Turbinas de gas parte I
Introducción
¡Hola!
Es un gusto saber que continúas en este camino formativo, en esta ocasión nos encontramos en la clase 13 denominada Turbinas de gas, de la unidad de aprendizaje Centrales eléctricas, en la cual veremos la selección de la turbina de gas de una central generadora de energía eléctrica.
En esta clase digital, se verán los conceptos de las turbinas de gas, como se vio en la clase anterior, la turbina es la encargada de mover el rotor del generador, accionada por la energía mecánica del vapor de agua a presión y producir la corriente eléctrica. Es una turbomaquina motora, que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma particular para poder realizar el intercambio energético.
¡Exploremos entonces el tema que es muy interesante, ánimo!
Desarrollo del tema
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 expanden y mueven el eje que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
Partes principales de la turbina de gas
Las turbinas de gas pueden dividirse en cuatro grandes partes principales:
- Compresor
- Cámara de combustión
- Turbina de expansión
- Carcasa
Además cuenta con una serie de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
Compresor
Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.
Su funcionamiento consiste en empujar el aire a través de cada etapa de álabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contrapresión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaria para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.
El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades:
- Turbinas monoeje. El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este caso, las primeras etapas se diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.
- Turbinas multieje. En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.
Tipos de compresores
Los compresores utilizados en las turbinas a gas son del tipo giratorio, pudiendo ser:
- Compresores centrífugos
- Compresores axiales
En el 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 móviles donde los álabes están montados en discos. Las ruedas están ensambladas entre sí mediante tornillos guías axiales que permiten el apriete correspondiente, formando de esta manera el rotor del compresor axial.
Entre cada estadio móvil del rotor se ubica un estadio fijo del estator, o sea que en la dirección del eje del compresor se suceden alternativamente un estadio fijo y un estadio móvil, conformando de esta manera el conjunto compresor axial.
La compresión del aire se produce al pasar éste a través de un estadio fijo y uno móvil, por lo tanto el compresor está formado por un gran número de escalonamientos de compresión.
Cámara de combustión
A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar.
Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión está enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 oC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no están diseñadas para soportar tan altas temperaturas.
Están diseñadas mediante una doble cámara:
- Cámara interior. Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
- Cámara exterior. Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.
Turbina de expansión
Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de álabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de álabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.
Además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.
Carcasa
La carcasa protege y aísla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:
- Carcasa del compresor. Está compuesta por una única capa para soporte de los álabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.
- Carcasa de la cámara de combustión. Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.
- Carcasa de la turbina de expansión. Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los álabes fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los álabes. Debe también proveer protección térmica frente al exterior.
En apoyo a tu aprendizaje te invito a ver el siguiente video:
Conclusión
En conclusión, se repasaron los componentes principales de las turbinas de gas, las cuales son diferentes con respecto de las turbinas de vapor, no obstante que las 2 tienen fundamentalmente el mismo funcionamiento básico.
Recuerda que 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.
Hemos llegado al final de la clase ¡Te felicito por tu logro! Para completar la sesión te pido que realices la tarea asignada. Sigue avanzando en tu curso, falta poco para que logres completarlo. Te espero en la siguiente clase, hasta luego.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.