Capítulo I. Marco Teórico

CAPÍTULO I

MARCO TEÓRICO

Capítulo I. Marco Teórico

TURBINA DE GAS FUNCIONAMIENTO La turbina de gas es una turbomáquina motora capaz de convertir la energía termodinámica de un gas (fluido compresible) en trabajo útil en un eje. En las turbinas de ciclo abierto, que son las más usadas, el gas se genera en la misma unidad en el momento de su utilización, siendo éste el producto de la combustión de un combustible líquido o gaseoso (generalmente un hidrocarburo), con aire a presión, en una cámara o combustor

que precede a la turbina

propiamente dicha. En realidad, la designación genérica de gas corresponde a una mezcla de diversos gases que son el producto de la combustión. El aire a presión lo procura un compresor accionado por la misma turbina. El aire se toma de la atmósfera y en ésta se descargan los gases de escape. Unas toberas estacionarias lanzan chorros de dicho gas contra los álabes (paletas) de una turbina, y el impulso de los chorros hace girar el eje de la turbina. Una turbina de combustión de ciclo simple incluye un compresor que bombea aire comprimido a la cámara de combustión. El combustible, en forma gaseosa o nebulizada, también se inyecta en dicha cámara, donde se produce la combustión. Los productos de la combustión salen de la cámara a través de las toberas y hacen moverse la turbina, que impulsa el compresor y una carga externa como un generador eléctrico. El motor de turbina de gas de ciclo abierto está constituido esencialmente por: el turbocompresor, el combustor y la propia turbina, formando una sólida unidad. La ganancia de energía térmica en el combustor permitirá disponer en la turbina de una potencia mayor que la absorbida por el turbocompresor, de forma que se tendrá una potencia extra en el eje que podrá ser utilizada para los fines que se deseen, como mover un generador eléctrico, una bomba, un turbocompresor de otro servicio, un automóvil, una hélice de un barco o de un avión, un sistema mecánico, etc. Para el arranque de la unidad es necesario de un motor auxiliar. Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

En las máquinas modernas se acostumbra poner dos turbinas, una para mover el compresor y otra como turbina de potencia. De esta forma los ejes pueden ser independientes y la turbina de potencia puede girar a otra velocidad según lo exijan las necesidades del servicio. A estas unidades se les conoce con el nombre de eje partido. También puede haber dos compresores, uno de baja y otro de alta presión, con acción en el mismo eje o en independientes. Las turbinas de gas funcionan bajo el ciclo Brayton, en el cual las turbinas de gas de ciclo abierto pueden modelarse como un ciclo cerrado, mediante las suposiciones de aire estándar. En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se remplaza por uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos internamente reversibles: - Compresión isentrópica (en un compresor). - Adición de calor a P = constante. - Expansión isentrópica (en una turbina) - Rechazo de calor a P = constante.

Fig. 1. Ciclo Brayton simple

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Ciclo Brayton con regeneración En el ciclo Brayton simple, los gases a la salida de la turbina conservan todavía una gran cantidad de calor que puede ser aprovechado para calentar el aire, que procedente del compresor, entra en la cámara de combustión, reduciendo así el consumo de combustible y aumentando el rendimiento térmico del ciclo. Esta operación es posible porque entre la temperatura de salida de los gases y la de entrada del aire a la cámara de combustión suele haber un valor diferencial de 200ºC o más. La recuperación de calor se efectúa en un intercambiador de calor denominado regenerador o recuperador.

Fig. 2. Ciclo Brayton con regeneración

Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la turbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse si se reduce el trabajo del compresor o si aumenta el de la turbina o ambos. El trabajo requerido para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede disminuirse al efectuar el proceso de compresión en etapas y al enfriar el gas entre ellas, es decir, si se emplea compresión de etapas múltiples con Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

interenfriamiento. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de compresión se vuelve isotérmico a la temperatura de entrada del compresor y el trabajo de compresión disminuye. De igual modo, la salida de trabajo de una turbina que opera entre dos niveles de presión aumenta al expandir el gas en etapas y recalentarlo entre ellas, esto es, si se utiliza expansión de múltiples etapas con recalentamiento. Esto se lleva a cabo sin elevar la temperatura máxima del ciclo. Cuando aumenta el número de etapas, el proceso de expansión se vuelve isotérmico. El argumento anterior se basa en un simple principio: el trabajo de compresión o expansión de flujo permanente es proporcional al volumen específico del fluido. Por consiguiente, el volumen específico del fluido de trabajo debe ser lo más bajo posible durante un proceso de compresión y lo más alto posible durante un proceso de expansión. Esto es precisamente lo que logran el interenfriamiento y el recalentamiento. El fluido de trabajo sale del compresor a una temperatura menor y de la turbina a una temperatura más alta, cuando se usa interenfriamiento y recalentamiento. Esto hace que la regeneración sea más atractiva ya que existe un mayor potencial para ella. Además, los gases que salen del compresor pueden calentarse a una temperatura más alta antes de que entren a la cámara de combustión debido a la temperatura más elevada del escape de la turbina.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Fig. 3. Ciclo Brayton con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración

Los componentes que forman la turbina de gas con ciclo de interenfriamiento, recalentamiento y regeneración son los compresores, el interenfriador, la cámara de combustión, las turbinas, el recalentador y el regenerador. Compresor Los compresores son máquinas en movimiento destinadas a reducir el volumen de un fluido en estado gaseoso aumentando su presión. En muchos aspectos los compresores son similares a las bombas. Mecánicamente tienen partes similares. Sin embargo, operan con diferentes principios, ya que los gases son compresibles y los líquidos no. Los diferentes tipos de compresores existentes se pueden dividir en dos grupos: compresores de desplazamiento positivo, que pueden ser reciprocantes o rotativos, y turbocompresores. Los turbocompresores se dividen en dos grupos según la dirección del flujo: axiales y radiales (centrífugos). El compresor centrífugo está compuesto por un alimentador de aire y un impulsor, rotando a alta velocidad, y por un sistema difusor. El aire entra en la base del impulsor y es movido radialmente hacia fuera, por la acción de la fuerza centrífuga, dejando la punta del impulsor a una alta velocidad tangencial. El aire entra en el difusor, el cual es un anillo estacionario (o anillos) de álabes, de diferentes áreas de paso. En el sistema difusor, la velocidad del aire es reducida y su presión aumenta. Un compresor de flujo axial consiste en un número de hileras de álabes rotativos y paletas estacionarias. Un par de hileras de álabes rotativos y paletas estacionarias forman un escalonamiento, y un número de escalonamientos es arreglado en serie para formar el compresor completo. Los álabes rotativos son impulsados por la turbina, y la velocidad tangencial absoluta del aire, en los mismos, es aumentada.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Interenfriador Los interenfriadores, como su nombre lo indica, son dispositivos usados para bajar la temperatura al aire entre las etapas de compresión, dichos aditamentos son característicos de las turbinas a gas. Los interenfriadores son básicamente intercambiadores de calor cerrados, con un sistema análogo al de los radiadores de los vehículos. El proceso de funcionamiento es muy sencillo; primero al aire que va de las diferentes etapas de compresión se le desea bajar la temperatura para aumentar la eficiencia del ciclo de compresión, para lo cual se hace pasar el mismo por una serie de banco de tubos, colocados de manera paralela o en tres bolillo; de manera perpendicular, se coloca una especie de ventilador, en caso de que el fluido frío de trabajo sea aire; o una bomba en caso que el fluido sea agua. A través de las paredes de los tubos se realiza la transferencia de calor del fluido frío al fluido caliente. Es importante destacar que el material con que deben estar fabricados los tubos de los paneles debe ser de un material altamente conductor, como el cobre, lo cual aumenta el coeficiente de transferencia de calor. Además de esto, se puede mejorar el flujo de calor, colocando aletas perpendicularmente a la dirección de los tubos que conducen el fluido caliente, ya que hay mayor área de transferencia de calor. Los diferenciales de temperatura que manejan estos dispositivos no son muy altos, pero mejoran enormemente la eficiencia de la compresión por etapas. Cámara de combustión Su función es quemar completamente el fluido de aire (proveniente del compresor) y el gas (combustible) que se le inyecta, a fin de elevar la temperatura y velocidad de la corriente de gases a alta presión hasta obtener los parámetros operacionales, con lo cual aumentan la energía cinética y la energía interna del fluido, las cuales son transformadas en energía mecánica (rotativa), por medio de la expansión de los gases y el impulso suministrado por la misma corriente de gas.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Turbina La turbina convierte la energía de los gases de combustión en energía mecánica. La cantidad de energía es una medida de la eficiencia del componente. El rol de la turbina es muy importante, principalmente debido a la sensibilidad del rendimiento del equipo a pequeños cambios en la eficiencia de la turbina. En la mayoría de los ciclos, aproximadamente dos tercios de la fuerza desarrollada por la turbina es utilizada para mover el compresor (esto baja en los ciclos con interenfriamiento, recalentamiento y regeneración, en la medida que baja el trabajo de retroceso). Por lo tanto, una reducción del uno por ciento en la eficiencia de la turbina causa que la potencia de salida del equipo baje en tres por ciento. Al igual que el compresor, la turbina puede tener una dirección de flujo axial o radial. La decisión del tipo es influenciada por el requerimiento de diseño, la aplicación de la turbina y consideraciones de velocidad específica. Recalentador Para poder realizar el recalentamiento intermedio en la expansión, es preciso dividir ésta, poniendo dos turbinas, una de alta presión y otra de baja presión, pudiendo estar en el mismo eje o en ejes independientes. El recalentador es una segunda cámara de combustión que se coloca entre las dos turbinas, en la cual se quema más combustible y se generan más gases. Para que la combustión en esta segunda cámara sea posible se necesita trabajar con suficiente aire en exceso en el proceso de compresión, a fin de poder quemar más combustible en dicho recalentamiento, generando así más gases para la turbina de baja presión. Ese aire en exceso cumple al mismo tiempo otra función importante, la de abatir la temperatura de los gases a la entrada de la turbina de alta presión, protegiendo así a los álabes de ésta. La división de la expansión mejora el rendimiento del ciclo, lo mismo que sucede con la división de la compresión.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Regenerador (o Recuperador) Los regeneradores son intercambiadores de calor, empleados en las turbinas de gas para aumentar la eficiencia del ciclo. En los motores de turbina de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor en contraflujo, el cual se conoce también como un regenerador o recuperador. La eficiencia térmica del ciclo Brayton aumenta debido a la regeneración, en virtud de que la porción de energía de los gases de escape que normalmente se libera en los alrededores ahora se usa para precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Esto, a su vez, disminuye los requerimientos de entrada de calor (y, en consecuencia, de combustible) para la misma salida de trabajo neta. El empleo de un regenerador se recomienda sólo cuando la temperatura de escape de la turbina es más alta que la temperatura de salida del compresor, de otro modo, el calor fluirá en la dirección inversa (hacia los gases de escape) y reducirá la eficiencia. Esta situación se encuentra en las máquinas de turbina de gas que operan a relaciones de presión muy altas. La temperatura más alta que sucede dentro del regenerador es la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina y entran al regenerador. Bajo ninguna condición el aire puede precalentarse en el regenerador hasta una temperatura superior a este valor. El rendimiento del ciclo regenerativo aumenta, tanto más cuanto mayor sea la eficiencia del regenerador. Sin embargo, este aumento es a costa: a) del aumento de la superficie de regeneración de calor, y por tanto, de las dimensiones y peso de la instalación y b) del precio de la instalación. El empleo de regeneradores en las turbinas de gas presenta tres problemas: necesidad de una gran superficie de tubos; conservar limpia la superficie de éstos; aumento de resistencia al paso de los gases. En las centrales térmicas pueden acomodarse con relativa facilidad los voluminosos intercambiadores de calor que Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

son requeridos y para limpiar la superficie de los tubos se utilizan sopladores de hollín de tipo mecánico. Sin embargo, el volumen ocupado por un intercambiador de calor impide aplicarlo a las turbinas de gas en los aviones y locomotoras.

APLICACIONES El motor de turbinas de gas tiene cada día un campo de aplicación más amplio, utilizándose: •

Para mover sistemas mecánicos industriales de cualquier índole.

•

En la industria del petróleo y el gas natural, donde puede contarse con combustible fácilmente.

•

En aquellas industrias que desarrollan procesos que requieren gran cantidad de calor, y donde puede aprovecharse el calor expulsado con los gases de escape.

•

En la generación de energía eléctrica, para cubrir picos de la curva de demanda, por su rápida puesta en servicio, o como unidades de generación aisladas con fines industriales, comerciales o domésticos. Operación en ciclo combinado con turbinas de vapor.

•

Como

potencia

auxiliar

de

emergencia

en

fábricas,

hospitales,

universidades, o grandes plantas de generación de energía eléctrica, como el caso de las nucleoeléctricas. •

En aviación, donde ha desplazado totalmente a los motores alternativos.

•

En la marina para propulsión de barcos de muy diversa índole (de guerra, de pasajeros, cargueros, etc.)

•

Como motor en automóviles (en experimentación avanzada).

•

Como

motor

en

autobuses

urbanos

y

camiones

de

carga

(en

experimentación avanzada). Según las aplicaciones, los motores de turbinas de gas pueden presentar ciertas características especiales.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Turbinas de gas para aviación militar Los nuevos aviones militares son impulsados, casi en exclusividad, por turbinas de gas. Motores de ciclo simple, que producen potencia para una flecha, se emplean en los helicópteros y para impulsar las hélices de aviones pequeños o de velocidad moderada. La mayor parte de los tipos de combate que se usan en la actualidad tienen motores de chorro, y a menudo emplean postcombustión (recalentamiento antes de la tobera de chorro) para obtener hasta un 100% adicional de empuje, durante períodos cortos. Cada vez aumenta más la preferencia por el motor de ventilador, tanto en los aviones de largo alcance como en los de combate, y la mayor parte de los nuevos motores de chorro son de este tipo. Las tendencias futuras de la aviación militar son hacia alcanzar velocidades más altas y el despegue vertical. Las dos necesidades requieren el uso de una temperatura más alta de admisión a la turbina. El desarrollo de materiales y de técnicas de diseño para temperaturas más elevadas permitirá obtener una salida de potencia más elevada y mejorarán la eficiencia térmica. Turbinas de gas para aviación comercial Los aviones de propulsión a chorro de las líneas comerciales han demostrado de manera excepcional una elevada utilización y rentabilidad, debido en gran parte al buen récord de confiabilidad y al bajo costo de operación de los motores de turbochorro y de turboventilador; esto, a su vez, ha contribuido a un crecimiento muy rápido de la aviación comercial. Se encuentran en uso motores de hélice, de ventilador y del tipo de chorro, con tendencia cada vez mayor hacia el motor de ventilador y a contar con mayor potencia. Ahora son de uso generalizado motores con empuje nominal de 40000 lb (180000 N). Una parte de la aviación comercial que evoluciona con mucha rapidez es el transporte de carga, que principalmente corresponde al transporte de pasajeros. Se están introduciendo en esta industria transportes de carga especializados y muy grandes, impulsados por turbinas de gas muy grandes.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Turbinas de gas para generación eléctrica Más de dos tercios de las turbinas grandes de gas industriales se utilizan para generar electricidad. En Estados Unidos, las compañías generadoras de electricidad usan principalmente las turbinas de gas para cubrir las cargas pico. Los costos de instalación y de operación, incluso con el empleo de combustibles refinados, son favorables para ese servicio intermitente, y este tipo de turbinas resulta muy apropiado para la automatización y el control remoto. Los motores de aviación adaptados para este servicio ofrecen un arranque muy rápido (tan corto como 2 min desde el arranque hasta plena carga). Se han instalado plantas de energía para cargas pico hasta de 150 MW, con un solo generador impulsado por una batería de motores. Se emplean turbinas de gas para la generación de electricidad destinada a cargas básicas, en aquellos casos en los que se necesita capacidad adicional con rapidez, si se cuenta con combustible refinado, como el gas natural, a bajo costo, o bien, si se puede utilizar la energía del escape. El ciclo combinado posibilita tener una eficiencia mejorada y abre el mercado de las cargas intermedias a este tipo de plantas de energía. Sin embargo, una vez más, la preocupación actual acerca del abastecimiento de combustible limpio está desalentando a las compañías generadoras de adquirir compromisos respecto a este sistema.

Turbinas de gas para conducción de gas por gasoductos Esta industria es uno de los usuarios más importantes de las turbinas de gas (alrededor de la sexta parte de todas las unidades industriales de tamaño grande). Se han instalado estas turbinas como unidades motrices de compresores, en tamaños hasta de 30000 hp (22500 kW). Ésta es una aplicación excelente para este tipo de turbinas, ya que el gas natural es un combustible ideal y se requieren potencias muy grandes. La explotación de los campos de gas del ártico ha creado un mercado para las unidades motrices de compresores a base de turbinas de gas.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Turbinas de gas para transporte En los barcos, la elevada potencia específica de las turbinas de gas permite el diseño con el fin de obtener velocidades más altas; para los barcos mercantes, esto puede significar más viajes productores de ganancias al año y una mejor utilización de la inversión. Lo anterior es cierto en particular para los barcos de contenedores y otros buques de carga rápida, que pasan relativamente más tiempo en el mar. Ya están operando los primeros barcos de este tipo y mostrarán la realidad de las ventajas que se esperan. Se han utilizado turbinas de gas en las locomotoras de carga de los ferrocarriles, pero parece que no ofrecen una ventaja significativa sobre los motores Diesel. Por otra parte, los trenes de pasajeros, cuyo peso es ligero, se benefician con el peso ligero de estas turbinas y, en Europa y América, varios trenes están operando con éxito. Las compañías automotrices estadounidenses han invertido mucho esfuerzo en las turbinas de gas para camiones, autobuses y automóviles, pero todavía no han desarrollado un competidor por completo satisfactorio para el motor de pistón.

COMBUSTIBLES Y COMBUSTIÓN La generación de gases calientes en el combustor de un motor de turbina de gas, tiene gran importancia en la operación del ciclo de la máquina. En el caso de un ciclo abierto, el aire (comburente) se toma de la atmósfera, se comprime en el compresor y se inyecta en la cámara de combustión o combustor, donde al mismo tiempo se inyecta también el combustible, generalmente un hidrocarburo líquido o gaseoso. Iniciada la combustión con una chispa, seguirá, así en forma continua. Los gases, producto de la combustión, con presión y temperatura altas, pasan a la turbina propiamente dicha, donde se expansionan cediendo su energía a la máquina, convirtiéndose la energía termodinámica de aquellos en energía mecánica en el eje de la unidad. En las máquinas de ciclo cerrado, el aire de la combustión es independiente del fluido de trabajo.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

El proceso de combustión es una reacción química exotérmica, donde los elementos combustibles son fundamentalmente carbono e hidrógeno, ya que el hidrocarburo que sirve de combustible es de la forma general CxHy, donde la relación H/C, en masa, suele variar de 0.13 a 0.18 según el tipo de hidrocarburo. Ambos elementos reaccionan con el oxígeno produciendo CO2 y H2O. También puede

haber otros elementos

combustibles,

como

ganga

del principal,

particularmente azufre, aunque no sea muy deseable, pues produce SO2 y SO3, que con el agua forman H2SO4, ácido extremadamente corrosivo. El agua, que se forma por combustión del hidrógeno, está en forma de vapor. El calor latente de condensación de este vapor permite considerar dos poderes caloríficos distintos del combustible: el superior y el inferior. Se llama poder calorífico superior (HHV) al que resulta de incrementar el poder calorífico con el calor latente de condensación que desprende el agua al condensarse. Se llama poder calorífico inferior (LHV) al que no tiene en cuenta dicho incremento del calor de condensación, por permanecer en estado de vapor. Parece más lógico estimar el comportamiento del combustible haciendo referencia al poder calorífico inferior ya que los gases, al ser expulsados de la turbina, conservan temperaturas que están por encima del punto de condensación del vapor de agua incorporado. Sin embargo, con frecuencia se hace, también, referencia al poder calorífico superior. Combustibles usados en motores de turbina de gas Los combustibles usados en motores de turbina de gas son fundamentalmente hidrocarburos, ya sean gaseosos o líquidos. También pueden emplearse combustibles sólidos, pero son menos frecuentes. Gas Natural El gas natural es el combustible ideal en muchos aspectos para la operación de turbinas de gas. La forma gaseosa facilita la combustión, tiene alto poder calorífico, es de fácil manejo, limpio, no suele contener impurezas que ocasionan Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

corrosión, erosión o depósitos en los álabes de la turbina; es recomendable para las turbinas que funcionen en ciclo abierto. Para utilizar el gas sólo se requiere establecer los ductos convenientes desde los yacimientos a los centros de consumo. Como las presiones de suministro son bajas (inferiores a 2 bar absolutos), es preciso levantar la presión con una bomba auxiliar para alimentar el inyector del combustible en la cámara de combustión de la unidad, de acuerdo con la presión de trabajo de ésta. Gas LP (liquided petroleum) Los gases licuados, obtenidos del petróleo, como el propano y el butano, son excelentes combustibles para las turbinas de gas. Sus características son prácticamente idénticas a las del gas natural. Se mantiene líquido en tanques de acero a presiones superiores a 7 bar y se gasifica al salir del tanque con la temperatura y presión normales. Los ductos y toberas de alimentación del gas LP son de diámetros más reducidos que los requeridos para el gas natural. El gas licuado es, en general, más caro que el gas natural para el mismo contenido calórico. Con temperaturas ambientes bajas es difícil la vaporización del gas LP y en ciertos casos puede exigir calor auxiliar. Hidrocarburos líquidos El uso de combustibles líquidos en turbinas de gas está más generalizado que los gaseosos, particularmente en unidades móviles (aviones o barcos) y también en unidades estacionarias donde no llega la tubería de gas natural. Ello es debido a que, por unidad de volumen de combustible, se puede tener mayor contenido energético en la forma líquida que en la forma gaseosa. Se han usado con éxito alcohol, gasolina, petróleo diáfano, aceites ligeros y aceites pesados residuales. En las turbinas de gas de los aviones se usan hidrocarburos ligeros (queroseno de alto grado). En la marina pueden utilizarse estos mismos combustibles y también aceites ligeros. En las unidades estacionarias grandes es frecuente el uso de hidrocarburos más pesados como Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

fuel-oil y combustóleo, que son más baratos para un contenido energético equivalente. Sin embargo, estos hidrocarburos pesados contienen, por lo general, más azufre y vanadio, cuyos elementos producen depósitos de partículas en los álabes, que propician la corrosión y la erosión de éstos.

Combustibles sólidos La utilización de combustibles sólidos, como el carbón, encuentra más aplicación en las turbinas de circuito cerrado que en las de circuito abierto. El carbón produce cenizas, hollín e inquemados que dañan los álabes de la turbina cuando ésta es de circuito abierto. Se investiga, sin embargo, con el carbón y también con la energía nuclear, pero aún no se tienen resultados satisfactorios que puedan hacerlos competitivos con los combustibles líquidos o gaseosos en sistemas de ciclo abierto.

LUBRICACIÓN La selección del lubricante adecuado depende del diseño del equipo, las condiciones de operación y el método de aplicación. La mayoría de los fabricantes de equipos proporcionan recomendaciones de lubricación basadas en el diseño, condiciones normales de operación y experiencia

pasada.

Siempre

que

sea

posible

deben

seguirse

esas

recomendaciones. Además, los proveedores más prestigiosos de aceite se mantienen en íntimo contacto con los fabricantes del equipo y están a la disposición del usuario para la selección de lubricantes. El diseño del equipo y las condiciones esperadas de operación determinarán qué funciones se espera que realice el lubricante y dictarán el tipo de lubricante y aditivos que serán los más adecuados. El aceite de viscosidad adecuado para una aplicación es una función de la velocidad, la carga y temperatura ambiente. Las condiciones de cargas elevadas a velocidades lentas requerirán un aceite de alta viscosidad. En forma similar, un Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

aceite de baja viscosidad es más adecuado para condiciones de baja carga y altas velocidades. Idealmente, se preferiría seleccionar el aceite de la viscosidad más baja posible que es capaz de mantener una película lubricante entre las superficies móviles. La selección de un aceite de más alta viscosidad que la necesaria puede resultar en pérdidas de potencia y aumentos de temperatura debido a la más alta fricción fluida interna del lubricante. El efecto de las temperaturas de operación en la selección del lubricante no debe pasarse por alto. Ya que la viscosidad disminuye conforme aumenta la temperatura, es necesario seleccionar fluidos de alta viscosidad para aplicaciones de alta temperatura y fluidos de baja viscosidad para aplicaciones de baja temperatura con objeto de asegurar un espesor adecuado de la película lubricante y fricción fluida mínima. Lubricación de los compresores El modelo y tipo de compresor, la carga y el gas que se comprime y otras condiciones ambientales dictan el tipo de viscosidad del aceite que debe usarse. La mayor parte de los compresores se lubrican con aceites de petróleo. Sin embargo, en los años recientes ha habido interés considerable en la lubricación de compresores con lubricantes sintéticos. Los aceites para utilizarse en los compresores deben tener las siguientes características: •

Buena estabilidad: Debe tener alta estabilidad frente a la oxidación para minimizar la formación de gomas y depósitos de carbón que pueden causar que las válvulas se peguen, lo cual puede llevar a condiciones de muy alta temperatura y mal funcionamiento del compresor.

•

Buena desemulsibilidad: Debe ser capaz de ceder fácilmente el agua para evitar la formación de emulsiones que pudieran interferir con la adecuada lubricación.

•

Propiedades contra la corrosión y la herrumbre: Debe proteger las válvulas, pistones, anillos y cojinetes contra la herrumbre y la erosión.

Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico •

Buenas propiedades contra el desgaste: Deben formar y mantener una película fuerte de lubricante a temperaturas relativamente altas, por lo que requieren buenas propiedades contra el desgaste.

•

Propiedades antiespumantes: Es importante en las cajas de cigüeñal donde las mezclas de aire con aceite pudieran impedir la buena lubricación.

•

Bajo punto de fluidez: Esto es necesario sólo para el arranque a baja temperatura.

•

Viscosidad adecuada: El usuario debe remitirse a las recomendaciones de viscosidad para cada tipo de compresor, así como a las recomendaciones hechas por el fabricante para temperaturas de operación y condiciones que prevalecen.

Lubricación de las turbinas Existen ciertas recomendaciones para la selección del lubricante adecuado para utilizar en las turbinas. Algunas de las características que debe tener el lubricante a seleccionar son: •

Baja viscosidad, dadas las elevadas rpm de la turbina.

•

Alta resistencia a la oxidación y formación de lodos.

•

Buenas propiedades antiespuma.

•

No corrosivo y antiherrumbre.

•

Buenas propiedades de desaireación.

•

Buenas propiedades de separación del agua.

SISTEMAS DE REGULACIÓN Y CONTROL Los sistemas de regulación y control, aunque son interdependientes, tienen funciones

básicamente

diferentes.

El

sistema

de

regulación

adapta

continuamente el funcionamiento de la turbina, llevándola al punto de operación preciso y actuando sobre la válvula de entrada del combustible. El sistema de control garantiza la debida secuencia en los periodos de arranque y parada, así como la protección de la máquina durante la operación. Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

Las unidades de un solo eje, conectadas a un gran sistema eléctrico, se regulan por la temperatura de entrada a la turbina, con el regulador de velocidad actuando como limitador. Si se trata de unidades aisladas, se regulan con la velocidad de la turbina, dentro de los límites del regulador de temperatura. Las unidades de eje partido se regulan por la velocidad del eje de la turbina de potencia,

mientras la velocidad del eje del generador de gases y la

temperatura de entrada a la turbina de alta, se encuentran limitadas por los gobernadores correspondientes. El sistema de control comprende una secuencia de información, programada minuciosamente, ordenando todas las operaciones necesarias en el proceso de arranque o de parada de la unidad. Elementos de bloqueo

impiden que el

programa siga al paso siguiente si no están cumplidos los requerimientos del paso anterior. Los sistemas de regulación y control son electrónicos, fabricados con componentes comerciales estándares, montados sobre un panel, donde también se hallan los instrumentos indicadores correspondientes. Sistemas de arranque Para el arranque de un motor de turbina de gas se suelen emplear los tres sistemas que se presentan a continuación. El empleo de uno u otro depende de la potencia disponible, del número de turbinas y de las condiciones particulares del servicio. a) Sistema eléctrico La potencia de arranque se toma de un motor asíncrono conectado al engranaje auxiliar a través de un acoplamiento hidrodinámico. Para mantener baja la corriente de arranque, el motor se arranca con el acoplamiento drenado. Cuando el acoplamiento se llena, el par y la corriente del motor aumentan continuamente. Durante la operación normal de la unidad el acoplamiento hidrodinámico se mantiene vacío y estacionario. Ciclo Brayton

Capítulo I. Marco Teórico

b) Sistema de expansor de gas Si se cuenta con gas, aire comprimido o vapor a una presión mínima de 12 bar y un gasto aproximado de 3 Kg / s, se pueden arrancar motores de turbina de hasta 10 000 KW por medio de una turbina de expansión de gas. El expansor se acopla directamente y en forma rígida a la caja del engrane auxiliar, esto es, gira con la unidad durante la operación de ésta. En ciertos casos puede desconectarse el acoplamiento cuando la unidad está en funcionamiento.

c) Sistema hidráulico El sistema de arranque hidráulico es el que normalmente se escoge para plantas con una serie de unidades. El arranque de cada unidad se ejecuta con un motor hidráulico individual, actuado por aceite a alta presión, la cual se consigue con una bomba de pistón movida por un motor eléctrico. El flujo de aceite se incrementa automáticamente, desde cero hasta la plena capacidad durante la fase de arranque.

Ciclo Brayton