03) turbina a gas

07/09/2015

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Parte 3

Preparado por:W. Galarza S.

Turbina a Gas

07/09/2015Preparado por:W. Galarza S.

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La Turbina a Gas es utilizada en aplicaciones industriales, generacin elctrica, aeronutica y propulsin martima. Existen de tamaos y peso pequeos de bajo costo.Son de fcil instalacin y tienen un periodo de arranque corto. Su marcha es suave y tienen un factor alto de capacidad (la mayor parte del tiempo operan entre 96 y 98 % de carga. Trabajan con una variedad grande de combustibles lquidos, gaseosos y sintticos. Estn sujetos a menores restricciones ambientales que los otros motores primos.

1.0 Introduccin


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La temperatura de descarga del compresor esta alrededor de 400 y 465 C, Los gases que ingresan a la turbina tienen una temperatura que se sita entre 1370 y1427 C. La descarga de gases se da a temperaturas entre 482 y 638 C.Las eficiencias estn entre 43 y 44 %. Una limitante son las condiciones metalrgicas. Los tipos de turbinas son: Industrial heavy-duty, Aeroderivativas, de rango medio y Microturbina

1.1 Parmetros


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1.2 Componentes PrincipalesTURBINA A GAS DE DOBLE EJE: A, Compresor LP / B, Compresor APC, Cmara de CombustinD, Turbina de AP / E, Compresin APF, Turbina de Potencia


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1.2.1 Elementos del Compresor (I)

ALABES DEL COMPRESOR


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1.2.1 Compresor Axial (II)El compresor es un elemento esencial en la turbinas a gas y su diseo y caractersticas deben de ser estudiadas en funcin de su aplicacin. Se clasifican generalmente en compresores axiales y centrfugos.Los de flujo axial tienen series alternativas de rotores y estatores. El nmero de etapas vara con la relacin de presiones. El proceso de compresin que ocurre en cada una de las etapas de un compresor axial consiste de dos importantes aspectos.En primer lugar, el fluido de trabajo se acelera en los labes del rotor y logra aumentar su energa cintica por medio de un incremento de su velocidad tangencial. Debido a esto, se produce un aumento de

la entalpa total del fluido as

como de su presin.En segundo lugar, el fluido se decelera cuando atraviesa los labes del estator, en la que la energa cintica transferida en el rotor es convertida en presin esttica. Este proceso se repetir

tantas veces como etapas sean necesarias para satisfacer la relacin total de presiones.


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1.2.1 Compresor Axial (III)


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1.2.2 Elementos de la Cmara de Combustin

INYECTOR CERAMICOS


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1.2.3 Elementos de la Turbina

ALABES DE LA TURBINA

ROTORES


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1.3 Turbinas a Gas Heavy - Duty

Es una unidad desarrollada en 1950s. No tiene restricciones en el peso y opera en condiciones severas. Su relacin de presiones se incremento desde 5:1 a 15 y 25:1 en las unidades modernas,

Se ha proyectado temperaturas de 1649C y normalmente es de flujo axial. Produce bajo NOX


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1.4 Turbinas a Gas Aeroderivativas

Es una turbina de uso aeronutico adaptada a para generar electricidad.

Tiene alta confiabilidad y su baja relacin peso/potencia le otorga ventajas.

La presin a la descarga esta alrededor de los 206 kPa y 593C.

La potencia libre de la turbina (energa trmica) se convierte en potencia al eje.


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1.5 Turbinas MedianasEstn entre 3.7 a 11.2 MW. Tiene alta eficiencia operando a carga variable. El compresor tiene de 10 a 16 etapas. Su relacin de presiones va de 5 a 11. Se utilizan Regeneradores a fin de incrementar su eficiencia.


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1.6 Microturbina

Son solidarios el compresor, la etapa de potencia y el eje del alternador. En los extremos los cojinetes son de aire para evitar el uso de aceites lubricantes.


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2.0 Ingreso de aire

El sistema de filtrado de aire es esencial en la TG estacionaria

La mala calidad del aire de ingreso influye en la operacin, mantenimiento y vida de la TG debido a la corrosin y erosin del alabeado y otras partes

La humedad del aire forma hielo a la entrada y da lugar a daos fsicos en los conductos de entrada y en particular en el compresor afectando su eficiencia y causando danos FOD (Foreign Object Damage)


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2.1 Cubiertas de Proteccin y Rejillas

Las cubiertas o capuchas de entrada son la primera etapa del sistema y tienen la funcin proteger del viento, la lluvia o la nieve.

Se instalan en la entrada de la campana de aspiracin del sistema. Se se basa en el efecto de separacin por inercia de las partculas gruesas y el aire. Son revestimientos de chapa metlica y su apertura apunta hacia abajo para que el aire se fuerce a ir hacia arriba. Esta turbulencia del aire ser

eficaz para reducir al mnimo la lluvia y nieve.

La eficiencia depende de la velocidad del aire de entrada y el dimetro de las partculas. Tienen capacidad de eliminar el 98% de las partculas mayores de 15 m pero su eficiencia decrece con partculas menores de 10 m.


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2.2 Separadores de humedadDespus de las rejillas o capuchas, esta el separador de humedad. Su funcin es eliminar la humedad y pequeas gotas de agua presentes en el aire. Estn compuestos por un sistema de etapa nica o de tres etapas. El sistema de etapa nica, es una serie de paletas de distinta orientacin que provocan que el aire de entrada experimente cambios de direccin y las gotas de agua almacenadas en las paletas caen por gravedad a un recolector.El sistema de tres etapas consiste en una primera etapa con paletas seguida por un separador y de otra etapa de paletas. Se puede lograr eficiencias del 99% para eliminar el agua del aire con partculas por encima de 10m o de un 87% para partculas menores de 1m.


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2.3 Separadores de humedad

Los filtros que se emplean en estas aplicaciones segn su capacidad para separar los contaminantes se dividen en pre-filtros, filtros finos y filtros de alta eficiencia. Los elementos filtrantes emplean un medio con pliegues para lograr aumentar el rea de superficie disponible, y aumentar la capacidad de retencin de suciedad o polvo. Generalmente, suelen tener forma cilndrica.Algunas veces se instalan sistemas evaporativos de refrigeracin a continuacinde los filtros primarios. Consiste de una estructura formada con panales de celulosa alrededor de la cual se est

recirculando agua desde un sumidero de recoleccin. El agua se evapora en la superficie resultando en una reduccin de la temperatura de bulbo seco del aire de entrada.


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2.4 Efectos del Aire de Entrada

ErosinLa erosin es una funcin del peso y no tanto del tamao cuando la partcula es ms grande de 30 micras. CorrosinLa corrosin fra,

tiene lugar en el compresor debido a la contencin de humedades de sales, cidos o gases corrosivos como los sulfuros, el cloro o algunos xidos. Introduce grietas y anormalidades. La corrosin caliente,

tiene lugar en el rea de la turbina expuesta a la entrada de materiales que proceden no slo del aire sino tambin de la inyeccin de combustible. Los metales del combustible pueden reaccionar con el azufre y/o el oxgeno durante la combustin, y depositarse en los labes y dems piezas de transicin provocando un aumento considerable del ritmo de oxidacin.


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2.5 Cmara de CombustinLa relacin aire/combustible es de 60/1 o mas y se introduce en la cmara de combustin. Se distinguen tres fases que dan lugar a lo que se conoce como: aire primario (combustin), aire secundario (refrigeracin de la combustin) y aire terciario (dilucin gases de combustin)Aire primario, un 25% del aire total y se introduce alrededor del chorro de combustible creando una mezcla rica con el objeto de obtener una temperatura elevadaAire secundario, un 30% del aire total; se introduce a travs de orificios practicados en el tubo de llama para completar y refrigerar la combustin (eliminacin de NOx); para un rendimiento elevado, hay que inyectar el aire en los puntos adecuados. Aire terciario, aire restante, 45%, se conoce tambin como aire de dilucin y se mezcla con los productos de la combustin en la zona de dilucin, con el objeto de reducir su temperatura hasta la requerida a la entrada de la turbina.


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2.5.1 Cmara de Combustin Tubulares


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2.5.2 Cmara de Combustin Tubulares


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2.5.3 Cmara de Combustin Anular


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2.5.4 Cmara de Combustin Tubo Anular


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2.6 Estabilidad de la CombustinEl ingreso de aire no es suficiente para estabilizar la combustin ya que se tiene una corriente de aire que se mueve con una velocidad superior a la velocidad de la llama.La configuracin gasodinmica del flujo esta dada por la forma y colocacin de los dispositivos de admisin de aire primario y aire secundario en el tubo de llama de la cmara. En las cmaras con torbellinador, el combustible se inyecta en la direccin que la corriente de aire, mientras que el aire primario se introduce a travs de unos labes radiales torsionados, conocidos como labes torbellinadores.

Axial se crea una zona de bajas presiones y se originan contracorrientes de aire que asegura la estabilidad de la llama, al crear una zona de pequeas velocidades de aire (de 15 a 25 m/seg); estas contracorrientes garantizan una buena mezcla del combustible con el aire.


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2.7 Sistema de Encendido

Para arrancar una turbina de gas hay que acelerar el compresor hasta tener un flujo msico de aire capaz de mantener la combustin. Esto se puede conseguir inyectando aire comprimido de una fuente

exterior, directamente a la turbina que acciona el compresor. Sin embargo, normalmente se utiliza un motor elctrico o una pequea turbina de gas auxiliar conectada al eje principal mediante una caja reductora y un embrague.Esta turbina de gas auxiliar se puede alimentar, bien con aire comprimido, o bien con un cartucho, como en la aviacin militar; el dispositivo de encendido se conecta durante el periodo de aceleracin y se inyecta combustible a travs del inyector de encendido; al finalizar la puesta en marcha, el dispositivo de encendido se desconecta.


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3. Combustibles (I)

Las turbinas aeronuticas operan con combustibles lquidos de muy precisa especificacin, particularmente el JP-1, Jet A-1 (un kerosene de bajo punto de congelamiento), el JP-4, Jet B o Avtag (un kerosene de ms amplio rango de destilacin que el anterior) y el Jet A (versin similar al Jet A-1).

Las turbinas marinas y terrestres normalmente funcionan con combustibles de menor costo, y especificaciones menos rgidas. La figura ilustra algunas especificaciones tpicas:.


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3. Combustibles (II)


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4. Emisiones Emisiones Caractersticas Las emisiones tpicas de un turbina a gas estacionaria se presenta en el cuadro adjunto. Hay dos categoras. Las mas significantes (CO2, N2, H2O, y O2) que se miden y, las de menor (o poluentes) tales como CO, UHC, NOx, SOx, y partculas en concentraciones de ppm que por lo general no se miden.


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4.1 Emisiones Caractersticas


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4.2 xidos de Nitrgeno

xidos de Nitrgeno

Los NOx se refieren a un conjunto de emisiones de xido ntrico NO, de dixido ntrico NO2 y trazasde otros, generados en la combustin. La combustin de cualquier combustible fsil produce un determinado nivel de NOx debido a las altas temperaturas y a la disponibilidad de oxgeno y nitrgeno, tanto en el aire comburente, como en el combustible. Las emisiones de NOx generadas en los procesos de combustin estn formadas por un 90

95% de NO, y el resto por NO2; cuando los humos abandonan la turbina, una gran parte del NO se oxida en la atmsfera, pasando a NO2.El NO2 presente en los gases crea el penacho grisceo que se puede ver saliendo de la maquina. Una vez en la atmsfera, el NO2 interviene en una serie de reacciones que forman contaminantes secundarios.Hay dos mecanismos normales de formacin de los NOx: trmico y del combustible.


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4.3 NOx Trmico

NOx trmico

Denominado NOx, formado, a alta temperatura, por la oxidacin del nitrgeno que se encuentra en el aire comburente; su velocidad de formacin depende de la temperatura y del tiempo de permanencia en la misma. Normalmente se forman cantidades significativas de NOx en condiciones de oxidacin por encima de los 1204C, aumentando de forma exponencial con la temperatura; en esta situacin, el N2 y el O2 moleculares presentes en la combustin, se disocian y pasan a su estado atmico, participando en una serie de reacciones, siendo uno de los productos el NO.


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4.4 NOx del CombustibleNOx del combustible.- La principal fuente de emisiones de NOx procedentes del nitrgeno estructural contenido en los combustibles, como parte de compuestos orgnicos en los carbones y aceites, se debe a la conversin del nitrgeno en NOx durante el proceso de combustin.El NOx del combustible contribuye aproximadamente al 50% de las emisiones totales incontroladas, cuando se queman aceites residuales, y a ms del 80% en el caso de quemar carbones. Durante el proceso de combustin, el nitrgeno se libera como radical libre que, finalmente, formaNO o NO2.


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4.4 Control de NOx

Inyeccin de Agua / Vapor

Una forma de reducir el NOx es reducir la temperatura de llama reduciendo el calor en la zona de reaccin de la cmara de combustin. Se puede introducir agua o vapor a este efecto. Con esto se reduce la eficiencia y hay que disponer de un calor adicional

a este efecto. Este calor debe ser generado en una caldero adicional que generare el vapor requerido.


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5. Esfuerzos Trmicos y Mecnicos en la Turbina

Los alabes deben ser lo suficientemente fuertes para soportar las diferentes cargas a las que se ve sometidos en condiciones de operacin. Hay tres tipos principales de cargas que actan en el alabe:

(i) Los esfuerzos producidos por cargas de traccin centrifugas, que se originan durante la rotacin a gran velocidad;

(ii) Los esfuerzos producidos por las cargas flectoras que el gas ejerce a medida que pasa a travs de los alabes del rotor. Estos esfuerzos fluctan a medida que los alabes del rotor pasan por delante de los bordes de salida de las toberas, originando la fatiga del material.

(iii) Los esfuerzos de flexin, producidos por cargas centrifugas y que tienen lugar cuando los centros de gravedad de las secciones transversales del alabe a distinto radios no se encuentran sobre la misma lnea radial. Estos esfuerzos en la mayora de los casos son lo suficientemente pequenos como para poderlos despreciar.

Parte 31.0 Introduccin 1.1 Parmetros1.2 Componentes Principales1.2.1 Elementos del Compresor (I)1.2.1 Compresor Axial (II)1.2.1 Compresor Axial (III)1.2.2 Elementos de la Cmara de Combustin1.2.3 Elementos de la Turbina1.3 Turbinas a Gas Heavy - Duty 1.4 Turbinas a Gas Aeroderivativas1.5 Turbinas Medianas1.6 Microturbina2.0 Ingreso de aire2.1 Cubiertas de Proteccin y Rejillas2.2 Separadores de humedad2.3 Separadores de humedad2.4 Efectos del Aire de Entrada2.5 Cmara de Combustin2.5.1 Cmara de Combustin Tubulares2.5.2 Cmara de Combustin Tubulares2.5.3 Cmara de Combustin Anular2.5.4 Cmara de Combustin Tubo Anular2.6 Estabilidad de la Combustin2.7 Sistema de Encendido3. Combustibles (I)3. Combustibles (II)4. Emisiones 4.1 Emisiones Caractersticas4.2 xidos de Nitrgeno 4.3 NOx Trmico4.4 NOx del Combustible4.4 Control de NOx5. Esfuerzos Trmicos y Mecnicos en la Turbina

03) turbina a gas

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