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GUIA - SOBRE TURBINAS A GAS

Autor: Ing. Bugna, Luis 21/05/2008

Año 2008

CAPITULO 1: INTRODUCCION La Energía contenida en un fluido puede ser trasformada en trabajo mecánico mediante un mecanismo: ALTERNATIVO a PISTON

21/05/2008

MECANISMO TURBINA

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VENTAJAS: AUSENCIA DE PARTES ALTERNATIVAS: MENOR FRICCION, PROBLEMAS DE LUBRICACION Y CONSUMO DE LUBRICANTE AUSENCIA DE ESFUERZOS INERCIALES ALTERNATIVOS MAQUINAS BALANCEADAS MENOR TAMAÑO Y PESO DE LA MAQUINA PARA LA MISMA POTENCIA SI EL FLUIDO ES: VAPOR AGUA 21/05/2008 GASES DE COMBUSTION

TURBINA A VAPOR TURBINA HIDRAULICA TURBINA A GAS

Na RECORDAR TURBO COMPRESOR Turbomaquina Generadora

Nc NA

ηc

= Na / Nc

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NC

RECORDAR MECANISMO TURBINAS Turbomaquina Motora NA

NT Na Nt

ηT 21/05/2008

= NT / Na

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Si Son Maquinas Ideales:

ηc = 1

ηT = 1

N C = NA

N A = NT

Y ambas maquinas se conectan a un eje: NA C

NC

NT

NE T

Al aplicar al conjunto un giro, Nc = NA = NT El conjunto se mantiene girando sin entregar potencia al exterior 21/05/2008 ya que Nc = NT y NE = NT - NC = 0

SI SON MAQUINAS REALES:

ηc < 1

N C > NA

ηT < 1

N A > NT

NC > NT NO GIRA SOLUCION

ENERGIA

SI EL COMPRESOR ASPIRA AIRE, EL INCREMENTO DE ENERGIA SE PUEDE LOGRAR UTILIZANDO EL MISMO PARA 21/05/2008 QUEMAR UN COMBUSTIBLE

El quemado del combustible puede ser a: VOLUMEN CONSTANTE TURBINA A GAS A VOLUMEN CONSTANTE Sist. Carburación

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Sist. Encendido

Sist.Distribución

PRESION CONSTANTE TURBINA A GAS A PRESION CONSTANTE Quemador

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COMPONENTES BASICOS DE UNA TURBINA A GAS

Compresor Cámara de combustión Turbina 21/05/2008

CICLO TEORICO T P 3 2

3 4 2 1

4

1 S

V 21/05/2008

DIFERENCIAS FUNCIONALES ENTRE UNA TURBINA A GAS Y UN MOTOR DIESEL

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Factores que frenaron el desarrollo de una turbina a gas A ) Factores termodinamicos B ) Potencia interna Tg

Zona caliente A ) Factores termodinamicos: Tg - Materiales y Técnicas de refrigeración adecuados B )21/05/2008 Potencia interna: Consumo del compresor

Rendimiento de la turbina de gas en función de: Tg y comportamiento de los compresores

η 30

ηc y ηt = 0.9

20

ηc y ηt = 0.85

10

ηc y ηt = 0.8 Tg 450

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750

APLICACIONES DE LA TURBINA A GAS 1. PRODUCIR POTENCIA AL EJE: Industrial : Potencia mecánica Potencia Eléctrica Marino 2. PROPULSION AERONAUTICA: Propulsión a chorro Turbo hélice 3. OTRAS APLICACIONES, VARIANTES EN EL CICLO Y TURBINAS DE GEOMETRIA VARIABLE 21/05/2008

NOTA: Establecido un uso existen una serie de variantes destinadas a: - Mejorar el rendimiento - Aumentar potencia de máquina - Posibilitar flexibilidad en la operación - Utilizar otros combustibles - Mejorar la cupla de arranque 21/05/2008

PRODUCIR POTENCIA EN EL EJE A) TURBINA A GAS SIMPLE

VENTAJA: La elevada inercia debida al arrastre del compresor, reduce el peligro de sobre velocidad, en el caso de una perdida de carga. DESVENTAJA: No posee cupla de arranque RECOMENDADA PARA: Operar en velocidad fija (n = cte.) y donde la 21/05/2008 flexibilidad de operación no es importante.

B) AUMENTAR EL RENDIMIENTO: • • •

AUMENTAR LA RELACION DE COMPRESION AUMENTAR LA TEMPERATURA DE LOS GASES CICLO REGENERATIVO

CICLO REGENERATIVO

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VENTAJAS * Su empleo no altera el método de regulación de potencia de la turbina a gas

* Aumenta el rendimiento

DESVENTAJAS

* El espacio que ocupa el intercambiador de calor y su mantenimiento 21/05/2008

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C) AUMENTAR POTENCIA UNITARIA DE MAQUINA a)

VENTAJAS Se disminuye el trabajo de compresión, luego mayor potencia de máquina DESVENTAJAS Caída de rendimiento El empleo de un refrigerador de aire

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b ) Post Combustión

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NOTA: Es factible usar las tres combinaciones anteriormente mencionadas en una sola planta:

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C) FLEXIBILIDAD EN LA OPERACIÓN turbina a gas de dos conjuntos rotantes a)

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b)

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VENTAJAS: • Proporciona flexibilidad de operación. • Solamente el conjunto rotor de alta presión necesita ser girado durante el ciclo de arranque DESVENTAJA: * Complejidad desde el punto de vista constructivo NOTA: Es factible incorporar las modificaciones anteriores 21/05/2008

D) UTILIZAR OTRO TIPO DE COMBUSTIBLE

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VENTAJAS: * Evita que los constituyentes de los productos de combustión, erosionen o corroan los alabes y toberas de turbina. * Posibilita el empleo de carbón pulverizado, aceite residual. DESVENTAJA: * La complejidad del quemado y del intercambiador de calor

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E) OBTENER CUPLA DE ARRANQUE

generador de gases 21/05/2008

turbina de poder

VENTAJAS: * Ampliar el campo de aplicación de la turbina de gas, por disponer de elevada cupla de arranque. * El arrancador es dimensionado para arrastrar solamente el generador de gases. DESVENTAJAS: * La perdida de carga puede generar una rápida sobrevelocidad de la turbina de poder. * Aumenta la complejidad del sistema de control 21/05/2008

SE RECOMIENDA PARA: * Propulsar hélices * Generación de pico * Generación de emergencia * Accionar compresores * Accionar bombas * Toda otra máquina que requiera cupla de arranque

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PROPULSION AERONAUTICA Las turbinas a gas utilizadas en aeronáutica transforman la energía potencial contenida en el combustible en: ENERGIA CINETICA:

(REACCION DIRECTA)

ENERGIA MECANICA

(REACCION INDIRECTA)

CLASIFICACION A) Reacción directa: B) Reacción indirecta: 21/05/2008

PROPULSION POR REACCION POTENCIA AL EJE

TURBOREACTOR

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TURBO HELICE

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TURBO EJE

RESUMEN TURBINA A GAS PARA PRODUCIR POTENCIA MECANICA AL EJE USO: INDUSTRIAL - PRODUCIR ENERGIA ELECTRICA Y PROPULSION MARINA

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generador de gases

turbina de poder

VERSION AERONAUTICA

VERSION INDUSTRIAL

CARACTERISTICAS

Menor

Peso y volumen

Mayor

Mayor

Complejidad Constructiva

Menor

No

Mantenimiento en situ

Si

Menor

Vida entre recorrida

Mayor

Menor

Tiempos de arranque

Mayor

Mayor

Disponibilidad de maquina

Menor

21/05/2008

21/05/2008

21/05/2008

NOTA Existe una tercera posibilidad constructiva

VERSION AERONAUTICA MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

VERSION INDUSTRIAL TAMAÑO Y VOLUMEN AERONAUTICA 21/05/2008

21/05/2008

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CAPITULO 2: CICLOS TEORICOS Y REALES CICLOS TEORICO 2

Q

wc

3

wt

1

we

4 Maquina Simple

Ciclo de: BRAYTON o de JOULE

P 2

Q1

T 3

Q1

wt 4

wu

wc

3

wt

1

2 wc

Q2 4 V

1

Q1 - Q2 Q2 S

Análisis del ciclo • Parámetros del aire en cada punto P,T,V • Evaluación de Wc, Wt, Wu • Rendimiento del ciclo Parámetros del aire en cada punto P,T,V Datos:

P1

Punto 1: Punto 2:

P2 = P1 • ε

y

T1

;

v1 =

ε

R ×T P

;

T3

o

Q1

1

1

T2 = T1 • ε

k −1

k

v 2 = v1 •

1

ε

1

k

Punto 3

P3 = P2

;

T3

Dato o

Q1 = C p (T3 − T2 )

R • T3 v3 = P3 Punto 4

P4 = P1

T4 = T3 • 1

ε

k −1 k

R • T4 v4 = P4

T3

Evaluación de trabajos:

Wc = h2 − h1

Wt = h3 − h4

Wc = C p (T2 − T1 ) Wt = C p (T3 − T4 )

Wu = Wt − Wc Wu = C p [(T3 −T4 ) − (T2 − T1 )]

Rendimiento del ciclo

Wu Wt − Wc Q1 − Q2 η= = = Q1 Q1 Q1 Recordando las expresiones que permiten evaluar W; Q y además que k −1 k 4 3 1 c e 2

ε =ε

T = T •ε

η = 1−

T =T • 1

1

ε

k −1

k

ε

k −1 k

η

η = F (ε , k )

40 30 20

k > k 10

2

4

6

8

10

11

12

ε

CICLOS REAL

P

T 2 2r

3 3

3 3r

4 2

4

2 4r 1 1r

4 V

1 1 S

Justificación

P

Punto 1:

P1 = P1r o P1 > P1r

Punto 2: entropía

P2 = P2r compresión con aumento de T

2 2r

3 3

3 3r

4 2

4

2 4r 1 1r

4 V

1 1 S

Punto3: P3 > P3r por resistencia a la circulación de los gases en la cámara – T3r > < o = a T3

P

Punto 4: P4 > P4r Expansión con aumento de entropía y perdidas de carga en los conductos de escape T 3 3 2 2r 3 3r

2

4

4

2 4r 1 1r

4 V

1 1 S

Lo anterior permite expresar que existe una compresión teórica isentrópica Wc y una compresión real no isentrópica Wcr Wc = h2 - h1

Wcr = h2r - h1r Wc < Wcr

Rendimiento interno del compresor ηic = Wc / Wcr

Wt = h3 - h4

Wtr = h3r - h4r Wt > Wtr

Rendimiento interno de la turbina ηit = Wtr / Wt

ε = ε cr > ε tr Todas las perdidas que pueden ser representadas en los diagramas termodinámicos se denominan

perdidas internas Wu > Wur ηimotor

=

Wur / Q1

ηtermod = Wu / Q1 ηimotor
Pat Su influencia A) -

ηic y ηit < 1; ηic = Wc / Wcr ηit = Wtr / Wt

rendimiento interno ΔP3-2 y Pe = 0 (a)

T

3 3r 4r

(b)

4 2

2r

Wur = Wtr - Wcr (c) ηimotor

=

Wur / Q1 (d)

1 1r S

Reemplazando a, b y c en d

ηimotor

⎛ 1 ⎞ τ m ηit ⎜1 − m ⎟ − ε − 1) ε ⎠ ηic ⎝ =

(

τ m 1 − τ − (ε − 1) ηic

(

Donde: τ = T1 / T3 = T1r / T3r y m = (k – 1) / k

ηimotor = f ε ,τ ,η ic ,η it )

(

ηimotor = f ε ,τ ,η ic ,η it ) Influencia de los distintos factores y condiciones operativas sobre el rendimiento interno motor • Influencia de los distintos factores

η

a ) - Aumento en

η

s)-

Si:

τ

y

it

y

it

η

η

ic

ηimotor = f = Cte

+

ic

(ε ,τ ) η

im

=

ηimotor

Cte

f (ε )

η

Ciclo ideal

τ3

τ2

τ1 ε1 ε 2 ε 3

−τ

ε

Conclusión:

τ

Para aumentar rendimiento en los ciclos reales se debe disminuir y ello nos permite aumentar la relación de compresión

τ

Para disminuir se debe aumentar T3 (Tg) porque T1 esta fijado por las condiciones ambientales Materiales mas resistentes a altas temperaturas o técnicas de refrigeración mas eficientes

• Influencia de las condiciones operativas: a ) – Influencia de T3 en una maquina en operacion Al estar la maquina construida

ε , ηic y ηit ηimot = f (τ ) τ =T /T τ 1

3

Cte

= Cte / T3

T3 es función de la potencia que desarrolla la maquina Cargas parciales bajos rendimientos

b ) – Influencia de en operacion

ηimot

ηic

ε yτ

y

ηit

en una maquina Cte

Compresor sucio Turbina sucia

ηit

Menos rendimientos

ηic

Análisis de las perdidas internas: ηic, ηit, ΔP3-2 y Pe > Pat Su influencia

rendimiento interno

B ) – Influencia de las perdidas de presion en la camara de combustion Δ P2-3 y contrapresion el escape

ε , τ,

ηic

y

ηit

Cte

P3r = P4 - Δ P2-3

εt

P4r > P4 = P3r / P4r


6

Móvil

Fijo

Móvil

Fijo

Obstrucción

La obstrucción reduce el Q y genera el desprendimiento en el primer estadio provocando el surge -Reflujo - en el mismo - El compresor entra en la zona de inestabilidad deja de bombear Primer Estadio Móvil

Fijo

Curvas características de un compresor P A1 Zona Inestable

A0 A2 nmaximo

A3 nminimo

n2

n0

Q

En los compresores axiales las variaciones de caudales pueden ser muy reducidas, si P

ε > 10 A1 Zona Inestable

A0 A2 nmaximo

A3 nminimo Δ Q

n2

n0

Q

SOLUCIONES Utilizar una sangría en la zona intermedia

Compresores de dos ejes

Alabes móviles

Compresores de dos ejes Ultimo Estadio

Móvil

Fijo

Obstrucción

Aumentando la velocidad de la ultimo Estadio Móvil

Fijo

Alabes móviles

Primer Estadio Móvil

Fijo

CAPITULO 4: CAMARA DE COMBUSTION Es el lugar físico de la turbina a gas, donde se lleva a cabo el proceso de quemado del combustible Para quemar el combustible se necesita: • Que el aire y el combustible forme una mezcla explosiva: • combustible en estado gaseoso • intimo contacto entre el aire y combustible • relación de mezcla inflamable - η • Posteriormente colocar la mezcla en una cámara y utilizando el calor que libera una chipa, se auto inflama la parte cercana a la misma Si el calor que libera es suficiente

v Frente de llama

Para realizar el quemado en forma continua se necesita: Cámara Quemador abierta V v Aire

Mezcla inflamable

SI: v

=

V

v

>

V

ESTABLE

INESTABLE v


0

Δht

Acción Reacción

NOTA: • En turbina a gas se utilizan grados de reaccion de 0.5

Maquina radial

Fija 1 Movil

Estadio

0

2 Circulación Centrípeta ( Wu )m= (U12 – U22)/2 + (C12 – C22)/2 + (W22 – W12)/2 Con circulación centrifuga el termino (U12 – U22)/2 seria < 0

Maquina Axial

( Wu )m= (U12 – U22)/2 + (C12 – C22)/2 + (W22 – W12)/2 Todos los términos son positivos

METODOS DE FIJACION DE LAS PALETAS A LOS DISCOS DE TURBINA

EFECTO CREEP SOBRE LAS PALETAS Temperatura del material Ferroso Frío Caliente

L Δ L= f ( F )

F

L ΔL=f(t)

F = Cte.

Los materiales ferrosos cuando están sometidos a temperaturas y esfuerzos, las elongaciones son función del tiempo que permanece aplicada la fuerza aunque esta permanezca constante.

ELONGACION (Δ L)

FRACTURA

Fuerza aplica constante

I

II

III

TIEMPO

SOLUCION * Bajar la temperatura de los gases * Usar paletas refrigeradas NOTA 1 La tendencia es utilizar temperaturas de gases cada vez más elevadas. NOTA 2 Con elevadas temperaturas de gases, la oxidación pasa a ser un factor limitante en la vida de la máquina, tan significativo como el efecto creep; por lo tanto resulta igualmente importante enfriar componentes tales como paletas fijas (toberas) y paletas móviles.

METODOS DESARROLLADOS

Refrigeración Interna – Fig, 1 Refrigeración externa Por capa – Fig. 2 Por Transpiración – Fig. 3 Refrigeración combinada – Fig. 4

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

El uso de paletas refrigeradas, requiere una configuración especial del disco o rotor: * Disco ranurado * Disco partido

Disco ranurado

Disco partido

TURBINA DE PODER

Es un mecanismo turbina semejante al descripto anteriormente, pero con la variante que generalmente no requiere paletas móviles y fijas refrigeradas: debido a que trabaja con gases a menores temperaturas. Por esta circunstancia es un mecanismo que tiene mayor vida. Con respecto a su montaje puede ser conformando una sola unidad con el generador de gases o en cuerpo separado.

Rodillo

Rodillo

Bolas

Rodillo

Rodillo Rodillo

Bolas Rodillo Bolas

Bolas

CAPITULO: 6 - SISTEMAS AUXILIARES Sistemas que se agregan a los componentes básicos para convertir a los mismos en una maquina operable • Sistema de combustible • Sistema de lubricación • Sistema de arranque • Sistema de encendido • Sistema de virado • Sistema de refrigeración, sellos y venteo • Sistema de control • Sistema de protección

SISTEMA DE COMBUSTIBLE

Sistema Combustible

Quemadores

Alimentación de combustible • Distintas potencias • Cambios de regímenes • Aceleraciones • Desaceleraciones • Arranque • Parar la maquina

Nota: Forma parte del sistema de protección de la maquina

Distintas potencias Esquemas básicos para combustible liquido

Q u e m a d o r e s

Distintas potencias Esquemas básicos para combustible gaseoso

Fuente de gas

Quemadores

Planta reguladora Planta compresora

Separadores, filtros, etc. Simple Pulverizadores Doble

Liquido Evaporadores

Quemadores Gas

Mezclador

Sin retorno

Con retorno

Pulverizadores simples

Permite mayor variación de caudal Pulverizadores doble

Pulverizador simple con aire

Pulverizador doble con aire

Válvula divisora liquido P u l v e r i z a d o r e s

D o b l e s

Aire Comprimido Pulverizador

Combustible

Evaporador o Gasificador

Mezclador

Combustible

• Cambios de regímenes • Aceleraciones • Desaceleraciones En las aceleraciones el incremento de combustible debe ser controlado para evitar que los compresores entre en la zona de inestabilidad o la mezcla salga de los limites de riqueza En las desaceleraciones la disminución de combustible debe ser controlado para evitar que la mezcla salga de los limites de pobreza

• Arranque El caudal de combustible que se debe proveer durante el arranque varia según la maquina sea de diseño industrial o aeronáutica Maquina Aeronáutica: • Diseño lento – necesita aporte adicional • Diseño Rápido – no necesita Maquina Industrial: El caudal para arranque debe ser gradual y con una ley semejante a la de aumento de velocidad de la maquina para evitar incrementos bruscos en la temperaturas de gases

SISTEMA DE COMBUSTIBLE Llave de corte

Sistema Combustible

Quemadores

Alimentación de combustible • Distintas potencias • Cambios de regímenes • Aceleraciones • Desaceleraciones • Arranque • Parar la maquina

Nota: Forma parte del sistema de protección de la maquina

SISTEMA DE LUBRICACION • Versión aeronáutica • Versión industrial SISTEMA DE ENCENDIDO Llama piloto Chispa

Llama principal

Generación de la chispa: Método convencional Sistema capacitivo, con descarga superficial

SISTEMA DE ARRANQUE Llevar la maquina hasta la velocidad de autosustentamiento, para ello puede utilizar energía: • Eléctrica • Neumática • Hidráulica • Mecánica • Gases a presión • Turbina auxiliar

SISTEMA DE VIRADO • Versión aeronáutica • Versión industrial SISTEMA DE VENTEO, REFRIGERACION Y SELLO • Venteo interno de la maquina • Refrigeración zona caliente • Evitar fugas de fluidos SISTEMA DE PROTECCION • Nivel correctivo • Nivel para maquina

SISTEMA DE CONTROL • Para la operación de la maquina: • • •

Arranque Llevar la maquina a distintas potencias y velocidades Parar la maquina: En forma normal En emergencia

• Supervisa que la maquina opere adecuadamente • Libre de inestabilidades • Informa los valores de parámetros operativos • Gobierna el sistema de control de contaminación

CAPITULO: 7 - PRESTACION DE UNA TURBINA A GAS Cuando de una turbina se conoce la cupla motora, potencia efectiva y su consumo especifico para las distintas revoluciones de la maquina se dice que se conoce su prestación o aptitud En primer lugar mostraremos las curvas que representan estos parámetros para la maquina compuesta por generador de gas y turbina de poder Cuando el generador de gases esta funcionando a plena potencia con la turbina de poder detenida, el esfuerzo que realizan los gases sobre el paleteado de la misma es máximo, para ir disminuyendo a medida que aumenta su velocidad de rotación

Representación de la variación de la cupla en relación a la velocidad de rotación de la turbina de poder Cm Cmax

Cmax ≈ 2 a 3 Cmin

Cmin

100% Ac 90% Ac 80% Ac ntp nmax

Recordando que Ne ≈ Cm . n Ne 100% Ac

Nemax

90% Ac 80% Ac

ntp nmax

A consecuencia del alto valor de las potencias internas la maquina se diseña para la velocidad de trabajo, donde el Ce adquiere el valor mínimo Ce

80% Ac 90% Ac Cemin

100% Ac

nmax

ntp

MAQUINA SIMPLE Cm Ne

ntp n de trabajo

Variación de Tg y nc en F ( Q ) Tg nc Tg

En todas las maquinas se llega al valor de Tgmax

nc En maquinas veloces se adquiere el valor máximo

Qmax

Q

Influencia de la temperatura del aire de admisión Q = Cte. +Temperatura

-ρ

- Kg de aire

+ Tg y - Ne

Ne Tg

Ta

DISPONIBILIDAD DE POTENCIA Ne

Nemax

Tgmax

Tg Nemax

Tgmax

Ta Razones Estructurales

P.D.

DISPONIBILIDAD DE POTENCIA Ne

Nemax

Tgmax

Tg Nemax

Tgmax

Ta P.D.

DISPONIBILIDAD DE POTENCIA en maquinas de velocidad constante Ne

Nemax

Consumo de aire

Nemax Consumo de combustible

Ta P.D.

Disponibilidad de potencia Ne T diseño

Nemax

110% T1 > Td 120% T2 > Td

ntp nmax

Influencia de la presión del aire de admisión Q = Cte. + Presión

+ρ

+ Kc de aire

- Tg y + Ne

La inversa es valida Influencia de la presión de escape Q = Cte. + Presión

- expansión

- Ne

La inversa es valida La presión de admisión y escape puede variar por altura sobre el nivel del mar o por la existencia de conductos de admisión y escape Los fabricantes indican los factores de corrección por estas variaciones

Variaciones de potencia por cambios ambientales y de montaje

Grafico 1

Grafico 2

Grafico 3

Grafico 4

Ejemplo de disponibilidad de potencia La maquina GAU – 1 será colocada en una instalación que presenta las siguientes perdidas en los conductos: • Admisión 100mm de columna de agua • Escape 100 mm de columna de agua Además estará colocada a 100metros sobre el nivel del mar y aspirara aire a 30° C

Del grafico 1 la potencia máxima y su consumo a 30° C, nivel del mar y sin perdidas en conductos es de: • 1327 Kw • 546 Kg de Com / hora Del grafico 2 y 3 las variaciones de potencia y consumo por mm de perdida para el regimen de 1327 Kw son: • Por mm de perdida en admisión 0.38 Kw/mm • Por mm de perdida en el escape 0.20 Kw/mm • Disminución de consumo por mm 0.063 Kg/mm

Para los datos anteriores la perdidas de potencia son: • Por admisión 38 kw • Por escape 20 kw Para los datos anteriores la disminución de consumo es: • 6 Kg de combustible por hora

Por lo tanto la potencia a desarrollar y su consumo a nivel del mar seria: • 1327 – 38 – 20 = 1269 Kw • 546 – 6 = 540 Kg de Comb. por hora

Corrigiendo los valores anteriores por estar colocada la maquina a 100 metros sobre el nivel del mar. Del grafico 4 para 100 metros, el factor de corrección es 0,988. Por lo tanto la potencia a desarrollar y su consumo es de: • Potencia: 1269 x 0,988 = 1254 Kw • Consumo: 540 x 0,988 = 534 Kg de Comb./ hora

Conclusión: • Perdida de potencia: 1327 – 1269 = 58 Kw • Expresado en % entre el 4 y 5 % • Disminución de consumo: 546 – 534 = 12 Kg de comb. / hora • Expresado en % aproximadamente el 2 %

CAPITULO: 8 - OPERACIÓN DE UNA TURBINA A GAS En la operación se necesitan realizar una serie de tareas que se pueden agrupar en:

•

Tareas a realizar antes del arranque

•

Tareas a realizar durante el arranque

•

Tareas a realizar durante la operación

•

Tareas a realizar durante la detención

• Tareas a realizar con posterioridad a la detención

Antes de analizar las distintas tareas, vamos a definir Ciclo Seco y Ciclo Húmedo Ciclo Seco: Accionar arranque sin encendido y combustible Ciclo Húmedo: Esta tarea se puede necesitar maquinas aeronáuticas alimentadas con combustible liquido para purgar el sistema de combustible, se realiza accionado el arranque y sistema de combustible sin encendido: Tareas a realizar antes del arranque (maquina aeronáutica) • Colocar el acelerador en mínimo • Varios

Tareas a realizar durante el arranque • Asegurar aire en la cámara de combustión

• Activar sistema de combustible y encendido

• Puede que Si o No se inicie la combustión después de un determinado tiempo en segundos

• Se inicia: Observar variación Tg

Tg nc

Tgmax. n relenti

Ta

t =0

t1

Activa encendido y combustible

t

• No se inicia: Suspender proceso de arranque y realizar ciclo seco • Reintentar un segundo ciclo de arranque Tareas a realizar durante la operación • Llevar la maquina a los niveles de potencia necesarios manteniendo los parámetros funcionales dentro de los limites: Velocidad de los conjuntos rotantes Temperatura de gases Nivel de vibraciones Etc.. • Cuando es necesario lavar los compresores

Tareas a realizar durante la detención • Disminuir la velocidad al mínimo • Estabilizadas las temperaturas cortar combustible Tareas a realizar con posterioridad a la detención • Cerrar los servicios auxiliares • Si existe intención de ponerla en marcha dentro de un periodo no mayor a unas pocas horas, no es necesario realizar alguna tarea adicional • Caso contrario lavar los compresores e inhibirlos

Tareas a realizar antes del arranque ( maquina Industrial ) • Colocar prelubricacion y virar • Habilitar sistema de combustible • Varios Tareas a realizar durante el arranque • Asegurar aire en la cámara de combustión • Activar combustible piloto y encendido • Mantener en esta condición con el virador colocado hasta que la maquina adquiera la temperatura necesaria • Lanzar la maquina con el combustible de proceso de arranque

• Puede que Si o No se inicie la combustión después de un determinado tiempo en segundos • Se inicia: Observar variación Tg Tgmax. Tg

n relenti

Lanzamiento t =0

t1

Activa encendido y combustible piloto

t

Tareas a realizar durante la operación • igual que turbina aeronáutica Tareas a realizar durante la detención • igual que turbina aeronáutica Tareas a realizar con posterioridad a la detención • Cerrar los servicios auxiliares • Si existe intención de ponerla en marcha inmediatamente, no es necesario realizar alguna tarea adicional

• Caso contrario colocar virador y prelubricacion

• A continuación proceder igual que turbina aeronáutica NOTA: Cuando la turbina queda detenida por mas de una semana , es conveniente cada semana cambiar de posición los conjuntos rotantes y prelubricar

LAVADO DE COMPRESORES • Limpieza en seco: Durante el funcionamiento se incorpora por la aspiración de la maquina una determinada cantidad de un polvo combustible de bajo contenido de ceniza y con granulometría defina, esta ingesta de polvo realiza la limpieza de las paletas por un procedimiento semejante a un arenado Las condiciones de operación cuando se realiza la inyección de polvo las indica el fabricante como también la cantidad del mismo y en que tiempo

• Limpieza húmeda: Con la maquina en frió y accionado el arranque ( ciclo seco ) se incorpora en el aire admitido una determinada cantidad de liquido lavador. Posteriormente se detiene el arranque y se deja drenar el liquido para realizar a continuación un secado mediante ciclo seco o arrancando la maquina El liquido lavador puede ser agua o un solvente no inflamable • Limpieza húmeda en marcha: Es una limpieza en seco donde se reemplaza el polvo por un liquido lavador

Capitulo 9: Control de gestión - Electrónico - de una Turbina a Gas Son dispositivos que remplazan al hombre en la tarea de operación y control de una Turbina a Gas obteniendo un funcionamiento confiable y seguro de la misma Estos sistemas constan de varios: • Sistemas de control • Protección • Diseños secuenciados

Sistemas de control: • de velocidad y potencia • de temperatura • de arranque • de aceleración • de parada • de contaminación por gases de escape Protecciones de: • sobre velocidad • sobre temperatura • vibraciones • sobre proceso de combustión • perdida de llama Diseños secuenciados: Arranque y parada normal

Estan preparados para trabajar con combustible liquido, gaseoso o con mezcla de los dos El sistema de combustible liquido debe estar conformado por el esquema básico siguiente Demanda de combustible Quemadores Bomba Válvula de corte

Divisora de caudal

El sistema de combustible gaseoso debe estar conformado por el esquema básico siguiente Venteo Cámara de combustión Válvula de control de gas

Válvula de Válvula corte y de corte reguladora de presión Demanda de combustible Para posicionar las válvulas se utilizan sistemas electro hidráulicos

Demanda de Posicion

Posiciona válvula

Servo para posicionar las válvulas

Control de gestión electrónico A la pantalla

Temperaturas A la pantalla

Velocidad y Potencia Aceleración A la pantalla

Arranque Parada Modo Manual Protecciones

Ciclo de arranque

Sistema de velocidad y potencia combustible Liquido Demanda de combustible

Purga de combustible

Demanda de combustible

RPM Válvula de Corte Venteo cámara de combustión

*

**

* Presión Cte. = f( RPM)

**

Sistema de velocidad y potencia combustible gaseoso

Válvula que controla el gas

Transferencia de combustible liquido a gas

Transferencia de combustible gaseoso a liquido a gas

Funcionando con mezcla de combustible

Parada por protecciones y parada de emergencia

Parada por protecciones y parada de emergencia Servo Velocidad

Temperatura

Pantalla

válvula

Servo válvula

Válvula control de gas Válvula de corte

Vibración

monitoreo combustión

Velocidad Servo Apagado

válvula

llama

Válvula de corte

Capitulo 10: Contaminación atmosférica por la descarga de gases de escape de una Turbina a Gas Como la turbina a gas trabaja con una combustión que se realiza con una mezcla correcta y después se le incorpora un gran exceso de aire para adecuar la temperatura de los gases a lo permitido por la zona caliente de la maquina, se puede considerar que la combustión finalmente se efectúa con una relación de mezcla pobre Esta circunstancia hace que cuando el régimen de la combustión sea elevado se forme un alto porcentaje de oxido nitroso en los gases de escape, cuyo valor excede lo permitido por las normas

Para reducir el contenido de oxido nitroso se pueden utilizar tres técnicas: A) Inyectar agua: •

en la cámara de combustión

•

En la aspiración del compresor

B) Inyectar vapor C) Utilizar quemadores que permitan desplazar la llama Esta ultima posibilidad se la identifica como solución seca La figura que sigue muestra un quemador que permite desplazar la llama cuando se utiliza un combustible gaseoso

Quemador Primario

Alimentación quemadores primarios

Alimentación quemadores de transferencias Alimentación quemadores secundarios

Quemadores secundarios Quemador de transferencia

Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso

Alimentación quemadores primarios

Quemador Primario

Zona primaria

Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso

Quemador Primario

Alimentación quemadores primarios

Alimentación quemadores de transferencias Alimentación quemadores secundarios

Zona secundaria

Quemador con desplazamiento de llama para combustible gaseoso

Quemadores primarios Circuito de combustible para combustible gaseoso

Alimentación de gas

Quemadores secundarios

Válvula de purga

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Válvula de transferencia

Quemadores de transferencias

De cero al 30 % de Carga

Quemadores primarios

Alimentación de gas

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Del 30 % al 75 % de Carga

Quemadores primarios

Alimentación de gas

Quemadores secundarios

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Válvula de transferencia

1° Etapa de la transición al sistema mixto

Quemadores primarios

Alimentación de gas

Quemadores secundarios

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Válvula de transferencia

Quemador de transferencia

2° Etapa del Inicio de la transición al sistema mixto

Quemadores primarios

Alimentación de gas

Quemadores secundarios

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Válvula de transferencia

Quemador de transferencia

Operación en el sistema mixto

Quemadores primarios

Alimentación de gas

Quemadores secundarios

Válvula de transferencia Grupo de válvulas

Válvula de transferencia

Quemador de transferencia

Primario Primario y secundario

Mixto

Quemador Secundario Quemador Primario

Quemador con desplazamiento de llama para combustible liquido

Quemador Secundario Quemador Primario Zona primaria

Zona secundaria

Quemador con desplazamiento de llama para combustible liquido

Quemado de combustible liquido

Demanda de combustible Quemadores Bomba Válvula de corte

Divisora de caudal

Quemadores primarios Demanda de combustible

Quemadores Secundarios Bomba Válvula de corte

Divisora de caudal

Primario

Primario y secundario

Modulo Aeronáutico – Turbina Lento

ntp = 5660 RPM

ncb = 6360 RPM nca = 8030 RPM 7 Etapas

8 C. C.

5 Etapas

N6 = 33800HP P2 = 37/40 PSI T2 = 120/125 0C

P3 = 150 PSI T4 = 990 0C T6 = 654 0C 0 0 T3 = 350 0C T5 = 776 C T7 = 464 C

P1 = 14,7 PSI

T1 = 15 0C

Ne = 28000HP

C.B.P

C.A.P

Voluta de escape Entrada de aire

Tablero de control local

Soportes tg.

Entrada de aire

Ventilación

Protección contra incendio

Tablero de control

Puerta de acceso

Salida de escape

Sistema de Combustible Turbina Lenta

Llave de corte

Sistema Combustible

Alimentación de combustible

Quemadores

Recordar: Función sistema de combustible: • Suministrar combustible para obtener las distintas potencias • Cambios de regímenes • Aceleraciones • Desaceleraciones • Combustible para arranque • Parar la maquina • Forma parte del sistema de protección

Ayudas didácticas:

1X P = Cte

Si: 0 < X ≤ d/4 P = f( x )

2 - Obtenemos un sistema que

n

P = Cte P = f (n)

2-

+n

P = Cte + P = f (n)

2-

- n

P = Cte - P = f (n)

3P1

>

v ∼ P 1 – P2

P2

Q1 = S . v Q ∼ S . P1 – P2 S 4-

P1

>

P P2

>

P3

Q1 ∼ S1 . P1 – P2 Q2 ∼ S2 . P2– P3

S1

S2

Q1 = Q2

P1

>

P P2

S1

>

P3

S2 Q1 = Q2

Q1 ∼ S1 . P1 – P2 =

Q2 ∼ S2 . P2– P3

S12 . P1 + S22 . P3 P2 = S12 + S22

5-

Aplicación P2

P1

S1

S2

S3

P3 S4

S12 . P1 + S22 . P3 P2 =

P3 = Cte

S32 . P1 + S42 . P3 P3 =

S12 + S22

S32 + S42

Si:

S1 = 3 S2 = 2

S3 = 4

S4 = 2

P1

P3 = 1 Kg/cm2 y variando P1: P2 P3

P3 – P 2

2 Kg/cm2

1,69

1,80

0,11

10 Kg/cm2

7,23

8,20

0,97

20 Kg/cm2

14,15 S1

16,20 S2

2,05

P1

F S3

S4 S4

P3 = Cte

S1 P1

S2

F S3

S4

• La fuerza F es función de P1 • Si se alteran uno o mas valores de S, para un mismo valor de P1 cambia el valor de F

P3 = Cte

Esquema básico del sistema de combustible Suministrar combustible para obtener las distintas potencias Posición acelerador

Cantidad de combustible

Quemadores

Q ∼ f ( % acel )

Q ∼ f ( Pdp ) Val. Divisora

Pdp ∼ f ( % acel )

U.aceleradora

Bomba de Combustible

Pdp

Ps

Parte trasera

Parte delantera Servo que altera el desplazamiento

Bomba

Parte delantera de la bomba de combustible: • Bomba de pistones axiales rotativos • Bomba de desplazamiento variable

Servo que Posiciona el plato + Pb

Pa

Pb

Si: - Pb + Pb

Pa . S = Pb . S + R

- Pb - menos inclinación – menos caudal + Pb - mas inclinación – mas caudal

- Pb

Pdp Ps = f ( P3p ) Ps

Unidad

P3p

Aceleradora P3p

P3p % Ac PCte

P3p = f ( Ac )

P3p

Válvula Reguladora de presión con escape

P3p

P3p

Válvula Reguladora de presión con escape

+

+

Unidad Aceleradora

+

Q ∼ f ( Pdp ) Val. Divisora

Pdp ∼ f ( % acel )

U.aceleradora

Pdp

Válvula divisora

Orificio primario

Pdp

Válvula divisora

Orificio primario

Orificio secundario

Combustible para alcanzar distintas potencias

Fuente de aire

Comentario: Para aumentar la sensibilidad de regulación se utiliza un resorte débil mas la acción de una fuerza generada por una presión constante actuando sobre un diafragma Presión Constante

Orificio secundario

Combustible para alcanzar distintas potencias

Val.Reg. Presión

Línea de presión Cte.

Fuente de aire

Aceleración libre de inestabilidad

Ultima etapa compresor de alta

Desacelerar sin apagado de llama La falta de llama en un proceso de desaceleración brusca se puede producir por: • Quedarse sin combustible el quemador • Exceso de aire que vuela la llama Para dar solución al primer caso se debe asegurar un combustible mínimo en estas circunstancias En el segundo caso se debe realizar una disminución de caudal de combustible en forma gradual

Desacelerar sin apagado de llama

Quedarse sin combustible el quemador

Desacelerar sin apagado de llama

Exceso de aire que vuela la llama

Combustible para Arranque

Parada Normal - Parada de Emergencia

PROTECCIONES Evitan que los parámetros Tg y velocidades de los conjuntos rotantes superen los valores máximos En esta tarea colabora el sistema de combustible Generalmente las protecciones se realizan en dos niveles: • 1 Nivel - correctivo • 2 Nivel - para maquina

Esta maquina posee los siguientes niveles y protecciones Temperatura de gases: I y 2 nivel Velocidad turbina poder: 1 y 2 nivel • 1 nivel: dos sistemas: • Limitador de velocidad máxima • Limitador al 105 % • 2 nivel: Dos sistemas: • Corte al 108 % ( Eléctrico ) • Corte al 110 % ( Mecánico ) Velocidad conjunto de alta y baja: 1 nivel

Protección de la Tg 1 nivel

2 nivel – Parada de emergencia

Limitador de velocidad máxima Turbina poder – 1nivel

Generador de señal de velocidad

Unidad Aceleradora - Limitadora

Limitador del 105% - Turbina Poder – 1 nivel

2 nivel velocidad Turbina Poder – Para maquina 1 sistema generador que activa rele parada de emergencia 2 sistema mecánico que activa mecanismo parada de emergencia

Limitación velocidad conjunto de baja y alta – 1 nivel

Limitación velocidad conjunto de baja y alta – 1 nivel

Comentario Final:

Turbina aeronáutica de alta velocidad

Ne = 5000 HP RPM Cb 6000 - 14000 RPM Ca 10000 - 17500 RPM 12900

Tg = 750 RPMauts = 5500

Rodillo

Rodillo

Bolas

Rodillo

Rodillo Rodillo

Bolas Rodillo Bolas

Bolas

Circuito Básico Ne Unidad Aceleradora Val. Divisora Val. Corte

Bomba Q

Bomba de Combustible

Pdp

Ps

P = Cte

P3p

Unidad aceleradora Válvula reguladora

Ps

Pdp

P = Cte

P3p

Ps

Pdp

Quemador Primario

Válvula divisora P = Cte

Quemador Secundario

Drenaje Pdp

Circuito Básico

Amortiguar oscilaciones de presión

Apagado de llama

Alimentación compresor de alta

Aceleración si inestabilidad

Parada normal y de emergencia

Protecciones Temperatura de Gases: 1 y 2 Nivel Velocidades de los conjuntos Rotantes: • Turbina de Poder 1 y 2 Nivel: • 1 Nivel: Limitador de Velocidad Máxima Limitador al 105 % • 2 Nivel: Eléctrico al 108 % Velocidades conjuntos de Baja y Alta: • 1 Nivel

Señal de las termocuplas

Señal del generador de velocidad

Solenoide del 105 %

Protecciones Temperatura de Gases: 1 y 2 Nivel Velocidades de los conjuntos Rotantes: • Turbina de Poder 1 y 2 Nivel: • 1 Nivel: Limitador de Velocidad Máxima Limitador al 105 % • 2 Nivel: Eléctrico al 108 % Velocidades conjuntos de Baja y Alta: • 1 Nivel

Regulador de baja

Ps P=f(n)

Pdp

Tarea Complementaria:

Accionamiento de la válvula de sangría Utiliza como información las velocidades de los conjuntos rotantes del generador Como energía auxiliar para su accionamiento presión de combustible Comportamiento: Se mantiene abierta desde cero a 10500 RPM del compresor de baja Ajusta la velocidad de cierre por variación de las condiciones de aspiración

Val. De Purga

Circuito Básico Ne Unidad Aceleradora

Val. Divisora Val. Corte

Bomba Q

Servo - Válvula de Sangría

Admisión Bomba

Pa ( nca ) Pb ( ncb )

Pdp

0 =

RPM Compresor de baja < 10500

Admisión Bomba

Pa ( nca ) Pb ( ncb )

Pdp

RPM Compresor de baja > 10500

Admisión Bomba

Pa ( nca ) Pb ( ncb )

Pdp

0 =

RPM Compresor de baja < 10500

RPM Compresor de baja > 10500

Descripción turbina GE Versión Industrial

Turbina a gas simple - GE -

RPM : 5740 Etapas compresor : 16 Etapas turbinas : 5 Caudal de aire : 56 Kg /seg

Relación de compresión : 6 a 1 Cámaras de combustión : 6

Turbina a gas simple con regeneración- GE -

1 - Compresor

4 - Mecanismo Turbina

3 - Quemadores

2 - Regenerador

Válvula de purga

Quemadores para combustible liquido Aire comprimido

Combustible

Combustible

Intercambiador

Aire comprimido Gases de escape

Intercambiador

Intercambiador

Potencia disponible (Pd) La potencia nominal Pn ( de diseño ), en esta maquina se expresa para: • Temp.Ambiente 15 °C • Presión 760 mm Hg. • Depresión en la aspiración 50 mm.H2O • Contrapresion de escape 50 mm. H2O Pd = Pn . λ1. λ2. λ3

Consumo especifico real (Cer) Consumo especifico nominal ( Cen ), en esta maquina esta referido : • Temperatura ambiente 15°C • Depresión en la aspiración 50 mm. H2O

Cer = Cen. β1. β2. β3 η = 100 . 632/ Cer (Cal/HP-h)

• Contrapresion de escape 50 mm. H2O La variación de presión atmosférica no influye en el Ce η = 100 . 860/ Cer (Cal/Kw.-h)

Sistema de combustible Liquido y gaseoso Turbina GE

Quemadores maquina acoplada

Turbina

Tablero de válvulas

Sistema de Bombas

Sistema de Combustible

Sistema de Bombas Retornos Electro bombas

presión 55 (Kg/Cm2)

Deposito de combustible

Filtros

V. Interceptoras V. Seguridad

A los quemadores

Tablero de válvulas Acelerador y control (**) de potencia

Válvula de (***) corte

El envió de la bomba puede ira:

Retornos

Quemadores Retorno por: (*) (**) Alimentación a presión

Válvula de (*) Arranque

(***)

A los quemadores

Válvula de corte Retornos

Tablero de válvulas Acelerador y control de potencia

Válvula de corte cerrada y Bombas en funcionamiento

Alimentación a presión Válvula de Arranque

A los quemadores

Válvula de corte Retornos

Tablero de válvulas Acelerador y control de potencia

Proceso de Arranque

Alimentación a presión Válvula de Arranque

A – Alimentacion a presion Cte Mando de la Válvula de Arranque

B – Presion de descarga del compresor

A los quemadores

Válvula de corte Retornos

Tablero de válvulas Acelerador y control de potencia

Proceso de Aceleración y regulación de potencia

Alimentación a presión Válvula de Arranque

Servo

Acelerador y control de potencia Válvula Acelerador y regulador

Protección de temperatura

Protección de Inestabilidad

maquina acoplada

Turbina

Tablero de válvulas

Sistema de Bombas

Sistema de Combustible

Sistema de combustible gaseoso

Planta compresora y/o reguladora

Circuito de la maquina

Planta reguladora

REGULADORES DE VELOCIDAD FUNCION PRIMARIA: Mantener las R.P.M. constante de un grupo: MAQUINA MOTRIZ - MAQUINA ARRASTRADA

• Recordar: • Cupla motriz (Par, Torque) • Cupla resistente • Comportamiento: Cm = Cr

Cm = Cr

n estable

n inestable

n=0

n=0

n=0

n = cte

>

acelera


L2

100%

nv

nc

nv

nc

no L1

L2

100% 0 L=L3+L2

0

100%

nv

nc

nv

nc

no L1 L3

L2 100%

0

L=L1+L2 L=L3+L2

0

100%

Repartición Carga y recuperación de no nv

nc

3 1 2

carga 0

L1

L2

100%

Entrar en paralelo nv

nc

nv

nc

no

0

L

100

1

no

100

0

2´

1´

2

0

L/2

L

100

0 L

L/2

100

ESQUEMA EXTERNO

Orden del acelerador

0

10%

-

+

Variable X

REGULADOR ELEMENTAL

Comparador

Acción de control y Amplificador

Comparador - Mecánico El estado de equilibrio

no

se alcanza cuando la acción de F y P sobre O es la misma

P F = f(n)

El equilibrio se rompe por variación

O +n

de n o P 0 -n

Comparador - Mecánico Disminución de n

P F = f(n)

+n 0 -n

Comparador - Mecánico Aumento de n

P F = f(n)

+n 0 -n

Acción de control y Amplificador

-X

Acción de control y Amplificador

+X

Cm = Cr

- n Cte.

Aumento de Cr Disminuye n +X

+X

Disminución de Cr Aumento de n -X

-X

Aumento de n

+X

Disminución de n

-X

Comportamiento:

- Admite variar no - La sensibilidad depende de: - Inercia - Fricción interna -R

Comparador - Mecánico El estado de equilibrio

no

se alcanza cuando la acción de F y P sobre O es la misma

P F = f(n)

O

0 R - Fuerza que se opone al movimiento, menos sensibilidad

Los excesos pico y duración del transitorio se magnifican cuando: - Existen bajas inercias rotantes - Altas potencias específicas - Bruscas variaciones de carga . - Baja sensibilidad

Clasificación de los reguladores Medio

• COMPARADOR • MECÁNICO • HIDRÁULICO • ELECTRÓNICO NEUMATICO

• ACCION A TOMAR Y AMPLIFICADOR • MECANICO • HIDRAULICO NEUMATICO

Grupo Generador KAWASAKI

Características Identificación: GPB - 40

Prestaciones: • Generador para potencia de Base • Potencia: 5000 KVA - 4000 KW (condiciones Estándar ) • Entra en servicio en 40 seg. • Tensión 6.600 Volts • 4 Polos – 50 Hz - 1500 RPM

Modulo de Generación: • 2 Turbina a Gas Kawasaki M1A – 23A • Generador Trifásico Siemens • Base unificada con caja reductora de dos entradas, una salida de potencia y accionamientos de accesorios • Sistemas Auxiliares

Panel de Control: • Panel de Control de Generación • Panel de Baterías para Control y Arranque

Turbina a Gas

Turbina a Gas

M1A - 23

M1A - 23

Caja reductora Caja de accesorios

Generador N = 4000 Kw

Caja de accesorios Entrada

Entrada Salida

Caja reductora Caja reductora y de accesorios

Reductor

Satelite

Piñon

Corona

Caja Reductora Corona

Satelite

Piñon

Enlace entre reductoras Corona

Engranaje para el enlace

Caja de accesorios Entrada

Entrada Salida

Caja reductora

Arranque

Rueda Libre

Arranque

Bomba Actuador

Bomba de aceite

Bomba de aceite

Caja reductora y de accesorios

Turbina a Gas Kawasaki - M1A - 23

Turbina a Gas

M1A - 23

Tipo:

Ciclo abierto – un eje

Compresor:

Centrifugo de dos etapas

Camara de Combustion: Simple Mecanismo Turbina:

Axial de cuatro etapas

Refrigeracion:

I y 2 etapa

Cojinetes:

Deslizamiento

Relacion de compresion: 11,5 a 1 Rendimiento:

27,5 %

Potencia:

2190 KW

Velocidad:

22000 RPM

quemador

Turbina a Gas Kawasaki M1A - 23

Tubo de Llama Difusores Compresores

Bujia

Entrada de Aire

Eje de salida Rodete Compresores

Toberas

Rueda Turbina

Conjunto Rotante • Montado sobre Rodamientos • Montado sobre cojinete or s e pr m Co Eje

e u R

d s da

e

a n i rb u la T

Aspiracion y 1° Etapa

2° Etapa

Zona Caliente

Quemador Envuelta Tubo de Llama

Cámara de Combustión Bujia

Sistemas Auxiliares • Sistema de Lubricacion • Sistema de combustible • Sistema de Arranque • Sistema de Encendido • Sistema de Regulacion • Sistema Electrico

Sistema de Lubricación Circuito de distribución de aceite con circulación forzada por dos bombas de engranajes, accionadas por los trenes reductores Posee control de baja presión y temperatura de aceite El deposito es la parte inferior de la caja reductora, posee alarma por nivel mínimo – 120 litros Posee dos bombas para prelubricacion una con accionamiento electrico y la otra con accionamiento manual

Bomba Actuador

Actuador

Venteo

Filtro de admision 105 μ Bomba principal de engranajes • Val.Seg. 9 Kg/Cm2

Distribuidor

Val. Termostatica

Filtro Val, Termostatica Refrig.r

• 76 – 90 ° C Filtro de descarga 5 μ

Val, Seg

Filtro

Presion Distribuidor Bomba

• Val.Seg. 3,5 Kg/Cm2 • Interruptor baja presion

1,5 Kg/Cm2 Circuito de lubricación

Circuito de lubricación

Circuito de Prelubricación

Sistema de Combustible Requiere una fuente de alimentación de gas a una presión de 14,5 Kg./cm2 con alarma por falta de presión El gas debe poseer un poder calorífico inferior entre 4000 y 10000Kcal/m3 No debe poseer ni vestigio de agua y gases de hidrocarburos condensable El contenido de azufre en peso debe ser menor que el 1% para gases con 10000 Kcal/Hg El contenido de partículas máximo es de 30 ppm y su tamaño máximo de 10 μ

P = 14.5Kg/cm2

Actuador Elec-Hidráulico Válvula de potencia y de aceleración Sist.Principal Val.Corte

Valvula Alimentacion Val.Piloto Sistema de combustible gaseoso Un sistema para las dos maquinas El sistema provee combustible piloto y principal

Sist.Piloto

Válvula de potencia y de aceleración Presion de descarga del Compresor

Al Quemador Principal

Limitador de combustimle

De la Valvula Corte

Esquema de Comando de las Válvulas Solenoide

RPM

100 %

22 % 5% Valvula Piloto Valvula de Principal

Sistema de Arranque Con cuatro motores electricos de 40 Kw de potencia cada uno - dos por turbina – se provee potencia para el arranque y permite arrastrar las turbinas hasta la velocidad de autosustentamiento – 55 % Para reducir el amperaje durante el arranque se intercalan en forma automatica unas resitencia en serie La fuente de energia son baterias de 60 V con dispositivos de recarga automatica El numero de intento de ciclos de arranques se encuentra limitado 5 con maquina caliente y 6 para maquina fria. Tres son los procesos de venteo permitido de 25 seg de duracion. En todos los casos con un minuto de intervalo

Sistema de Encendido Posee una bujía por cámara alimentada con una tensión de 15000 Volts La tensión se produce mediante un circuito electrónico ( Caja de encendido ) que se alimenta con 24 V de CC Existe una caja por bujía y turbina Para evitar recalentamientos no se permiten mas de 5 periodos de usos de un minuto por uno de intervalo

Sistema de Regulación Esta compuesto por un Regulador electrónico que controla un actuador electro – hidráulico del tipo EG – 3 con motor hidráulico El motor se utiliza para mantener en movimiento la válvula hidráulica y reducir su fricción El actuador debe ser alimentado con aceite a una presión de 9 – 10 Kg/cm2 y con un caudal de 15 litros por minuto

EG – 3

Sistema Eléctrico Contiene los siguientes circuitos: • Circuito de sensores • Circuito de encendido • Circuito de comando de las válvulas de combustible • Circuito de arranque • Circuito de virado

Circuito de sensores Contiene los siguientes sensore: • Sensor magnético para determinar la velocidad de la maquina para el automatismo de control de operación • Sensor magnético para determinar la velocidad del eje de salida para el regulador • Sensor de temperatura de escape, para ello se utilizan 4 termocuplas en paralelo ubicadas en la descarga de la turbina y conectadas en oposición con la termocupla ubicada en la admisión De esta forma la temperatura de escape es función de la carga e casi independiente de la variaciones de la temperatura de admisión

• Sensor de temperatura para el: • aceite de alimentación • aceite de retorno de los cojinetes • Sensor de temperatura para el aire admitido Se utiliza para disminuir la potencia de la maquina cuando se supera la condición estándar

Circuito de encendido Alimenta las cajas electrónicas de encendido con 24 V de CC, durante el ciclo de arranque entre cero y el 55 % de la velocidad de la maquina

Circuito de comando de las válvulas de combustibles Alimenta con 24 V CC las solenoide de las válvulas: • Piloto que controla la válvula principal • De combustible piloto

Circuito de Arranque Alimenta con 24 V CC las solenoide de los: • interruptores principal de arranque • De los relay de las resistencias de arranque

Circuito de virado Alimenta con 24 V CC el motor eléctrico de 3000 RPM para realizar el virado de la maquina, durante 10 Horas después de la parada de la misma para obtener un enfriamiento uniforme. Durante este periodo si es necesario poner en marcha la maquina, se suspende el virado y se esta en condiciones para efectuar el ciclo de arranque El virador se comanda en forma manual o en automático. En este caso en el ciclo de parada cuando la velocidad alcanza el 55 % de la velocidad en el proceso de detención el virador entra en funcionamiento en forma automática por 10 Horas Y si durante este periodo se necesita arrancar la maquina al pasar por 55 % se para el virador automáticamente

Comentario Si el virador esta fuera de servicio, y pasan 10 minutos desde la parada,algunos de los siguientes procedimiento se deben cumplir para arrancar nuevamente la maquina: • Esperar 10 horas • Realizar ciclos de venteo • Virar a mano

Actuador

Sistema

Regulador

Encendido

Arranque N° 1-2

Baterias 60 V

Baterias 24 V

Sensor

Sensor

Baja

RPM Regulador

RPM Instrumentos

Presion

ArranqueN 3-4

Controlador Arranque N° 1-4

Temperatura Aceites Aceites

Caja Control Valvula

Valvula

Valvula

Solenoide Arranque

Solenoide Principal

Solenoide By-Pass

Panel Sistema Eléctrico

Control

Motor

Virador

Virador

Temperatura Gases

Sistema de Control Contiene los siguientes sistemas: • Panel de operacion • Caja de control ( EBC ) • Cableado ( Entre turbina y EBC )

Panel de operación Contiene los siguientes elementos: • Indicador de velocidad • Indicador de temperatura de escape • Indicador de temperatura de aceite • Corrección de velocidad • Indicadores lumínicos • Botón para: Arranque, Parada, Purga, Parada de Emergencia y Reset

Caja de control ( EBC ) La caja de control contiene todo el software necesario para la operación y protección del grupo generador Esta conectada con el panel de operación, recibe información de los distintos sensores y comanda los sistemas auxiliares Necesita una alimentación de 24 V CC y para asegurar confiabilidad en su funcionamiento las condiciones ambientales deben estar entre los siguientes valores : • Temperatura ambiente –10 – 50 °C • Humedad relativa menor a 95 %

Operación del grupo • Puede ser puesta en marcha a distancia o en forma automática desde el panel de operaciones ( Ver grafico de secuencia ) • Idem para detención • La maquina esta protegida con parada inmediata por las siguientes variables: • Alta temperatura de escape • Baja presión de lubricación • Sobre velocidad • Falla de arranque

Secuencia de Arranque Automatico

Representacion de los eventos

RPM 100%

Tiempo

Secuencia de Arranque Automatico

Prelubric Arranque Encendido Valvula Principal Valvula Arranque RPM 100% 95% 55% 22% 5% Inicia excitacion Inicia Purga Inicia el Arranque

Tiempo

Disponibilidad de potencia

12 ° C

Turbina a Gas M1A – 23 Rotor montado sobre cojinete de friccion Potencia maxima continua: 2000KW • hasta 12 ° C • Sin perdidas de escape y admision • Y al nivel del mar

19 ° C

27 ° C

Turbina a Gas M1A - 23 Rotor montado sobre Rodamiento • Potencia maxima continua: 2000 KW • hasta 19 ° C • Potencia maxima de Pico: 2000 KW • hasta a 27 ° C • Sin perdidas de escape y admision • Y al nivel del mar