CT Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor TRejo. 4. Aspectos Generales de las Máquinas. 2

Transcripción

1 TURBOMÁQUINAS TÉRMICAS CT-3412 Prof. Nathaly Moreno Salas Ing. Victor TRejo 4. Aspectos Generales de las Máquinas. 2

2 Turbinas a gas Turbina a gas Pratt and Whitney Ft78 derivada de la turbina de avión comercial JT8D

3 Turbinas a gas: Definición El término turbina a gas se refiere al conjunto compresorcámara de combustiónturbina Esquema de una turbina a vapor Funcionan en un ciclo abierto. Se toma aire y se comprime aire, se aumenta su nivel energético mediante quema de combustible, se expande en la turbina y se libera nuevamente. El compresor consume parte de la potencia producida en la turbina; la restante es la potencia útil

4 Turbinas a gas: Características Son compactas (producen una gran cantidad de energía para su tamaño y peso) Variedad de combustibles utilizables: gas natural, diesel, gasolina, metano, fueloil vaporizado, biogás Son recientes: implementadas con éxito en 1938, desarrollo acelerado a partir de 1970 Microturbina a gas Fuente: Gas turbine Engineering handbook Boyce M. Esquema de generación con biomasa Puesta en marcha de la primera turbina a gas (1939)

5 Desarrollo de las turbinas a gas Fueron concebidas en 1791 (patente de John Barber) y puestas en marcha exitosamente en 1939 Primeros intentos fallaron por no producir potencia útil Problemas en el desarrollo: Bajas eficiencias de compresor y turbina (álabes poco eficientes) Pérdidas significativas en sellos y rodamientos Operación posible sólo a bajas temperaturas (gran cantidad de aire para refrigeración necesaria) Rolls Royce Trent 600, primera turbina de la serie Trent (aviación, Airbus, Whittle W-1 (1941) Boeing) Fuentes: Gas turbine Engineering handbook Boyce M. (página del MIT Gas Turbine Laboratory)

6 Parámetros de influencia Los parámetros más importantes en la eficiencia, diseño y desarrollo de las turbinas a gas son: La temperatura máxima de entrada a la turbina (T3) El límite lo establece la resistencia del material de los álabes. Para aumentarlo se trabaja en el desarrollo de materiales y en el enfriamiento de los álabes La relación de compresión (Π) Para una temperatura T3 dada se obtienen mayor potencia para relaciones de compresión más altas La eficiencia de los componentes Determina cuánta potencia útil se produce Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

7 Enfriamiento de álabes (1/2) El gas caliente puede salir de la cámara de combustión con una temperatura cercana a 2000 C. La temperatura de fundición de los álabes está alrededor de los 1350 C. Para poder trabajar a estas altas temperaturas se necesita tomar aire frío (600 C) después del compresor y usarlo para enfriar los álabes

8 Enfriamiento de álabes (2/2) Los mecanismos existentes para refrigeración de álabes son:

9 Potencia útil en una turbina a gas Sea r e la relación entre la potencia útil y la potencia producida por la turbina: P& útil re = P& P turbina Los compresores de las turbinas a gas demandan una cantidad de energía importante: Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

10 Turbina a gas: ámbito de aplicación Las turbinas a gas tienen dos principales aplicaciones: Propulsión de aviones Aplicaciones Industriales

11 Aplicaciones: Propulsión de aviones Las turbinas a gas han desplazado casi por completo a los motores reciprocantes en la propulsión de aviones gracias a su alta relación potencia/peso. El ciclo es modificado para que la turbina genere apenas un poco más de lo que necesita el compresor. Luego los gases calientes son expandidos hasta presión atmosférica en una tobera para producir empuje con un chorro de alta velocidad Fuente: Gas turbine theory Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.

12 Aplicaciones: Aplicaciones industriales Las turbinas en aplicaciones industriales tienen 3 grandes diferencias con las empleadas en propulsión: Vida útil esperada mucho mayor (> horas) Limitaciones de tamaño y peso menos restrictivas La energía cinética a la salida no puede ser aprovechada Estos factores implican diferencias importantes en el diseño, pero la teoría fundamental aplica a ambos tipos. Turbina industrial gas de 400 MW Fuente: Gas turbine theory Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.

13 Aplicaciones: Turbinas a gas aeroderivadas Una turbina a gas aeroderivada es una turbina originalmente diseñada para propulsión de aviones y adaptada para uso industrial: Al generador de gases (conjunto compresor-cámara de combusión-turbina) se le agrega una turbina de potencia para aprovechar la energía originalmente usada para impulso, Fuentes: Marks standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A. Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

14 Aplicaciones: Microturbinas a gas Son turbinas a gas con capacidades menores a 500kW Sus aplicaciones más comunes son la generación distribuida y sistemas de emergencia (Auxiliary Power Unit APU). y suelen ser económicamente atractivas sólo cuando se puede usar el calor generado (cogeneración) Tienen bajas eficiencias (en general, a mayor capacidad, mayor eficiencia) Unidad de cogeneración para la quema de biogás en microturbinas a gas. Provee electricidad y calor Fuente: Marks standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A.

15 Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

16 Límites de temperatura y presión En la tabla se muestran los niveles de presión y temperatura máximos para microturbinas, turbinas industriales y turbinas de propulsión. Como meta próxima en el desarrollo de las turbinas industriales se tiene el aumento de T3 a alrededor de 1250 C, lo que permitiría elevar la eficiencia a alrededor de 40% Tipo Micro Industria Propulsión Presión (bar) Máxima temperatura T3 ( C) Temperatura de salida T4 ( C) Sistemas de refrigeración de álabes por convección forzada Eficiencia [%] (con regeneración) Potencia kW 5-260MW 5-50MW Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart