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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CÓRDOBA Facultad de Ciencias Exactas Físicas y Naturales

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Guía de estudio

TURBINAS DE GAS

Cátedra: Máquinas II Autor: Ing. Carlos R. Rosalén Año: 2016

Ing. Carlos R. Rosalèn (2016)

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NOTA AL LECTOR Esta guía tiene por fin servir de introducción y orientación para el estudio de los ciclos de las turbinas de gas, orientado a los estudiantes de ingeniería. No pretende ni puede sustituir a la copiosa bibliografía que existe en la materia. Si se extendiera hasta cubrir exhaustivamente todos los temas que incluye la materia resultaría excesivamente larga. Mi objetivo es pues ofrecer una visión general y simplificada de los aspectos más importantes de interés para la interpretación general de las centrales térmicas de gas. Esta guía de estudio, queda bien entendido, no basta por sí solo para adquirir los conocimientos y dominio necesarios en la materia, sino que sirve de base para un estudio posterior, más extenso, profundo y especializado. No sustituye a la bibliografía, que recomiendo enérgicamente como única vía para obtener un conocimiento solido de cualquier materia. En la selección del material y elaboración de ésta guía he tratado de mantener el mayor nivel de sencillez compatible con la profundidad que cada tema se merece. Siempre me pareció que algunos autores complicaban sus enfoques y desarrollos sin necesidad, y he tratado de evitar caer en ese error. Se reconoce que para la interpretación de los temas aquí tratados es de vital importancia recordar ciertos conceptos de la termodinámica, la cual no es una ciencia “fácil”. Precisamente por eso no se deben agregar dificultades a algo que ya de por si es complicado. En ésta guía, he omitido explicaciones teóricas del contenido de los temas, los cuales desarrollaré en las clases teóricas. Por lo expuesto precedentemente, recomiendo al alumno reforzar la teoría de los temas que ésta guía contiene con la bibliografía que les sugiero. Apreciaré mucho recibir sus comentarios, observaciones y sugerencias orientadas a mejorar el nivel de ésta guía, las que analizaré con el fin de incorporarlas en la próxima revisión y edición. ……………………………………………………….

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Temario 1. Introducción a las turbinas de gas- Generalidades-…………………………4 2. Principio de funcionamiento de las turbinas de gas………………………...7 3. Ciclo Brayton simple teórico. Rendimiento térmico…………………………8 4. Relación óptima de presiones para trabajo máximo del ciclo……………...11 5. Temperatura intermedia T2 para trabajo máximo del ciclo……………….15 6. Turbina de gas de comp.escalonada con enfriamiento intermedio………..16 7. Turbina de gas de exp. escalonada con recalentamiento intermedio……..18 8. Turbina de gas de compresión isotérmica. Rendimiento térmico………….21 9. Turbina de gas de expansión isotérmica. Rendimiento térmico…………..24 10. Ciclo Brayton real. Rendimiento térmico…………………………………27 11. Ciclo Brayton real-Relación óptima de presiones para trabajo máximo…30 12. Ciclo Teórico de turbina de gas con Regenerador ideal ………………….31 13. Ciclo Real de Turbina de gas con Regenerador ideal …………………….35 14. TG con Comp.escalonada + Regenerador + Expansión escalonada …….38 15. Turbina de gas de ciclo cerrado con regenerador y refrigerador………..40

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1- INTRODUCCION A LAS TURBINAS DE GAS De entre los distintos métodos que existen para la generación de potencia mecánica, la turbina de gas es, en muchos aspectos, el más satisfactorio. Una turbina de gas es una máquina capaz de generar potencia mecánica a partir de la combustión de una mezcla de combustible y aire en determinadas condiciones de presión. Actualmente las turbinas de gas tienen un amplio rango de aplicaciones entre las que se destacan la propulsión aérea y la generación de energía eléctrica . Para que a través de una turbina tenga lugar una expansión, es necesario que exista una diferencia de presiones, por lo que el primer paso en el ciclo de una TG será la compresión del fluido de trabajo. Así pues el primer elemento indispensable que conforman una TG es el compresor, que podrá ser centrífugo o axial, si bien, los grandes gastos que se manejan en la generación de energía eléctrica obliga a descartar los del tipo centrífugos. A través de una reacción de combustible y aire en una cámara de combustión, se produce la combustión de la mezcla que será el elemento fundamental de la TG.

Configuraciones para la Turbina de Gas Existen una gran variedad de montajes de la TG , las más interesantes son: Montaje en eje simple o monoeje Montaje en eje doble Ciclo regenerativo

Ciclo de las TG El ciclo Brayton abierto con combustión interna se emplea para analizar las turbinas de gas. La mayoría de las máquinas de Brayton estacionarias (terrestres) se diseñan para que la entrega de trabajo por la turbina sea máxima y, por ende, exceda al trabajo requerido por el compresor. El trabajo de eje excedente se emplea, por ejemplo, para impulsar un generador eléctrico o el compresor en una tubería. La energía total de los gases que salen de la turbina se minimiza para que la entrega de trabajo sea máxima. Es posible emplear la regeneración, el recalentamiento y el enfriamiento intermedio en las máquinas de Brayton de combustión interna estacionarias, como se estudiará a continuación. Esas técnicas para mejorar la eficiencia también pueden aplicarse a las turbinas de propulsión, pero el aumento en la complejidad y en el peso requiere de un cuidadoso análisis que asegure un beneficio neto.

Este tipo de centrales térmicas de gas se caracteriza por tener una turbina especialmente diseñada para transformar la combustión de un gas a alta presión en el movimiento de un eje solidario al rotor del generador, con la consiguiente generación de energía eléctrica. Un dibujo simplificado de los elementos que participan en el proceso que se lleva a cabo en este tipo de central se presenta en las figuras de más abajo.

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TURBINA DE GAS DE EJE ÚNICO (MONOEJE) Y CICLO ABIERTO Son turbinas de gas en las que sólo hay un compresor y una turbina, que forzosamente girarán a la misma velocidad, y no será otra que la del eje de obtención de potencia mecánica, donde irá conectada la carga. Es un montaje adecuado para el accionamiento de alternadores, ya que tienen una buena adaptación a las variaciones de carga y mantiene fácilmente la frecuencia de giro. Estas unidades se utilizan normalmente para aplicaciones donde no es necesaria una variación de la velocidad significativa. Así, en este tipo de turbinas monoeje, cuando actúan para la generación y producción eléctrica; el compresor, la turbina y el generador eléctrico, están todos unidos en el mismo eje girando de forma solidaria. Su velocidad de giro suele estar en 3000 rpm para ajustarse a los 50 Hz de la red eléctrica. En la turbina monoeje, el compresor y la turbina funcionan a la misma velocidad de giro. Cuando se precise una disminución en la velocidad de giro del eje de salida, el caudal de aire disminuirá, así como la presión de salida del compresor y, en consecuencia, la potencia y el par motor. Cuando se trate de accionar un alternador, para lo que se requiere una velocidad de giro en el eje constante, se mantendrá constante el caudal de aire y se podría regular la potencia desarrollada modificando únicamente la inyección de combustible en la cámara de combustión sin que varíe la velocidad de giro del rotor. La variación de la cantidad de combustible inyectado con caudal de aire sensiblemente constante modifica la temperatura de entrada a la turbina y, consecuentemente, el rendimiento de la máquina. En la figura se puede ver un esquema de éste tipo de turbina de gas.

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MOTOR DE TURBINA DE GAS DE DOBLE EJE Y CICLO ABIERTO Turbina Multieje: La turbina de expansión se encuentra dividida en dos secciones, la primera o Turbina de alta presión se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte el eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad.

La unidad generadora de gas no es más que una turbina de un solo eje que obtiene menos potencia. A la turbina de expansión de la unidad generadora de gases se le llama de alta presión, porque es la que recibe los gases con la presión más elevada del ciclo. La otra turbina es la de baja presión, aunque es la que obtendrá la mayor parte de la potencia. Estas características permiten que la turbina de potencia pueda funcionar en una amplia gama de velocidades y hace que estas turbinas de gas de doble eje sean ideales para aplicaciones de velocidad variable. Por lo tanto, este esquema permite una flexibilidad operativa mayor que cuando la turbina de potencia está ligada al conjunto compresor/turbina. Así, este tipo de turbinas de gas multieje se usa en turbinas de pequeña potencia ya que tiene buen comportamiento frente a variaciones de carga. Además, este montaje es adecuado para el accionamiento directo de maquinaria, ya que al girar la turbina de potencia a una velocidad inferior a la del generador de gases, permite reducir el tamaño del reductor de velocidad e incluso prescindir de él.

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2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS DE GAS El principio de funcionamiento de la turbina a gas de un solo eje, de acuerdo al esquema de la Figura de arriba es el siguiente: 1. El aire ingresa al compresor axial en el punto a las condiciones ambientes, previo a haber pasado por un filtro con el fin de retener las partículas de polvo u otras partículas contenidas en el aire ambiente. Dado que los parámetros ambientales varían durante el día e incluso varían también en función de la ubicación geográfica, es conveniente considerar condiciones standard. Las condiciones standard utilizadas en la industria son las condiciones ISO que establecen una temperatura de 15 ºC y una presión de 1 kg/cm2 En el compresor axial el aire es comprimido hasta la presión de combustión, o máxima presión del ciclo, sin aporte de calor del medio y como consecuencia de ello la temperatura del aire se incrementa debido a la compresión del mismo. El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor al necesario para producir la oxidación del combustible en la cámara de combustión. Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a: a) La necesidad de lograr una adecuada refrigeración de las partes calientes de la máquina (cámara de combustión, conductos de transición, estadios de toberas fijas, ruedas de alabes móviles y conductos de escape) b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases de combustión desde que se forman en la cámara de combustión hasta 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 mayor parte de la potencia entregada por la turbina, del orden de las 3/4 partes de la misma. 2. Una vez que el aire sale del compresor parte de él ingresa a la cámara de combustión donde el combustible es inyectado produciéndose de esta manera la combustión del mismo, dando lugar al aporte de calor (Q) del medio a la máquina térmica. El proceso de combustión se realiza a presión constante alcanzando muy altas temperaturas lo que da lugar a que se deba ingresar a la cámara de combustión aire de dilución a fin de disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeración para 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 del caudal de aire ingresado a la cámara de combustión más el caudal de combustible inyectado a la misma 3. Los gases de combustión así enfriados a una temperatura aproximada a los 1.200 ºC ingresan al primer estadio de álabes fijos, o toberas, de la turbina . La energía de presión de los gases de combustión es convertida en trabajo. Esta conversión se realiza en dos etapas: a) En las toberas de la turbina los gases son expandidos y de esta manera la energía de presión de los mismos es transformada en energía cinética. (caso de las turbinas de acción) b) Luego en los estadios (etapas) de álabes móviles de la turbina la energía cinética es convertida en energía mecánica (trabajo mecánico). 4. El ciclo finaliza cuando los gases de combustión después de expandirse en la turbina abandonan la misma y son expulsados a la atmósfera.

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CICLO BRAYTON ( o Ciclo de Joule) SIMPLE (teórico)

El ciclo termodinámico teórico por el cual funcionan todas las turbinas a gas es el Ciclo BRAYTON. La Figura nos muestra los diagramas “temperatura – entropía” y “presión – volumen” para éste ciclo. Las transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo son las siguientes: La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica del aire que se realiza en el compresor axial. La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presión constante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del medio al sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en el punto 2. La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gases de combustión que se desarrolla en la turbina. No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo a modo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como se ha explicado anteriormente, un ciclo abierto. Podemos interpretar que del punto 3 a 4 se produce la devolución de calor (Q devuelto) del sistema al medio, es decir la pérdida de calor al ambiente a través de los gases de escape de la turbina.

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Otra forma de cálculo del rendimiento es:

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RELACION ÓPTIMA DE PRESIONES PARA TRABAJO MÁXIMO DEL CICLO DE UNA TURBINA DE GAS

Hemos visto anteriormente que el rendimiento térmico aumenta al aumentar la relación de presiones ( ); pero según aumenta también aumenta T3 para una misma cantidad de calor absorbido (Qs). Esto tiene un inconveniente ya que ésta temperatura podría exceder el límite metalúrgico permitido a la entrada de la turbina (unos 950°C a 1230°C). Para soslayar esta dificultad, se podría proponer que aumentara, pero que la temperatura a la salida de la cámara de combustión (o a la entrada de la turbina) se mantuviera fija. Vamos a ver como con estas limitaciones, al aumentar aumenta el rendimiento pero disminuye el trabajo neto obtenido. Es decir, para alcanzar la misma potencia se necesitaría un flujo másico mayor, que a su vez requeriría un equipo mayor, lo cual tampoco es deseable. En el límite cuando se hace muy grande y la temperatura de salida de la cámara de combustiónT3 se mantiene constante, el trabajo neto es muy pequeño (ciclo A en el diagrama de abajo). También cuando disminuye mucho acercándose al valor 1 manteniendo T3 constante, el trabajo neto disminuye (ciclo C en el diagrama de abajo). Por tanto, dado un valor de T3=cte y de T1=cte. habrá un valor de que lleve a un valor máximo de W neto. Vamos a calcular cuál es la relación óptima de presiones para que resulte el Máximo de trabajo.

Relación Optima de presiones para Trabajo Máximo del ciclo Máximos de una Función.

En un punto en el que la derivada se anule y antes sea positiva y después del punto negativa, se dice que la función tiene un máximo relativo. Es decir, que F'(xo) = 0 y en ese punto, la función, pase de creciente a decreciente. Los puntos a, b y c del gráfico de abajo son los máximos para cada valor de T3 Estos puntos máximos se encuentran haciendo: Wciclo / a = 0 Ing. Carlos R. Rosalèn (2016)

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Como vemos, la relación de compresión óptima depende de las relaciones de las temperaturas extremas. La curva de trabajo máximo se obtiene uniendo los puntos máximos de cada curva. Vemos que a medida que aumenta la temperatura T3 suponiendo constante la temperatura T1 el trabajo del ciclo aumenta, consecuentemente aumentará el rendimiento térmico del ciclo.

Otra forma de cálculo de la relación óptima de presiones es utilizando las expresiones de las energías aportadas (Qs) y perdidas (Qp); es decir:

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Para mejorar el rendimiento del ciclo BRAYTON existen diferentes métodos. Una mejora consiste en realizar compresiones escalonadas con enfriamientos intermedios de manera de aproximar la transformación isoentrópica en una transformación isoterma, con lo cual aumentamos el área encerrada por el ciclo. Otra mejora, empleando el mismo criterio, consiste en realizar expansiones escalonadas con recalentamientos intermedios en el proceso de expansión de los gases en la turbina, aproximando la transformación isoentrópica a una transformación isoterma. La figura adjunta muestra este procedimiento

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Como se puede apreciar en el gráfico el área útil del ciclo con múltiples compresiones y múltiples expansiones ( 1-2’-3-4’) es MAYOR que el trabajo útil del ciclo simple ( 1-2-3-4). El ahorro del trabajo total de compresión está representado por el área 1 -2’-2-1 El aumento en el trabajo total de las turbina está representado por el área 3-4-4’-3 Siendo las isobáricas curvas exponenciales divergentes (aquí representado curvas casi paralelas) resulta que el trabajo total de expansión en las turbinas es MAYOR al trabajo consumido por el compresor por lo que resultará un trabajo útil mayor y por consiguiente el rendimiento también será mayor. ……………………………………………..

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TEMPERATURA INTERMEDIA T2 PARA TRABAJO MÁXIMO DEL CICLO

La temperatura ambiente o temperatura del aire que ingresa al compresor T1 tiene una gran importancia en el rendimiento del motor de turbina de gas, ya se vio en el estudio del ciclo que el rendimiento es = 1 – T1 / T2 como éste aumenta al disminuir T1 por lo que al reducirse el trabajo del compresor se aumenta el trabajo del ciclo

Esta ecuación muestra que para una determinada relación de presiones, el trabajo del compresor se reduce disminuyento T1; proporcionalmente puede aumentar el trabajo del ciclo y la potencia en el eje de la unidad. Para las temperaturas límites T1 Y T3 existe cierta temperatura intermediaT2 que puede dar como resultado un trabajo máximo del ciclo, esto es importante porque se debe tratar de que las dimensiones de la máquina sean lo más pequeña posible.

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TURBINA DE GAS SIMPLE DE COMPRESIÓN ESCALONADA CON ENFRIAMIENTO INTERMEDIO

También se puede aumentar el trabajo neto en una turbina de gas, reduciendo el trabajo realizado por el compresor. Esto se consigue a través de la compresión multietapa con refrigeración intermedia. En la figura se ilustra un esquema de la máquina suponiendo un solo enfriador intermedio y que éste es perfecto, no introduciendo pérdidas térmicas ni caídas de presión. La compresión total del aire se hace en dos etapas, utilizando dos compresores axiales, el compresor de baja presión C1 y el compresor de alta presión C2, entre ambos compresores se instala el enfriador que refrigera el aire extrayendo Q1 calorias, luego se realiza la compresión en C2, el aire así comprimido pasa por la cámara de combustión para luego expandirse en la turbina que hace girar el eje para el funcionamiento del alternador. El croquis de la instalación y el ciclo termodinámico se ven en las siguientes figuras:

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Cálculo del rendimiento t...