• Author / Uploaded
• Angel Jesús Agapito Cortez

Citation preview

MOTORES MARINOS II Turbina a Gas

Dr.(e) CARLOS BORJA GARCIA [email protected]

CONTENIDO TEMATICO

SEMANA 8

Ciclo Brayton

Historia: En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas.

Definición

El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible.

Objetivo: Convertir la energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica.

Eficiencia del ciclo Se encuentra que la eficiencia de las máquinas de Brayton en ciclo cerrado dependen únicamente de la relación de presiones isoentrópicas. Si se aumenta la presión de entrada a la turbina, también se incrementa la temperatura en dicha entrada. La temperatura de entrada a la turbina, con frecuencia, está limitada por las propiedades de los álabes, lo que corresponde a un límite superior práctico en la eficiencia del ciclo.

Funcionamiento de un Ciclo abierto

1)Ingreso de aire 2)Compresión del aire 3)Combustión 4)Gases de escape

Funcionamiento de un Ciclo cerrado 1-2 compresión isoentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isoentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=constante

Aplicaciones Las turbinas tienen diferentes tipos de aplicaciones. Uno de los mas comunes y de los que se van a tratar en esta exposición son: - Turbinas de Potencia - Turbinas de Desplazamiento

Estudio Termodinámico 2 Wc

Cámara de Combustión

Compresor

P

2

TurbinaW

Qh

I.C

1

3

Qh

3

1 QL

t

4

Q L

Procesos: 1-2 Compresión adiabática reversible 2-3 Absorción de calor a presión constante 3-4 Expansión adiabática reversible 4-1 Rechazo de calor a presión constante.

T 2

4

v

1

Qh

3 4

QL

s

Mejoras del Ciclo Brayton 1.- Regeneración: Cuando la Temperatura de salida de los gases de la turbina es mayor que la de los gases que salen del compresor, se puede introducir un regenerador para recuperar parte de la energía disponible de estos gases y precalentar el fluido antes de la cámara de combustión. QL 6 IC

Qh

T Q regenerado

2 1

5

3

Qh

4 6 QL

s

Mejoras del Ciclo Brayton 2.- Compresión en múltiples etapas con enfriamiento intermedio: La potencia neta aumenta si se reduce la potencia producida por el compresor, esto se puedo lograr haciendo el proceso de compresión isotérmica o aproximarlo a este tipo de proceso.

1

8

IC

Comp 2

REGEN

Comp

IC

3

4

5

CC 6

7 Turb

Mejoras del Ciclo Brayton 3.- Expansión en múltiples etapas con recalentamiento entre ellas. Esto se realiza sin superar la Tmax del ciclo, a mayor número de etapas de expansión con recalentamiento intermedio el proceso se asemeja a un proceso isotérmico. 9

10

IC

REGEN

1

Comp

Comp

2 IC

3

4

5

CC

6

Qh

T

5

Q regenerado

6 Turb

Turb

7

8 CC

3

1

9

7

2

4

8

Q regenerado = Q ahorrado

10 QL

s

CONCLUSIONES El ciclo Brayton es un ciclo de potencia de gas y es la base de las turbinas de gas. Tiene como función transformar energía que se encuentra en forma de calor a potencia para realizar un trabajo, tiene varias aplicaciones, principalmente en propulsión de aviones, y la generación de energía eléctrica, aunque se ha utilizado también en otras aplicaciones. Este puede ser operado de varias maneras, ya sea abierto o cerrado, existen formas de optimizar su rendimiento, pero hay que tener mucho cuidado en examinar si vale la pena hacer cambios. Una manera de mejorar un ciclo cerrado es la regeneración empleando parte de la energía desechada para calentar los gases que dejan el compresor y, por ende, reducir la transferencia de calor requerida por el ciclo.

Turbinas a Gas

8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5.

Introducción (Objetivo – Historia) Principios de funcionamiento Descripción de los componentes principales Sistema de partida Nociones y funciones básicas del sistema de lubricación. Nociones y funciones básicas del sistema combustible.

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Objetivo: – Identificar los componentes principales de las turbinas navales a gas utilizadas en propulsión naval. – Entender el principio de funcionamiento, o el como transforma la energía química del combustible a térmica y luego en trabajo mecánico aprovechable

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Historia

AERODERIVACIÓN

Sir Frank WHITTLE’s Company desarrolla la Turbina Gas W-1.

Primera lancha rápida de patrulla (FPB) propulsada por turbina aeroderivativa PROTEUS.

Se considera la posibilidad de incorporarla como propulsión de una aeronave

Primeros buques de línea sistema COSAG con turbinas G-6 de 7.500 SHP.

Primera W-1 inicia los vuelos de prueba.

Primer buque en el mundo propulsado solo con turbinas a gas en un arreglo COGOG (OLYMPUS + PROTEUS) .

Metropolitan Vickers G-1 (2.500 SHP) inicia pruebas de mar.

1936

1939

1941

1947

Estudio y diseño del nuevo concepto en turbinas a gas (WR-21)

En adelante perfeccionamiento de turbinas con nuevas capacidades y características (OLYMPUS, TYNE(67), SPEY (74), LM 2500)

1958

1961

1968

1974

1995-7

Turbinas a Gas: INTRODUCCION Sir Frank WHITTLE’s Company desarrolla la Turbina Gas W-1

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

HISTORIA: – Los orígenes de la turbina a gas, como propulsión naval, a partir de los años 60, se encuentran asociados a la aviación, debido a que su desarrollo tecnológico se produce desde ellas. – En la década del 70, EE.UU. y gran Bretaña hicieron grandes esfuerzos en desarrollar la turbina a gas: • Fragatas Tribal y los Destructores County • Destructores Spruance y Fragatas clase Perry. • También en buques auxiliares (Barreminas e Hidrofoils).

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Fragatas Clase Tribal

– Su génesis data desde 1951. – Se construyeron 7, con una turbina a vapor (principal) y una turbina a gas G-6, para reforzar a la de vapor. – Primera configuración COSAG. – Proyecto abandonado en favor de Leander Class

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Destructores tipo County – – – – –

Su génesis data desde 1955. Actualmente en servicio en Chile. Son COSAG, con 4 turbinas a gas. Fueron el paso siguiente de las Tribal. Usan la misma turbina G-6.

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Destructores tipo Spruance

– Su génesis data desde 1962. – Actualmente en servicio en US. – Son COGAG.

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

Fragatas O. H. Perry

Turbinas a Gas: INTRODUCCION

HISTORIA: – Las T.G. tenían una relación peso – potencia muy baja. – Podían operarse con relativa eficiencia a potencias altas. – Al igual que la turbina a vapor, la turbina a gas no es reversible. Esto exigió desarrollar complejos sistemas de reversión de marcha hidráulicos, o hélices de paso controlable para mayor potencia.

Turbinas a Gas: INTRODUCCION Genealogía de las Turbinas a Gas

Turbinas a Gas: 8.1 Principios de Funcionamiento El principio de funcionamiento de las turbinas a gas esta basado conceptualmente en el ciclo de Brayton. La substancia de trabajo (aire), es comprimido y enviado hacia una cámara de combustión, lugar donde se genera una gran cantidad de gases de alta temperatura, los cuales entregan su energía en una turbina la cual, a su vez, trasmite su movimiento hacia el eje propulsor.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. Una vez en servicio no depende de otras máquinas para su funcionamiento.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. A diferencia de un motor diesel que también usa gas en el proceso, la turbina lo hace a presión constante (ciclo Brayton) lo que le da la característica de contínuo.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. Puede provenir de un ciclo abierto (Aire) o cerrado (Helio, Hidrógeno, etc.). En este caso el calor es agregado por medio de intercambiadores de calor.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. Por medio de compresores generalmente axiales o centrífugos, aunque se han hecho intentos con compresores de pistones sin resultados positivos.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. Petróleo, Gas Natural, Gas de desechos orgánicos, Calor de pérdidas (descargas de chimeneas, etc.)

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

DEFINICIÓN CONCEPTUAL

• Máquina de Calor, autocontenida, que opera en un ciclo contínuo, usando gas como fluido de trabajo.

• El gas es comprimido, calentado y expandido por alguna fuente de energía externa para que provea energía de salida. Empuje (JET), Potencia en el Eje, Aire comprimido del Compresor y Calor.

Turbinas a Gas: Principios de Funcionamiento

CICLO

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento Toda turbina a gas está conformada por tres componentes principales: Compresor - Cámara de Combustión - Turbina

General Electric LM 2500 Gas Turbine

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento • El compresor aspira el aire desde la atmósfera y lo comprime elevando su presión y disminuyendo su volumen (tramo A).

• En el interior de la cámara de combustión se materializa el ingreso de combustible, generalmente petróleo, produciéndose su combustión con el aire comprimido, absorbiendo calor a presión constante (tramo B).

• Los gases generados por la combustión, a una alta temperatura y presión pasan hacia la turbina, entregando su energía térmica, produciéndose la expansión de estos, para retornar posteriormente a la atmósfera. En el proceso trasforma la energía de los gases en trabajo mecánico en el eje (tramo C). • Dicho trabajo es utilizado como potencia útil en el eje y además para el movimiento del compresor a través del eje acoplado.

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

Turbina de avión, Turbo Fan

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

Turbina de avión, Turbo Jet

UNIDAD TEMATICA 6.1.:

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

Turbina de avión, Turbo Jet

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

Turbina de avión, Turbo Jet

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbina de avión, Turbo Jet Nozzle Inlet

Compressor

Burner

Turbine

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

Turbopac Detroit Diesel: Unidad de poder Compresor Cámara de combustión Turbina

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento COMPARACION DE UNA T.G. Y UN MOTOR DIESEL. La cámara de combustión en una T.G. se encuentra físicamente separada de donde se produce el trabajo mecánico, la turbina. En el motor diesel la combustión y la conversión de la energía en trabajo mecánico ocurren en el interior del mismo cilindro. Sin embargo, en las turbinas a gas, al igual que los motores diesel se realizan los mismos 4 tiempos: admisión, compresión, explosión y escape. Pero se desarrollan en forma simultánea y contínua.

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento COMPARACION DE UNA T.G. Y UN MOTOR DIESEL. CICLO

ADMISION

COMPRESION

TRABAJO

ESCAPE

el aire es El compresor aspirado por el compresor.

Contínuo

A la atmósfera

el aire es aspirado por el pistón hacia el interior del cilindro.

El pistón

Intermitente

A la atmósfera

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento COMPARACION DE UNA T.G. Y UN MOTOR DIESEL.

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento COMPARACION DE CICLOS ENTRE PLANTA VAPOR, DIESEL Y T.G. • PLANTA A VAPOR.

• MOTOR DIESEL.

• TURBINA GAS.

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

PLANTA A VAPOR

• Opera a través del envolvente de saturación. • Proceso de recuperación requiere condensar para reutilizar el vapor, lo que implica gran cantidad de maquinaria adicional. • Poco trabajo para comprimir el fluido. • Gran trabajo específico en la expansión del vapor. • Es de Ciclo cerrado. T

2

3

1

4 6

CICLO RANKINE

5

S

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

MOTOR DIESEL

• Buen trabajo específico de salida disponible después de la compresión del gas. • Ciclo abierto. • Ciclo NO contínuo. • Implica válvulas y varias partes en movimiento, con variados problemas de fatigas por esfuerzos y/o temperatura. T

3

4 5

2 1 CICLO DUAL

P. ATM. S

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

TURBINA A GAS

• Muy pobre trabajo específico de salida, disponible después de comprimir el gas. • Esto hace que altas potencias se logren sólo si: • Se obtienene altas eficiencias en los componentes. • Alto flujo másico de gas. • El elevado flujo másico T se logra debido a que 3 PRESIÓN CC el proceso es contínuo. 2 ATMOSF. 4 DESCARGA

1 ASPIRACIÓN

CICLO BRAYTON

S

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

PRINCIPALES VENTAJAS.

• • • • • • • • • •

ALTA RAZÓN POTENCIA/PESO. CAPACIDAD DE PARTIDA RÁPIDA Y RÁPIDA RESPUESTA A CAMBIOS DE POTENCIA DEMANDADA. REQUIERE POCA MANTENCIÓN A BORDO. FÁCIL DE MANTENER MEDIANTE EL REEMPLAZO DE COMPONENTES CRÍTICOS. REDUCIDO PERSONAL PARA OPERAR. BAJO CONSUMO ESPECÍFICO A ALTAS POTENCIAS. BUENA DISPONIBILIDAD. REDUCIDO RUIDO RADIADO BAJO EL AGUA. REQUIERE POCAS ABERTURAS DE CASCO. OTORGA FLEXIBILIDAD OPERACIONAL (1, 2 Ó 4 )

Turbinas a Gas: Principios de funcionamiento

PRINCIPALES DESVENTAJAS.

• • • • • • • •

ROTACIÓN UNIDIRECCIONAL. REQUIERE COMBUSTIBLES DE ALTA CALIDAD. REQUIERE SUMINISTRO DE AIRE DE ALTA CALIDAD. REQUIERE GRANDES DUCTOS DE ASPIRACIÓN Y DESCARGA DE GASES. ELEVADA FIRMA-HUELLA INFRARROJA. UNIDADES DE ALTO COSTO, Y ELEVADO COSTO DE INFRAESTRUCTURA TERRESTRE DE APOYO. ELEVADO CONSUMO DE COMBUSTIBLE A BAJA CARGA. MAYOR NUMERO DE MÁQUINAS MOTRICES.

8.2 Turbinas a Gas: Componentes Principales Los principales componentes de una turbina a gas son los siguientes: – Compresor – Cámara de Combustión. – Turbinas – Perisféricos: • Ductos de aire • Ductos de descarga de gases

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR

• Aspira aire desde la atmósfera y eleva su presión objeto contar con la masa de aire requerida para producir una combustión eficiente junto al combustible necesario, según los requerimientos de carga. • El aire pasa de la atmósfera al compresor a través de un silenciador, lugar desde donde ingresa al compresor a través de una toma de aire.

• Parte del aire comprimido se introduce a las cámaras de combustión, mezclándose con el combustible (aire primario). • El resto del aire comprimido (aire secundario), tiene por objeto disminuir la temperatura de los gases de combustión antes de ingresar a la turbina, protegiendo sus paletas.

Turbinas a Gas: Componentes Principales Los compresores dependiendo del diseño de la turbina pueden ser de dos tipos: a) Centrífugos (flujo radial) b) Axiales (flujo axial).

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO

Característica principal: El flujo de aire sigue una dirección radial desde el centro hacia la periferia, aprovechando el principio físico de la fuerza centrífuga. Ventaja: Diseño sencillo, poco peso y bajo costo de fabricación. Desventaja: Bajo rendimiento para altas razones de compresión.

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Para mejorar su rendimiento, se deben usar dos o mas estados, lo que hace perder eficiencia de la instalación en términos de espacio. Generalmente se utilizan en turbinas de gas auxiliares y pequeñas.

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Impulsor mixto (Radial – Axial)

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Impulsor Radial

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Impulsores Radiales

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Multi-stage radial compressor with flow from bottom to top. As the gas is compressed the density is increased. To maintain similarity of velocity triangles, passage size and blade width are reduced

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR CENTRIFUGO Turbocompresor: Un ejemplo de compresor radial

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Característica principal: El flujo de aire sigue la dirección de su eje pasando alternativamente por paletas estacionarias (en la caja) y móviles (fijas en el rotor o eje). Al utilizar varios estados se obtienen razones de compresión de hasta 20:1, lo que permite obtener un amplio espectro de combustión para los diversos requerimiento de carga. Ventaja: Mejor rendimiento debido al menor espacio que utiliza. Lo hace apto para ser usado en buques. Desventaja: Diseño más complejo y mayor peso.

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Assembly of a gas turbine for power generation. Notice the stators near the bottom of the picture, and the rotors on the main spool, suspended above the casing

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Turbinas a Gas: Componentes Principales COMPRESOR AXIAL

Shop assembly of a 20,000 kW gas turbine for a combined steam and gas turbine power station

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales Los principales componentes de una turbina a gas son los siguientes: – Compresor – Cámara de Combustión. – Turbinas – Perisféricos: • Ductos de aire • Ductos de descarga de gases

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION. Su función es inyectar el combustible para ser mezclado con el aire que viene desde el compresor, con el objeto de producir una ignición y combustión continua obteniéndose gases de una temperatura predeterminada. Son de forma cilíndricas y están compuestas por tubos denominados tubo de llama, una camisa exterior perforada, uno o varios quemadores y una bujía de alta energía para el encendido.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION. La mayoría de las turbinas de uso naval tienen mas de una cámara, las cuales están montadas en forma simétrica y circunferencialmente espaciadas alrededor del eje. El tubo de llama esta confeccionado de un material que presenta una gran resistencia a las altas temperaturas, al igual que la camisa exterior. Cada cámara de combustión tiene un quemador, el cual tiene en su extremo un filtro y tobera de similares características que las de los quemadores de las calderas.

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION. Cuentan con un bujía retráctil, cuyos contactos están separados por un material especial semiconductor, el cual bajo el alto voltaje de una fuente de poder, llega a ser conductor, produciéndose una intensa descarga eléctrica, que genera la ignición. Dicha bujía no siempre esta disponible para cada cámara de combustión, sino que existen en algunas de ellas, produciéndose la propagación de la llama durante el encendido hacia las cámaras que no cuentan con bujía, mediante tubos instalados de tal forma que las interconectan.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION. El aire primario (app. 30% del total de aire comprimido) pasa directamente hacia la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. El aire secundario (app. 70% del aire comprimido), pasa hacia el interior del tubo de llama, através de orificios, mezclándose con los gases de la combustión, para: a.- Bajar la temperatura de los gases de combustión a un rango aceptable evitando daños en las paletas de turbinas. b.- Servir como medio de enfriamiento del turbo de llama a través de la película de aire generada en la superficie de este.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION. CARACTERÍSTICAS:

u u u u u u

REQUIEREN ALTA EFICIENCIA Y ESTABILIDAD DE COMBUSTIÓN FACILIDAD DE ENCENDIDO.

MÍNIMA PERDIDA DE PRESIÓN.

DESCARGA LIMPIA (SIN HUMO).

PERFIL DE TEMPERATURA DE DESCARGA UNIFORME. COMPACTAS Y DE BAJO PESO

Turbinas a Gas: Componentes Principales CAMARA DE COMBUSTION

Turbinas a Gas: Componentes Principales Los principales componentes de una turbina a gas son los siguientes: – Compresor – Cámara de Combustión. – Turbinas – Perisféricos: • Ductos de aire • Ductos de descarga de gases

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA. Transforma la energía cinética de los gases de combustión, en energía mecánica utilizable para potencia en el eje y para accionar el compresor de aire y otros accesorios. En general, son de flujo axial y al igual que las turbinas a vapor están compuestas por un eje o rotor donde van montadas ruedas con paletas móviles, las cuales están intercaladas con ruedas de paletas fijas hechas firmes a la caja, cuya función es convertir la energía térmica de los gases en energía cinética, dirigiéndolos hacia las paletas móviles con un ángulo que asegure la máxima eficiencia.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA. Turbina de 3 estados con sus respectivas ruedas y paletas móviles.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA. Con el propósito de proteger las paletas de la turbina, de las altas temperaturas de los gases, se han diseñados sistemas de enfriamiento especiales utilizado aire secundario. El aire frío ingresa al interior de paletas.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA.

Turbinas a Gas: Componentes Principales TURBINA.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CONFIGURACION DE LOS EJES DE LA TURBINA A GAS. De eje simple: Existe una sola turbina de poder cuyo eje esta acoplado al del compresor de aire. De eje doble: El eje del compresor está separado del eje de la turbina de poder.

Turbinas a Gas: Componentes Principales CONFIGURACION DE LOS EJES DE LA TURBINA A GAS.

• En las turbinas de dos ejes, los gases pasan a través de la turbina de alta presión que va conectada al compresor. • Luego pasan a través de la turbina de poder desde la cual los gases fluyen hacia el ducto de escape. • La turbina de poder está conectada al eje propulsor a través de acoplamiento hidráulico y engranajes de reducción.

• La ventaja principal de la disposición de dos ejes radica en que la turbina de poder es mecánicamente independiente del generador de gas. En otras palabras, la turbina de poder esta capacitada para entregar potencia de un amplio rango de velocidad del eje propulsor, con una pequeña e incluso sin variación de velocidad del generador de gas.

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales

Turbinas a Gas: Componentes Principales Los principales componentes de una turbina a gas son los siguientes: – Compresor – Cámara de Combustión. – Turbinas – Perisféricos: • Ductos de aire • Ductos de descarga de gases

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS DE ENTRADA DE AIRE. •

Las turbinas a gas de propulsión naval requieren grandes volúmenes de aire para la eficiente operación del compresor.

•

Lo anterior incide directamente en el diseño de los ductos de admisión de aire, los cuales por ende son de grandes dimensiones, lo que afecta en forma negativa a las condiciones de estabilidad del buque (peso por alto).

•

La solución de compromiso es instalar ductos del menor tamaño y peso posible para que no produzcan pérdidas en el flujo y no sufra fluctuaciones que afecten la eficiencia del compresor y motiven vibraciones indeseables.

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS ENTRADA DE AIRE.

El aire que ingresa al compresor debe ser extremadamente limpio ya que cualquier partícula extraña o suciedad que se deposite en las paletas del compresor producirá una baja en su eficiencia y en algunos casos, un posible daño estructural. Para prevenir lo anterior se utilizan filtros.

Con el objeto de evitar el posible ingreso de partículas de sal por golpes de mar, las tomas de aire se instalan en las cubiertas superiores del buque. El silenciador reduce el ruido de alta frecuencia que se produce durante su operación.

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS ENTRADA DE AIRE.

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS ENTRADA DE AIRE.

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS DE DESCARGA Y FIRMA IR.

La temperatura de los gases de descarga es muy alta en buques propulsados por turbinas a gas (app. 600ºC) para obtener una alta eficiencia de la plantas.

Los flujos de descarga de gases son grandes, lo que representa una desventaja en términos de firma IR.

La firma infrarroja o firma IR es la característica particular de cada buque en términos de emisión de radiación en forma de calor la cual puede ser aprovechada para detección por parte del enemigo incluso en la noche. También puede ser utilizada hoy en día en sistemas de guiado de misiles o para clasificación de submarinos y satélites.

Turbinas a Gas: Componentes Principales DUCTOS DE DESCARGA Y FIRMA IR.

La columna de gases calientes que emite la chimenea es la fuente mas importante de radiación IR. Es por eso que es necesario utilizar métodos para reducir dichos efectos, entre los cuales se pueden mencionar. – – –

Utilización de al energía para generar vapor en una caldera auxiliar (No apropiado en buques de combate ya que la producción de vapor es muy baja a las velocidades de crucero) Utilización de una cortina anular de frío cercana a la superficie de la chimenea, que envuelve los gases calientes de escape, eliminado con ello el efecto IR y además enfría la superficie metálica de la chimenea.

Utilización de agua para rociar la columna de humo con el objeto de reducir la temperatura de los gases. Produce condensaciones que corroen las estructuras expuestas.

8.3 Turbinas a Gas: Componentes Principales Temperatura y Presión.

Turbinas a Gas: Sistema de Partida Reductor 4000/650 PSI Banco de Aire 4000 PSI

Motor de Partida

El aire comprimido de un banco de aire de alta presión (4000 PSI), pasa por un reductor de presión (650 PSI) y trabaja en los motores de partida.

Estos transmiten su movimiento a través de un tren de engranajes hacia el eje del compresor. Una vez que se alcanzan unas 6000 RPM se enciende el combustible, y los gases comienzan a accionar el generador de gas, desacoplando en forma automática los motores de partida y comenzando la operación normal de la turbina.

8.4 Turbinas a Gas: Sistema de Lubricación

• Su función es similar a lo ya estudiado anteriormente. • Para turbinas a gas, es particularmente importante debido a las altas RPM y temperaturas de operación.

Agua de Mar Enfriador Aceite Caja Reductora

Enfriador

Caja Engranajes de reducción Carter

Al costado Bomba de Lubricación

Descansos Soporte y Empuje

Turbinas a Gas: Sistema de Lubricación • La bomba de lubricación generalmente es el tipo engranajes y accionada desde la propia turbina, mediante una caja auxiliar de engranajes. • Existe también en la mayoría de las instalaciones una bomba eléctrica cuya función es lubricar los descansos del generador de gas durante la partida y detención de la turbina a gas. • El objeto de enfriar el aceite de los descansos con aceite frío, es evitar una posible contaminación del aceite que lubrica los descansos de la turbina con agua de mar por rotura de tubos.

8.5 Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Es de gran importancia que el combustible que ingresa a las cámaras de combustión:  Sea de una viscosidad adecuada  No contenga impurezas

En turbinas a gas navales se utiliza petróleo diesel como combustible primario pudiendo usar también combustibles parafínicos refinados (JP).

Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Esquema de un sistema de combustible

Existe un estanque de almacenamiento del buque desde donde se envía, a través de una bomba de trasvasije, el petróleo hacia los estanques de servicio.

Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Esquema de un sistema de combustible.

Desde ese lugar el combustible es entregado por una bomba de petróleo booster accionada eléctricamente, la cual lo envía hacia la bomba de combustible de alta presión conducida por la misma turbina.

Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Esquema de un sistema de combustible.

Dicha bomba, del tipo engranajes rectos, eleva la presión del petróleo (1000 PSI) y lo envías hacia las cámaras de combustión.

Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Esquema de un sistema de combustible.

Los filtros de combustible en el lado de aspiración de bombas de combustible de alta presión cumplen la función de cualquier filtro ya estudiado y son del tipo dual vale decir, dobles. De tal forma de utilizar uno, otro o ambos a la vez.

Turbinas a Gas: Sistema de Combustible Esquema de un sistema de combustible.

El control de velocidad de la turbina, estrechamente relacionado con la cantidad de combustible que ingresa a la cámara de combustión, se logra con una válvula principal de control de combustible, que ajusta mecánicamente la combustión, según los requerimientos de carga.

¡GRACIAS! Dr.(e) CARLOS BORJA GARCIA [email protected]