Tema 3.1 Turbinas de Gas y Vapor PDF
Tema 3.1 Turbinas de Gas y Vapor PDF
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CONTINUA EN LAS
TURBINAS DE GAS (TG)
TURBOMAQUINAS
TURBOMAQUINAS
Maquinas
Maquinas de
de fluido
fluido en
en las
las que
que el
el intercambio
intercambio de
de energa
energa es
es debido
debido aa la
la variacin
variacin del
del
momento
cintico
del
fluido
a
su
paso
por
el
rodete
y
su
funcionamiento
se
basa
en
momento cintico del fluido a su paso por el rodete y su funcionamiento se basa en la
la
ecuacin
de
EULER.
ecuacin de EULER.
Segn
Segn la
la compresibilidad
compresibilidad del
del fluido
fluido
Fluido
Fluido compresible
compresible
TERMICAS
TERMICAS
Fluido
Fluido incompresible
incompresible
HIDRAULICAS
HIDRAULICAS
Segn
Segn el
el sentido
sentido de
de intercambio
intercambio de
de energa
energa
Del
Del fluido
fluido al
al rodete
rodete
MOTORAS
MOTORAS
Del
Del rodete
rodete al
al fluido
fluido
GENERADORAS
GENERADORAS
Segn
Segn la
la direccin
direccin del
del flujo
flujo
RADIALES
RADIALES
AXIALES
AXIALES
DIAGONALES
DIAGONALES
turbina
Aire de
entrada
Admisin
compresin
combustin
expansin
escape
Admisin
Compresin
Combustin
Expansin - Escape
Inyector de
combustible
Zona primaria
Zona intermedia
Zona secundaria o
de dilucin
Zona de
combustin
primaria
Aire de dilucin
100%
Aire
primario
~~ 1
= 0.4 0.25
ZONA DE DILUCIN
Se suministra el aire restante
para enfriar los productos de la
combustin hasta la temperatura
requerida en la entrada de la
turbina
sellado
carcasa
Buja de encendido
Tubo de llama
ZONA INTERMEDIA
Se introduce aire adicional para
completar la combustin
Aire primario
Tubo de llama
Aire secundario
Descarga de gases
calientes
Ventajas
Desventajas
Inyector de comb.
Tubo de llama
Tubular cilndrica
carcasa
Inyector de comb.
Estructuralmente robusta.
Voluminosa y pesada.
Desarrollo y ensayo de la
cc. mas simple.
Tubo de llama
anular-cilndrica
carcasa
Tubo de llama
Inyector de comb.
carcasa
anular
C. C. TUBULAR
Carcasa
exterior
Quemador
C. C.
TUBOANULAR
Lado de la turbina
Tubo de llama
Carcasa exterior
Alabes gua de
la turbina
TIPOS DE CAMARAS DE
COMBUSTION EN TG
Alabes
compresor
Carcasa
interior
inyector
C. C. ANULAR
inyector
Carcasa Colector de
compresor combustible
Carcasa
turbina
Orificios aire
de dilucin
carcasa
Camisa exterior
difuso
r
Camisa
interior
Tipos de TG aviacin
turbofan
turborreactor
turboprop
TG DE AVIACION (turbofan)
TG DE AVIACION (turbofan)
TG DE AVIACION (turboreactor)
TG estacionaria
Turbina
Camara de
combustin
compresor
TG ESTACIONARIA AERO-DERIVADA
En las turbinas de gas de ciclo simple, el rendimiento est muy lejos de igualar el de
los motores alternativos estacionarios, y aun a veces, el de las turbinas de vapor; sto
es debido a que:
Existe una cierta dificultad para construir compresores rotativos que permitan alcanzar
elevadas relaciones de compresin.
* Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soporten temperaturas elevadas, al
tiempo que mantienen unas determinadas caractersticas tcnicas.
En las turbinas de gas de circuito abierto se cumplen una serie de requisitos:
* No existen piezas en movimiento alternativo, por lo que es muy fcil realizar el equilibrado
* Tienen gran velocidad de rotacin, entre 3.000 y 30.000 rpm
* Tienen un par regular sin necesidad de volante
* Tienen buena adaptacin a las grandes expansiones, y por lo tanto, a los grandes
volmenes de fluido
* Producen grandes potencias en poco espacio
Lmite de posibilidades.En las turbinas de gas, el comportamiento del primer escalonamiento de la turbina de AP
define los lmites de potencia; las tensiones en las aletas debidas a la temperatura de
entrada en la turbina, limitan sus dimensiones y el gasto de gases que las atraviesa.
La potencia que se obtiene para un gasto dado depende del ciclo elegido, por lo que:
a) En una turbina de gas con una lnea de ejes se pueden alcanzar, para un grado
de compresin de 5 6, rendimientos del orden del 19% sin recuperador y del
25% con recuperador.
b) En una turbina de gas con dos lneas de ejes, recuperador, refrigeracin durante
la compresin escalonada y recalentamiento durante la expansin en etapas, se
pueden alcanzar potencias ms importantes, ya que al ser el grado de
compresin ms elevado, el gasto aumenta en la turbina de AP, a igualdad de
secciones de paso, alcanzndose rendimientos del orden del 28% con un grado
de compresin de 15 17.
Temperatura mxima.La temperatura mxima admisible viene determinada por la calidad del combustible;
temperaturas superiores a 620C exigen combustibles gaseosos que generen pocas
materias slidas y den un mnimo de cenizas, sobre todo si contienen materias corrosivas,
que resultan de las combinaciones del sodio, cinc, plomo, vanadio, etc., con el oxgeno.
Diagrama (T,s) y esquemas del ciclo de una turbina de gas de combustin (Ciclo Brayton)
Comb.
aire
Turbina de gas con tres escalonamientos de compresin y dos refrigeraciones, dos etapas de
expansin con un recalentamiento y cogeneracin, con las distintas etapas montadas sobre dos ejes
a) Compresor de baja presin; b) Refrigeracin intermedia; c) Compresor de media presin; d) Refrigeracin
intermedia; e) Compresor de alta presin; f) Recalentador de aire; g) Cmara de combustin de alta presin;
h) Turbina de alta presin; i) Cmara de combustin de baja presin; k) Turbina de baja presin; l) Alternador;
m) Motor de arranque; n) Reductor de velocidad
REFRIGERACIN DE LA TG aviacin
REFRIGERACIN DE LA TG AVIACIN
REFRIGERACIN DE LA TG ESTACIONARIA
La refrigeracin de las partes de la turbina que alcanzan mayores temperaturas se puede
hacer mediante extracciones de aire a partir de un determinado escalonamiento del compresor.
Un disco de turbina se puede refrigerar mediante una corriente de aire inyectada en la
periferia del eje que, despus de haber rozado la superficie del disco, se mezcla con el flujo de gas que
atraviesa los labes mviles.
REFRIGERACIN DE LA TURBINA
REFRIGERACIN DE LA TURBINA
Evolucin de los sistemas de refrigeracin de alta presin de los alabes de la turbina
EVOLUCIN DE LAS TG
Evolucin de los sistemas de refrigeracin de alta presin de los alabes de la turbina
EVOLUCIN DE LAS TG
Inyeccin de amoniaco.- Otra solucin consiste en intentar eliminar los NOx mediante inyeccin
de un agente reductor, por ejemplo, amonaco, que pueda reducirles.
Esto exigira:
a) Un dispositivo de deteccin del contenido de NOx en los gases de escape
b) Un sistema de regulacin que dosifique el gasto msico del agente reductor NH3 que debe ser inyectado
c) Una cmara de reaccin de volumen suficiente como para permitir se produzcan las reacciones qumicas
del NOx con el NH3.
Esta solucin resulta tambin poco adaptable a las turbinas de aviacin.
Cambio de carburante.- Las turbinas industriales se proyectan para ser utilizadas con diferentes
carburantes (gasleo, gas natural, gas pobre, alcohol, etc).
La experiencia demuestra que, debido a que la temperatura de la llama es ms baja, los carburantes
con un poder calorfico dbil dan lugar, para un mismo diseo de la cmara de combustin, a niveles de
NOx ms bajos, pero, los niveles de CO y HC pueden ser ms altos.
La utilizacin de carburantes de bajo poder calorfico da lugar a consumos especficos mayores, para
un mismo cometido.
Estas soluciones, aplicables a las turbinas industriales de gas, lo son difcilmente a las turbinas
de aviacin, ya que dan lugar a un mayor consumo.
Cmara de
combustin con
dos cabezas
Geometra variable.- Permite regular el gasto msico en la zona primaria para cada rgimen
de funcionamiento.
Inyeccin con premezcla pobre.- La formacin de NOx depende mucho de las temperaturas y
riquezas locales presentando un pico importante para las mezclas estequiomtricas.
TURBINAS DE VAPOR
TURBINAS DE VAPOR
Vlvula de control
de vapor vivo.
Vlvula principal de parada
TURBINAS DE VAPOR
Turbina de contrapresin, en la que la presin del vapor a la salida de la turbina est por encima de la
presin atmosfrica y es susceptible de poder ser empleado en un proceso industrial.
Turbina de condensacin, en la que el vapor se expande desde la presin de entrada hasta una presin
por debajo de la atmosfrica, condensando posteriormente y bombeando el agua a la caldera; es el tipo de
turbina empleado en las centrales trmicas de generacin de energa elctrica.
Turbina de extraccin, que consiste en una turbina con una toma de vapor en la carcasa para alimentar
un determinado servicio, o precalentar del agua de alimentacin de la caldera; la turbina de extraccin
puede ser de condensacin o no.
Los datos ms usuales a tener en cuenta en el clculo de una turbina multicelular son:
* La presin y temperatura del vapor en la admisin, p0,T0
* La potencia de la mquina, dada en las bornas del alternador
* El gasto msico del vapor G
* La presin en el condensador pC
* La velocidad de rotacin n
TURBINAS DE VAPOR
TV vs TG
Diseo de alabes
Diseo de alabes