Trubinas A Gas

TURBINAS A GAS

1. GENERALIDADES

1.1 Objetivos del Trabajo:

Es importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer los conceptos básicos de estas máquinas de combustión. Se hará un breve recuento de la historia, los conceptos básicos y los ciclos de funcionamiento más importantes.

1.2 Descripción del Sistema Mecánico:

1.2.1 Evolución Histórica: Hoy en día, el diseño de turbina de gas que se ha impuesto está basado en un compresor axial multi etapa, una cámara de combustión interna y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseño de turbina predominante hoy en día se ha llegado después de una larga evolución desarrollada a lo largo del siglo XX, principalmente.

La primera referencia al fenómeno en que se basa la turbina hay que buscarla en el año 150 A.C de manos del filósofo egipcio Hero, que ideó un pequeño juguete llamado Aeolípilo, que giraba a partir del vapor generado en una pequeña caldera. El juguete era una pura elucubración mental, pues no se tiene constancia de que jamás fuera construido.

1.2.2 Definición:

Una turbina de gas, es una turbo máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

Su franja de operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las micro turbinas) hasta 500 MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de vapor de pequeña y media potencia.

1.2.3 Principio de Funcionamiento:

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.

El ciclo térmico que representa esta máquina es el ciclo Brayton. La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.

1.3 Tipos o clasificación de la máquina de acuerdo a sus aplicaciones:

1.3.1 Según su desarrollo:

A) Turbina de gas aeroderivadas:

Provienen del diseño de turbinas de para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas.

Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

B) Turbina a gas industrial:

La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos.

Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

1.3.2 Según el diseño de su cámara de combustión

A) Turbina de cámara de combustión tipo silo:

En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. Los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta.

Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

B) Turbina de cámara de combustión anular:

En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado al rededor

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