PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO, OPERACIÓN Y PROGRAMAS DE MANTENIMIENTO DE LAS TURBINAS DE GAS.

III.- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO, OPERACIÓN Y PROGRAMAS DE MANTENIMIENTO DE LAS TURBINAS DE GAS.

3.1 GENERALIDADES Y CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE GAS.

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de flujo continuo con una baja relación peso-potencia y velocidad de giro muy elevada. La turbina está formada por un compresor, una cámara de combustión y la turbina propiamente dicha.

Una turbina de gas es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos.

Las instalaciones de turbinas de gas pueden ser abiertas o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire. Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el rodete de la turbina (649 - 982) °C, es necesario un elevado porcentaje de aire. Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple y poseer un sistema hermético. Puede diseñarse para altas relaciones peso / potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento.

En las instalaciones de tipo cerrado, los productos de la combustión no pasan a través de las turbinas, sino por un intercambiador de calor. Los gases que atraviesan la turbina trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen, calientan, expansionan, y enfrían. Las instalaciones cerradas permiten quemar cualquier tipo de combustible en ei combustor. Sin embargo, se necesita un ¡ntercambiador de calor. Este tipo de instalaciones está limitado a las turbinas estacionarias.

3.2 PARTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE GAS.

Los principales elementos de la turbina de gas son cinco:

S La admisión de aire.

S El compresor.

S La cámara de combustión.

■f La turbina de expansión.

S El rotor.

Admisión de aire

El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.

Compresor de aire

La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que

é

normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.

El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de alabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante.

Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de alabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin.

Cámara de combustión

En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.

Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los alabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los alabes

Turbina de expansión

En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpia), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor.

3.3 SISTEMAS DE GOBIERNO Y VELOCIDAD.

SISTEMAS DE GOBIENO

Para poder adaptar la potencia de una turbina de velocidad constante a la demanda de una máquina receptora (alternador), se pueden utilizar algunos de los siguientes tipos de regulación:

a) Regulación por variación de la presión en la admisión, que se consigue mediante laminación en la válvula de admisión o variando la presión en la caldera, (regulación cualitativa).

b) Regulación por variación del número de toberas activas en la admisión sobre la primera corona, (regulación por admisión parcial o regulación cuantitativa).

El primer problema que se plantea es el control de la velocidad, que se tiene que mantener en ciertos casos en un valor determinado, y que hay que limitar a un máximo aceptable en todos, ya

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que ningún grupo puede soportar una velocidad de embalamiento igual, en general, al doble de la velocidad de régimen, por lo que es de vital importancia controlar la velocidad de rotación.

En la regulación de turbinas industriales que, aparte de generar energía, suministran vapor a baja presión para el calentamiento, y en las turbinas de las centrales destinadas exclusivamente a la generación de energía mecánica, aparecen otras exigencias por lo que las soluciones que se dan al problema de la regulación varían según el caso, como indicamos a continuación:

Regulación de turbinas industriales.- El caso más sencillo es el de la turbina de contrapresión cuya potencia es función del consumo de vapor suministrado a presión constante. El alternador

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