OTRAS APLICACIONES INDUSTRIALES DE LA TURBINA DE GAS

La combustión de los gases de alto horno se puede aplicar a la obtención de energía eléctrica, y/o a la obtención de grandes cantidades de aire a presión necesario para diversas aplicaciones en las fábricas siderometalúrgicas. A principios de siglo se utilizaban soplantes que eran combinación de un motor de combustión interna que funcionaba con dichos gases y de un compresor alternativo, máquinas lentas y de grandes dimensiones; posteriormente, para el accionamiento de las turbosoplantes se utilizó una turbina de vapor alimentada por una caldera que quemaba el gas del horno alto. Hoy en día estos gases se queman en una turbina de gas acoplada a una turbosoplante, y/o a un alternador, en la que las condiciones de servicio, y el orden de magnitud de las potencias necesarias para el accionamiento de la turbosoplante y/o el alternador a gran velocidad, las hace idóneas para su utilización.

INSTALACIÓN COMBINADA CON CALDERA EN HORNO A PRESIÓN (II)

La diferencia ( Direc .agua - Dicomb ) es, en general, positiva y conviene sea lo menor posible, ya que la diferencia de temperaturas en el recalentador puede ser más importante que el aumento de temperatura producido por la compresión.
Admitiendo en el límite que:

Para la elección del tipo de instalación es necesario tener en cuenta el rendimiento, pero no es suficiente, por cuanto también se han de considerar los gastos de instalación; una solución interesante es la combinación de una caldera a presión y una turbina de gas aguas abajo.
La combinación de una turbina de gas con una turbina de vapor, permite pasar de un rendimiento térmico del orden del 27,5% que es el rendimiento de las turbinas de gas a plena carga, al 32,6%.

INSTALACIÓN COMBINADA CON CALDERA EN HORNO A PRESIÓN (I)

Vamos a comparar una instalación mixta, con otra instalación de vapor (*), tomando como términos comunes los siguientes:

Si se aporta una cierta cantidad de calor en la cámara del recuperador

Si se aporta una cierta cantidad de calor en la cámara del recuperador, de la forma, hc D1*, la potencia del vapor aumenta en:

por lo que habrá que aportar la poscombustión siempre que
hc hciclo vapor > h*
siendo normal elegir Dicomb
* tan grande como sea posible, o lo que es lo mismo, que la combustión se
realice con un mínimo de exceso de aire en la cámara.

PROPULSIÓN POR REACCIÓN TURBORREACTORES. (II)

El chorro de gas es el resultado de una combustión; en el cohete, el combustible y el comburente están en el interior del aparato, lo que le hace independiente de la atmósfera; por el contrario, el reactor toma el comburente del aire ambiente que penetra en la máquina debido a la velocidad de desplazamiento (estatoreactor) o bien por el efecto de un compresor movido por medio de una turbina que toma su energía de los gases de propulsión (turborreactor), que se presenta como una turbina de gas reducida a la parte generadora de gases calientes; tanto la turbina de potencia útil como el recuperador, no tienen sentido en esta situación; se sustituyen por una tobera de expansión donde el chorro de propulsión adquiere la velocidad V1, Fig X.12

CICLO COMBINADO TURBINA DE VAPOR Y TURBINA DE GAS

TURBINA DE GAS CON INSTALACIÓN DE TURBINA DE VAPOR AGUAS ABAJO

Se puede suponer que el vapor de agua se produce únicamente por el calor de escape de la turbina
de gas, Fig X.2.
Un balance de la entalpía del aire entre la entrada del compresor y la salida del recuperador, es de la forma:

Sobrealimentación de calderas (II)

El peso del generador es más reducido, pero las calderas Velox presentan inconvenientes que han limitado su empleo en instalaciones de potencias moderadas, como la obligación de quemar un combustible gaseoso o líquido debido al peligro de abrasión que constituye un combustible sólido accionado a gran velocidad, o
el que la recuperación del calor de escape se haga mediante un economizador, perdiéndose así la posibilidad de un recalentamiento por trasiego del vapor, por lo que se reduce el rendimiento del ciclo.
Para cargas pequeñas no es suficiente la potencia de la turbina y se necesita un motor de arranque y de punta para mover el compresor.
Para cargas grandes la potencia de la turbina se hace superior al consumo y se puede devolver energía a la red; si se aumenta la potencia de la turbina de gas, es posible combinarla con una turbina de vapor en una misma instalación de generación de energía, aunque hay que encontrar un punto de funcionamiento que haga ventajosa esta combinación.

Sobrealimentación de calderas (I)

Una caldera Velox es un generador de vapor con circulación forzada de agua y circulación forzada de gas, obtenida esta última mediante un grupo turbocompresor, Fig X.2.
La combustión se realiza bajo presión, 1 a 2 atm, las velocidades de circulación de los gases son muy elevadas, del orden de 200 m/seg en lugar de 15 m/seg en los generadores ordinarios, con lo que resultan flujos de calor muy elevados, del orden de 300.000 Kcal/h.m2 en lugar de los 32.000 Kcal/h.m2 en las calderas clásicas.

Turbocompresor de sobrealimentación

Estas máquinas constan de una turbina de gas de un escalonamiento, generalmente de inyección total y de un compresor centrífugo para relaciones de compresión
entre 1,5 y 2,5.
El sistema de sobrealimentación que se aplicó a los motores Diesel de cuatro tiempos hacia 1920, también se emplea en los motores Diesel de dos tiempos desde 1950.

SOBREALIMENTACIÓN DE MOTORES Y CALDERAS

En las instalaciones que utilizan fluidos compresibles, las cantidades de energía utilizadas y, por tanto, las dimensiones de las máquinas, son proporcionales al flujo másico; para reducir las dimensiones conservando la potencia o para aumentar la potencia manteniendo las dimensiones, se puede:

a) Aumentar las velocidades de circulación, que para secciones de paso iguales, implica un aumento del flujo másico, lo que supone un aumento de las pérdidas de carga, y una reducción del rendimiento.

b) Aumentar la presión de funcionamiento y, por tanto, el peso específico de los gases y el flujo másico, sin cambiar las velocidades de circulación, posibilidad que constituye una de las principales ventajas de la turbina de gas en circuito cerrado.

En las máquinas que funcionan con aire en condiciones atmosféricas, el aumento de la presión de funcionamiento o sobrealimentación se consigue colocando un compresor a la entrada de la instalación.

Para accionarlo se necesita energía que se obtiene de la energía térmica residual de los gases antes de ser lanzados a la atmósfera.

La primera aplicación de la sobrealimentación fue la de los motores de aviación (1916) mediante un compresor accionado por una turbina alimentada por los gases de escape del motor, apareciendo en 1930 las primeras calderas sobrealimentadas por grupos turbocompresores.

INFLUENCIA DEL ÁNGULO DE ATAQUE (II)

Fuera del régimen de adaptación y para un álabe de acción que tenga la misma altura de vena a la
entrada y a la salida:
Si a1 < a2, aumenta la presión, el álabe funciona como un mal difusor debido a la curvatura de los filetes de fluido, y los desprendimientos aparecen muy rápidamente
Si a1 > a2, se presenta una caída de presión en la transversal del canal, con lo que aparece un cierto grado de reacción.
Los distintos filetes de fluido que salen de un distribuidor de perfil constante se sitúan en un hiperboloide de revolución cuyo semiángulo del vértice de las generatrices del cono asintótico es el complementario del ángulo de inyección.

INFLUENCIA DEL ÁNGULO DE ATAQUE (I)

La Fig IX.10 muestra el reparto de las presiones sobre el intradós y el extradós de un álabe de acción para un ángulo de ataque normal a1; en este régimen el
movimiento es regular y las sondas muestran que las capas límites de las paredes tienen un espesor pequeño. Si el ángulo de entrada disminuye (a1’ < a1) se produce una depresión en el extradós en la proximidad inmediata del borde de entrada, y aumenta el área del diagrama, así como el esfuerzo motor sobre el álabe.
Si el ángulo de entrada aumenta, se produce un aumento de la velocidad y una depresión con lo que disminuye el área del diagrama. Variaciones del ángulo de entrada poco importantes, no afectan ni al movimiento, ni a las presiones en el resto del canal, ni al ángulo de salida del fluido.
Si existe una gran diferencia entre los ángulos de ataque respecto al ángulo teórico, el movimiento se complica con desprendimientos en el intradós o en el extradós que aumentan las pérdidas del álabe y al prolongarse en todo el movimiento pueden afectar al ángulo de salida del fluido.
Estos desprendimientos se producen con regímenes tanto más próximos al régimen de adaptación cuanto más agudo es el borde de ataque del álabe. Cuando sea necesario tener una gran amplitud de adaptación, es indispensable proveer a los álabes de un borde de ataque suficientemente redondeado.

RELACIÓN DE EXPANSIÓN LIBRE

Esta relación permite conocer la forma de evitar los fenómenos sónicos. La elevación de la presión en un fluido incompresible viene dada por la relación entre la depresión máxima sobre el extradós y la presión dinámica del fluido aguas abajo, de la forma:

Para velocidades elevadas esta relación varía según la ley de Prandtl-Glauert, siendo pC la presión en el punto de máxima depresión, garganta de la tobera, cuando se alcanza la velocidad del sonido en dicho punto, en la forma.:

Influencia de la compresibilidad (IV)

Si, p2 < p1 la vena se extiende en la tobera hasta la presión p1. Cuando la presión en el recinto es p2, experimenta una expansión pivotante de p1 a p2 que provoca una tremenda divergencia.

Influencia de la compresibilidad (III)

Por encima de una determinada relación de expansión conviene utilizar canales convergentedivergentes, que sólo presentan un buen rendimiento para la relación de expansión prevista; en particular, en régimen subsónico funcionan mal.

Los fenómenos que se producen en un álabe convergente-divergente son análogos a los que se originan en una tobera de canal de paso rectilíneo; si el flujo en la parte divergente de la tobera es supersónico, las perturbaciones aguas abajo no pueden remontarse aguas arriba.

Si p1 es la presión dentro de la tobera a la salida y p2 la presión aguas abajo, si p2 sube más allá de p1, la expansión se hace normalmente en el divergente hasta p1, después se produce una recompresión seguida por una onda de choque oblicua, dependiendo su inclinación de la relación (p2/p1) y se hace normal cuando p2 alcance un cierto valor p2’. Más allá de p2 la onda de choque permanece normal, pero remonta progresivamente en el divergente acompañada con frecuencia de un desprendimiento. Aguas abajo de la onda de choque la velocidad es inferior a la del sonido.

A partir del momento en que la onda de choque alcanza la garganta, el movimiento se hace subsónico y la tobera funciona como convergente-divergente para fluidos incompresibles, existiendo expansión en la zona convergente y recompresión en la divergente

Influencia de la compresibilidad (II)

Si la relación de expansión aumenta aún más, se alcanza la velocidad del sonido en toda la sección del canal (a1b1), (relación de expansión crítica rC), más allá de la cual el gasto es independiente de la presión aguas abajo; en esta situación r £ rC, la vena supersónica en la que hay una presión p1 en la salida de la tobera penetra en una zona de presión inferior p2, y la expansión continúa produciéndose fuera de la tobera mediante unos frentes de ondas estacionarias que parten de las aristas.

el frente de onda que parte de la arista aguda se confunde con la superficie de salida; la vena se extiende en bloque en la dirección que corresponde a la expansión pivotante alrededor de O y las pérdidas de energía son menores.
Esta disposición se emplea cuando la relación, p2/p0, no es muy inferior a la relación crítica; de esta
forma se acorta el canal suprimiendo la zona divergente, mejorándose el rendimiento sobre todo en régimenes anormales, Fig IX.8.b.

Influencia de la compresibilidad (I)

La influencia de la compresibilidad no empieza a manifestarse hasta ue se alcanzan, en diversos puntos del flujo, velocidades próximas a la del sonido cs.
Cuando la relación de expansión en los distribuidores aumenta, las velocidades crecen y se alcanza la velocidad del sonido en el punto M del extradós, Fig IX.7, en la proximidad de la sección más estrecha, en donde debido a la curvatura de los filetes de fluido, la depresión
es máxima.
Cuando la relación de expansión crece y se alcanza la velocidad del sonido en el punto a, a lo largo de una curva (ab), la recompresión se efectúa mediante una onda de choque oblicua C.

Determinación del ángulo β2 de salida del álabe

El valor del ángulo de salida medio interviene en el trazado de los triángulos de velocidades. Este ángulo difiere en general del ángulo del álabe b2, desviación

debida al hecho de que los filetes de fluido que están en medio del chorro de vapor están peor guiados que los situados en la proximidad de las paredes y, por tanto, menos desviados.

Para los pasos relativos que corresponden al mejor rendimiento y cuando la arista de salida está convenientemente afilada, se encuentra que el ángulo medio de salida difiere muy poco del ángulo cuyo seno sea igual a la relación entre la longitud de la garganta x y el paso t, en menos de 2°.

PERDIDAS EN LOS ALABES DE LA TURBINA (II)

La experiencia muestra que el valor óptimo del coeficiente de carga C así definido apenas varía, para cualquier tipo de álabes, por lo que se puede partir de C para determinar el paso relativo que corresponde a los ángulos a1, a2 ó b1, b2 dados.
Para los álabes móviles de la turbina de acción en la que (b1=b2) y suponiendo (w1=w2) el coeficientede carga C tiene por expresión:

resultados que pueden parecer curiosos, pues hacen corresponder a las desviaciones más fuertes los pasos relativos mayores; sin embargo hay que tener en cuenta que el esfuerzo sobre el álabe depende no sólo de la desviación d = 180º- ( b1 + b2 ) , sino también del caudal, que disminuye con el ángulo b.
En la turbina de acción, el coeficiente de reducción de velocidad del álabe y ó j, según se trate de un álabe móvil o fijo, disminuye cuando el ángulo de desviación aumenta. Para un mismo ángulo de desviación el rendimiento varía con el paso entre álabes.

PERDIDAS EN LOS ALABES DE LA TURBINA (I)

El paso relativo t, Fig IX.6, influye sobre las características del grill, o persiana de álabes; con un paso demasiado grande, el fluido está mal guiado, lo que puede dar lugar a desprendimientos de la vena fluida si la desviación es elevada; por el contrario, un paso demasiado pequeño aumenta la proporción de las superficies que rozan, lo que ocasiona un descenso del rendimiento.
El esfuerzo F que actúa sobre un álabe, en función de la circulación G, es de la forma:

El rendimiento de la cámara de combustión es:

a) Defectos de formación de la mezcla, debido a que los inyectores pueden dirigir las gotas de forma que se vean arrastradas a lo largo de las paredes del tubo de llama.
b) Enfriamiento local de la llama en puntos de entrada del aire secundario, impidiendo el normal desplazamiento del equilibrio químico hacia la formación del CO2.
La influencia del equilibrio químico es poco importante si no se da la situación anterior.

Las pérdidas por combustión incompleta B son:

La energía aportada por el combustible es:

con:

(1 + F) el número de kg de la mezcla combustible estequiométrica, 1 kg de aire y F kg de combustible; F es el dosado.
Pci la potencia calorífica del combustible a presión constante, que se define como la cantidad de calor desprendida de la combustión completa de 1 kg de combustible en condiciones normales de presión y temperatura, saliendo los gases residuales a la misma presión y temperatura

RENDIMIENTO DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (II)

Si se resta a ambos miembros de la ecuación anterior el valor,

RENDIMIENTO DE UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN (I)

El balance térmico en la cámara de combustión de una turbina de gas se puede poner en la forma:

i2 es la entalpía de entrada del aire en la cámara de combustión i2c es la entalpía de entrada del combustible en la cámara de combustión i3 es la entalpía de entrada de los productos de la combustión en la turbina Gaire, Gcomb y Ggases son el número de kg de aire, kg de combustible y kg de gases de la combustión.

Pérdidas térmicas (II)

En el proceso de aportar calor a un gas que circula por un conducto de sección constante en ausencia de rozamientos, como se desprende del estudio de la curva de Rayleigh del flujo compresible unidimensional, el estado final del proceso 3 se encuentra sobre la curva de Rayleigh que pasa por el estado inicial 2 del proceso, Fig IX.2. Esto es lo que sucede en una cámara de combustión en la que se tiene un flujo subsónico y por ello los puntos 2 y 3 se encuentran sobre la rama superior de la curva de Rayleigh.
Cuando se trata de un aporte de calor, tanto si el flujo es subsónico como supersónico, la presión disminuye.

En la Fig IX.4 se han representado estas pérdidas en función del grado de calentamiento para distintos valores del número de Mach a la entrada en la cámara de combustión. La línea de trazos representa el límite para el cual el nº de Mach a la salida alcanza un valor igual a la unidad.
La pérdida de presión total en la cámara de combustión de una turbina de gas industrial, puede llegar a ser del orden de un 2% de la presión de entrada, mientras que en la de una turbina de gas de aviación está entre el 4% y el 7%. Este valor llega a ser incluso superior a un 17% en las cámaras de postcombustión
de los turborreactores.

Pérdidas térmicas (I)

Son debidas al hecho de que siempre que se aporta energía térmica a un fluido que circula a través de un conducto, aunque no exista fricción, se produce un aumento de su volumen específico y una pérdida de presión.
Cuando se aporta calor a un gas que circula a velocidad constante por un conducto, sin fricción, éste tiene que ser divergente por la ecuación de continuidad, ya que al calentarse el gas su volumen específico aumenta, al tiempo que disminuye la presión.

Representación de la pérdida de carga durante la combustión, en el diagrama (T-s) (II)

Todo ello equivale a una disminución del rendimiento de la turbina, de forma que el nuevo rendimiento se puede poner en la forma:

Representación de la pérdida de carga durante la combustión, en el diagrama (T-s) (I)

En la transformación (2’ 3) la transmisión de calor va acompañada de una pérdida de presión Dp2, disminuyendo la energía Q1 transmitida al gas, que se corresponde con un incremento de entropía (sba = s33’); estas pérdidas de carga durante la combustión vienen representadas por el área (33'ab), igual al área (2’3’nm), Fig IX.1.

Las pérdidas térmicas en la cámara de combustión se recuperan parcialmente en la turbina por cuanto el trabajo de rozamiento de los gases se transforma en calor que aumenta su entalpía en la expansión, y el área del ciclo aumenta por pasar del punto 3 al 3'; estas pérdidas vienen dadas por el área (m2’3’n) ó el (33’ab).

Pérdidas hidráulicas

La velocidad del aire a la salida del compresor alcanza valores del orden de 175 m/seg; a fin de garantizar un proceso normal de combustión, la velocidad media del aire tiene que ser del orden de los 60 m/seg, por lo que para disminuir la velocidad del aire, se coloca un difusor al comienzo de la cámara de combustión.

Las pérdidas hidráulicas en la cámara de combustión son debidas fundamentalmente a:

a) Pérdidas en el difusor

b) Pérdidas en el torbellinador

c) Pérdidas en la mezcla de los chorros de aire secundario y terciario, con la corriente de aire primario.

Las pérdidas por rozamiento de la corriente con las paredes tienen poca importancia.

En general, cuanto más efectiva sea la mezcla, mayor será la pérdida de carga, por lo que es necesario llegar a una solución de compromiso entre la uniformidad de la distribución de temperaturas a la salida y unas pérdidas de carga reducidas. En las turbinas de gas de aviación, el conducto comprendido entre la salida de la cámara de combustión y la entrada en la turbina es muy corto, por lo que el compromiso que se alcanza es tal que la no uniformidad de la temperatura llega a ser de hasta un ±17% del valor medio. En turbinas de gas industriales la longitud de dicho conducto es mayor, pudiendo ser más uniforme la distribución de temperaturas, si bien a expensas de mayores pérdidas de carga.