el globo sea propulsado en direccin contraria, conforme se establece en la tercera ley de Newton (por cada accin,existe una reaccin opuesta e igual). El reemplazo del aire dentro del globo, como en (C) sostiene la fuerza y, si bien pocoprctico, permite que una carga sea conducida por la fuerza de la masa de aire que se acelera y conduce una turbina,como en (D).

En (E) se ilustra un medio ms prctico de sostener la fuerza de una masa de aire en aceleracin usada para conducir unacarga. Un alojamiento consta de un volumen fijo de aire, que se comprime por un compresor conductor de motor. Laaceleracin del aire comprimido desde el recinto conduce a una turbina que est conectada a la carga.

En (F) el combustible es inyectado entre el compresor y la turbina para acelerar ms la masa de aire, multiplicando as lafuerza usada para conducir la carga.

En (G) el motor se elimina y el compresor se potencia por una parte del gas de combustin, tornando al motor autosuficiente siempre que se proporcione combustible.

En (H) se representa un funcionamiento tpico de un motor de turbina de gas. El aire de entrada es comprimido, combinadocon combustible y encendido. El gas caliente se expande a lo largo de una turbina para proporcionar potencia mecnica yse libera a la atmsfera.


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Funcionamiento de la turbina de gas versus Funcionamiento alternativo del motor


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COMPRESIN COMBUSTIN EXPANSIN ESCAPE

Cuatro procesos suceden en los motores de turbinas de gas, conforme se ilustra anteriormente. Estos procesos, descritosprimeros por George Brayton y denominados el ciclo Brayton ocurren en todos los motores internos de combustin. Lospasos Brayton son los siguientes:

La compresin ocurre entre la entrada y salida del compresor (Lnea A-B). Durante este proceso aumenta la presin ytemperatura del aire.

La combustin sucede en la cmara de combustin donde el combustible y el aire se mezclan en proporciones explosivasy se encienden. El agregado de calor ocasiona una fuerte aumento en volumen (Lnea BC).

La expansin sucede a medida que el gas caliente se acelera de la cmara de combustin. Los gases a presin constantey mayor volumen ingresan a la turbina y se expanden en la misma. Fuerte disminucin en presin y temperatura (Lnea C-D).

El escape sucede en el conducto de escape del motor con una fuerte cada en volumen a presin constante (Lnea D-A).

El nmero de etapas de compresin y arreglo de turbinas que convierten la energa de gas caliente acelerado en energamecnica es variable de diseo. Sin embargo, el funcionamiento bsico de todas las turbinas de gas es el mismo.


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CONDUCTOS CONVERGENTES Y DIVERGENTES

Los compresores en los motores de turbina de gas usan conductos convergentes y divergentes para generar las altaspresiones necesarias para (a) proporcionar una pared de presin, que evite la expansin de gas caliente de salir a travsde la entrada del motor, as como tambin, a travs del escape, y (b) proporcionar el ndice adecuado de aire a combustiblepara una combustin eficiente y un enfriamiento de la cmara de combustin.

La presin disminuye a travs de los conductos convergentes y aumenta a travs de los conductos divergentes, unfenmeno que se demuestra en el equipo pulverizador de pintura. El aire comprimido, forzado a travs de los conductosdivergentes, genera una presin baja a travs de la seccin angosta para trazar una pintura.

La expansin mediante una seccin divergente entonces aumenta la presin y el volumen de aire, dispersando la pinturaen una bruma atomizada.


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PALETAS GUIADORAS DE ENTRADA

Las paletas guiadoras de entrada dirigen o alinean el flujo de aire a la primera seccin de cuchilla de rotacin donde lavelocidad aumenta por agregado de la energa. La prxima seccin de aleta de estator es divergente, proporcionando unaumento en la presin esttica y una disminucin en la velocidad de aire. El flujo de aire entra entonces en la segundaetapa a una velocidad y presin inicial ms rpida que a la entrada a la etapa anterior. Cada etapa subsiguiente ofrece unaumento incremental en velocidad y presin esttica hasta lograr el nivel deseado de presin y velocidad.

Algunas aletas de estator de compresor estn diseadas para moverse, modificar sus divergencias, permitiendo la

regulacin de la presin de salida del compresor y la velocidad para alcanzar el ndice adecuado de aire para lacombustin de combustible y el enfriamiento versus la velocidad y el rendimiento energtico del motor.


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Axial Flow CompressorCentrifugal Flow Compressor


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COMPRESORES

Los compresores en los motores de la turbina de gas usan conductos convergentes y divergentes para generar las altaspresiones necesarias para (a) proporcionar una pared de presin, que evite la expansin de gas caliente de salir a travsde la entrada del motor, as como tambin, a travs del escape, y (b) proporcionar el ndice adecuado de aire acombustible para una combustin eficiente y un enfriamiento de la cmara de combustin.

La presin disminuye a travs de los conductos convergentes y aumenta a travs de los conductos divergentes, unfenmeno que se demuestra en el equipo pulverizador de pintura. El aire comprimido, forzado a travs de los conductosdivergentes, genera una presin baja a travs de la seccin angosta para trazar una pintura. La expansin mediante una

seccin divergente entonces aumenta la presin y el volumen de aire, dispersando la pintura en una bruma atomizada.

Todos los motores de turbina tienen un compresor para aumentar la presin del aire entrante antes de que ingrese a lacmara de combustin. El rendimiento del compresor tiene una gran influencia en el rendimiento total del motor. Existendos tipos principales de compresores: axiales y centrfugos.

En el dibujo, el ejemplo de la izquierda se denomina compresor axial porque el flujo a travs del compresor viaja en formaparalela al eje de rotacin. Una aparente contradiccin en el funcionamiento del compresor de flujo axial es la generacin

de alta temperatura, si bien toda la forma divergente podra parecer ocasionar una presin de salida menor. La presin desalida aumenta por divergencia en cada seccin esttica inter-etapa. Las cuchillas del compresor de rotacin entre cadaetapa esttica aumenta la velocidad que se pierde al inyectar energa.

El compresor de la derecha se denomina un compresor centrfugo porque el flujo a travs de este compresor esperpendicular al eje de rotacin. Los compresores centrfugos, que se usaron en los primeros motores a reaccin se usantodava en los pequeos turborreactores y motores de eje de turbina. Los grandes turborreactores modernos, turbohlice ymotores de eje de turbina utilizan por lo general compresores axiales.

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PRDIDA DE COMPRESOR

Se puede producir una prdida dentro del compresor si el aire se mueve de su direccin general de movimiento (tambinconocida como el ngulo de ataque). En este punto, la baja presin en la superficie posterior desaparece en la cuchilla delestator. Este fenmeno se conoce como una prdida. A medida que la presin se pierde en la superficie posterior, laturbulencia creada en la parte posterior de la cuchilla del estator forma una pared que conducir hacia la prdida. La prdidapuede provocarse si la superficie de la cuchilla del compresor no es del todo uniforme o lisa. Una abolladura en la cuchilla ouna pequea pieza de material en este, puede ser suficiente para iniciar la turbulencia en la parte posterior de la cuchilla,incluso si el ngulo de ataque es relativamente pequeo. Cada etapa de compresin debera desarrollar el mismo nivel depresin que todas las dems etapas. Cuando sucede una prdida, las etapas frontales ofrecen mucho aire para las etapasposteriores para manejar y la etapa posterior se atascar.

ngulo elevado de ataque

Si el ngulo de ataque es muy elevado, el compresor sufrir una prdida. El flujo de aire sobre la superficie aerodinmicasuperior se volver turbulenta y destruir la zona de presin. Esto disminuir el flujo de aire de compresin. Toda accin quedisminuya el flujo de aire relativo a la velocidad del motor aumentar el ngulo de ataque y aumentar la tendencia a laprdida.

ngulo bajo de ataqueSi existe una disminucin en la velocidad del motor, el ndice de compresin disminuir con las menores velocidades delrotor. Con una disminucin en la compresin, el volumen de aire en la parte posterior del compresor ser mayor. Esteexceso de volumen de aire causa una accin de obstruccin en la parte posterior del compresor con una disminucin en elflujo de aire. Esto a su vez disminuye la velocidad del aire en la parte superior del compresor y aumenta la tendencia a unaprdida.

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Cmara de combustin tipotambor

Cmara de combustin en formade anillo

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CMARA DE COMBUSTIN

Todos los motores de turbina tienen una cmara de combustin, en donde el combustible se combina con el aire de altapresin y se quema. El gas de escape de alta temperatura resultante se usa para encender la turbina y producir un impulsocuando pasa a travs de una tobera.

La cmara de combustin se ubica entre el compresor y la turbina. La cmara de combustin se dispone como un anillo oun donut, como se muestra en las ilustraciones arriba. El eje central que conecta la turbina y el compresor pasa a travs delagujero central. Las cmaras de combustin se hacen de materiales que pueden soportar altas temperaturas decombustin. El revestimiento es por lo general perforado para mejorar la mezcla de aire y combustible.

Existen tres tipos principales de cmaras de combustin y los tres diseos se encuentran en las turbinas de gas: La cmara de combustin a la derecha es una cmara de combustin anular con el revestimiento de asiento dentro delencofrado exterior que se abri en el dibujo. Muchas cmaras de combustin modernas tienen un diseo anular.

La cmara de combustin a la derecha es un diseo tubular o de tambor viejo. Cada tambor tiene un revestimiento y unencofrado y los tambores se disponen alrededor del eje central.

Un diseo comprometido (no mostrado) es un diseo de tambor anular, en donde el encofrado es anular y elrevestimiento tiene forma de tambor. La ventaja del diseo anular de tambor es que los tambores individuales son msfciles de disear, probar y proveer servicio.

Las cuchillas de turbina existen en un mbito mucho ms hostil que las cuchillas del compresor. Ubicadas justo haciadebajo de la cmara de combustin, las cuchillas de turbina experimentan flujos de temperatura de ms de mil gradosFahrenheit. Las cuchillas de turbina deben estar hechas de materiales especiales que suporten el calor y deben estaractivamente enfriadas. En el enfriamiento activo, las toberas y cuchillas son huecas y enfriadas por aire que se purga delcompresor. El aire refrigerante fluye a travs de la cuchilla y afuera a travs de los pequeos orificios en la superficie paramantener fra la superficie.

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ESTABILIZADOR DE LLAMA Y PATRONES DE FLUJO GENERAL

La llama estabilizante y patrones de flujo general se ilustran arriba para una cmara de combustin tpica de tipo tambor.

Si bien los motores modernos usan una cmara de combustin anular continua, la ilustracin de tipo tambor simplificadade las tcnicas de combustin y enfriamiento es la usada en todas las cmaras de combustin.

La temperatura de la llama ilustrada en el centro de la cmara de combustin es de aproximadamente 3200F en suextremo, cuando el motor est funcionando a carga completa. Los metales usados en la construccin de la cmara decombustin no pueden resistir temperaturas en este rango. Por lo tanto, el diseo proporciona pasajes de flujo de aire

entre las paredes interiores y exteriores de la cmara para enfriamiento y moldeado de llamas.

El aire que fluye en la cmara interna se dirige a travs de pequeos agujeros para moldear la llama centrndola dentrode la cmara para evitar su contacto con las paredes de la cmara. Aproximadamente 82% del flujo de aire en lascmaras de combustin se usa para enfriar y moldear llamas. Solo 18% se usa para combustin de combustible. Laregulacin del flujo de combustible determina la velocidad del motor. El control de las aletas de estator en el compresorcontrolan la presin y velocidad en la cmara de combustin, a medida que avanza la funcin de compresor.

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TURBINA

Todos los motores de turbina de gas tienen una turbina ubicada corriente debajo de la cmara de combustin para extraerenerga del flujo caliente y encender el compresor. El trabajo se realiza en la turbina por el flujo de escape caliente de lacmara de combustin.

Considerando que la turbina extrae energa del flujo, la presin disminuye en la turbina. El gradiente de presin ayuda amantener el flujo de la capa de contorno adjunto a la superficie de las cuchillas de la turbina. Ya que la capa de contorno esmenos probable de separarse en la cuchilla de la turbina que la cuchilla del compresor, la presin disminuye a una etapa deturbina nica que puede ser mucho mayor que el aumento de presin en una etapa de compresor correspondiente. Unaetapa de turbina nica puede usarse para conducir mltiples etapas de compresor. Debido al cambio de alta presin en la

turbina, el flujo debe filtrarse alrededor de las puntas de las cuchillas. Las puntas de las cuchillas de turbina estn por logeneral conectadas por una banda de metal delgada para mantener el flujo de filtraciones posibles.

Las cuchillas de turbina existen en un mbito mucho ms hostil que las cuchillas de compresor. Colocadas justamentedebajo de la cmara de combustin, las cuchillas experimentan temperaturas de flujo de ms de miles de gradosFahrenheit. Las cuchillas de turbina deben ser de materiales especiales que resistan el calor o deben estar activamenteenfriadas. En un enfriamiento activo, las toberas y boquillas son huecas y se enfran por el aire que se purga al compresor.El aire refrigerante fluye a travs de la cuchilla y de los agujeros pequeos en la superficie para mantener la superficie fra.

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TURBINA (Continuacin)

La turbina motriz de compresor es un tipo impulsado por reaccin diseado para una mxima eficiencia en convertir elflujo de gas caliente en energa mecnica de rotacin. En la primera etapa, las toberas fijas dirigen el flujo a las cuchillas derotacin de primera etapa. El impulso de expandir el gas caliente en la superficie baja de gas caliente sobre la superficieinferior de cada cuchilla de rotacin impulsa el movimiento en la direccin superior.

El flujo de gas caliente por encima de la siguiente cuchilla crea una presin baja por encima de la cuchilla, como el ala deuna aeronave, ocasionando una fuerza de rotacin adicional. Las etapas subsiguientes funcionan de manera similar,multiplicando la fuerza de rotacin. Las turbinas de compresor y conductoras de carga constan de un nmero variado deetapas, dependiendo de la carga impulsada y otras consideraciones de diseo.

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Eje nico Eje de dosmotores

Eje concntrico conturbina motriz

Eje concntrico

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EJES DE TURBINA

La figura superior muestra los arreglos del eje de turbina de gas estndar. La ilustracin de eje nico es el ensamblado deeje nico tradicional. Consta del compresor de flujo axial, la turbina y la turbina de potencia que estn todas mecnicamentevinculadas. Si agregamos este eje al generador y caja de cambios, tenemos un sistema de eje con un algo momento deinercia. Esta es la configuracin favorecida para la generacin elctrica pues ofrece una estabilidad de velocidad adicional(Frecuencia) de la corriente elctrica durante largas fluctuaciones de carga. Esta configuracin es tpica de turbinasindustriales marco de gran capacidad, como las MS7001.

La ilustracin de dos ejes muestra la disposicin estndar de dos ejes con el compresor y la turbina solamente conectados yuna turbina de potencia sin conectar y un eje de salida que rotar independientemente. Esta configuracin se ve favorecida

por paquetes de conduccin a velocidad variable, tales como bombas y compresores porque el generador de gas oproductor de gas puede ejecutarse a su propia velocidad ptima para una carga determinada. El LM2500 utiliza estaconfiguracin y se aplic a la generacin de potencia elctrica al igual que a una variedad de aplicaciones de conduccinmecnica.

Los motores de turbos de aeronaves han sido durante muchos aos adaptados para uso industrial, conforme se muestra enlos diagramas arriba. La ilustracin de eje concntrico, arriba a la izquierda, muestra una disposicin ms compleja de laturbina industrial aero derivada. Esto es todava una configuracin de eje esencial, pero el ncleo generador de gas (unmotor turbo original) se dise con dos bobinas, un eje de presin baja y un eje de presin alta. Esta configuracin de motor

permite que la carga se lleve de ambos extremos de escape o al extremo de entrada de aire del compresor. Esta es laconfiguracin usada por el LM6000

Esta ilustracin de eje concntrico con turbina de potencia es una disposicin esencialmente de dos ejes con un generadorde gas esencialmente diseado para la propulsin. Una turbina de potencia de rotacin independiente, Turbina, fabricadaespecialmente para combinar el flujo del motor turbo se agrega al camino de gas como el productor de potencia y torsin.Esta configuracin se encuentra en el LM1600 y el LMS100.

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CONTROL NOxLos xidos de nitrgeno se derivan de la fijacin trmica de nitrgeno y oxgeno molecular en el aire de combustin. Sundice de formacin es extremadamente sensible a la temperatura de llama local y, a un menor grado, a las

concentraciones de oxgeno local. Virtualmente todo el NOx trmico se forma en la regin de llama a la temperatura mselevada. La mxima produccin trmica NOx ocurre a un ndice ligeramente pobre de combustible y aire y un exceso dedisponibilidad de oxgeno para reaccin dentro de la zona de llama caliente. El control del ndice local de llamacombustible a aire es crtico en lograr reducciones en NOx trmico.

Controles de CombustinLa reduccin de emisiones Nox se logra cuando se produce: Inyeccin de agua o vapor en la tobera de combustible para reducir la temperatura de combustin Sistemas de combustible y cmaras de combustin especialmente diseadas para emisiones secas bajas (DLE)

La inyeccin de agua o vapor en el rea de llama de una cmara de combustin de turbina ofrece un sumidero de calorque reduce la temperatura de llama y por ende, reduce la formacin trmica de NOx. La inyeccin de agua o vapor,tambin conocida como controles hmedos" se aplic de manera eficaz a ambas turbinas de gas aeroderivadas y de gran

capacidad y a todas las configuraciones. Las eficiencias de reduccin de 70 a 85+ % pueden lograrse con aguaadecuadamente controlada o inyeccin de vapor, con emisiones NOx por lo general ms elevadas para las turbinascaldeadas con fueloil que para las unidades alimentadas con gas natural. El factor ms importante que afecta la eficienciade reduccin es el ndice de agua a combustible. En general, la reduccin NOx aumenta a medida que el ndice de agua a

combustible aumenta. Sin embargo, el aumento del ndice aumenta el monxido de carbono a un menor grado, lasemisiones de hidrocarburo a ndices de agua a combustible inferiores a uno. Adems, la eficiencia de energa de la turbinadisminuye con el ndice creciente de agua a combustible.

Controles posteriores a la combustinEl tipo de control ms importante posterior a la combustin usado en las turbinas de gas es la Reduccin CatalticaSelectiva (SCR). Las aplicaciones que usan SCR para complementar las reducciones de vapor o inyeccin de agua, omodificaciones de combustin. Los sistemas SCR cuidadosamente diseados puede lograr eficiencias de reduccin NOxtan altas como 90%. El proceso de Reduccin Cataltica Selectiva (SCR) reduce las emisiones de NOx al usar amonaco

en la presencia de un catalizador. El amonaco vaporizado se inyecta en el gas de combustin a la temperatura adecuada.El amonaco funciona en la presencia de un catalizador eliminador de NOx como un agente reductor para descomponer

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