1 Introducción y planteamiento del Proyecto 1.1 Introducción a las turbinas de gas de flujo axial Las turbinas de gas modernas no son más que un avance de lo que fue el primer modelo de reactor desarrollado por Frank Whittle y Hans Joachin Pabst Von Ohation, los cuales trabajaron de manera independiente a principios de la década 1930. Como en todo motor térmico, al expandir un fluido a alta presión y alta temperatura se obtiene un trabajo. Cuando dicho motor térmico es una turbina de gas el fluido que circula es un gas no condensable. A la turbina hay que añadirle los elementos necesarios para obtener la alta presión y la alta temperatura indicadas anteriormente. Así, el proceso que se lleva a cabo en un reactor puede resumirse como un flujo de aire que entra por un compresor, para aumentar la presión, pasa por una cámara de combustión, para aumentar la temperatura, y después por una turbina, donde finalmente el aire es impulsado hacia atrás para obtener la potencia en el reactor. Se trata de un motor térmico de combustión interna, por ello es una máquina mucho más compacta que si se tratara de un motor de combustión externa. Siendo ésta una de las principales ventajas de los motores de combustión interna respecto a los de combustión externa. Actualmente las turbinas de gas tienen un amplio rango de de aplicaciones entre las que destacan la propulsión aérea y la generación de energía eléctrica. La aplicación más común de estas máquinas es la propulsión de aviones a reacción, aprovechando así la compacidad del motor de combustión interna que tan necesaria es en aviación. De dichas máquinas de propulsión de aviones a reacción derivan las turbinas utilizadas en las centrales termoeléctricas para generación de energía eléctrica. Respecto a la aplicación en aviación, cabe destacar que el uso de las turbinas de gas se refiere a la propulsión de los aviones. Es decir, la energía obtenida en la turbina se usa para obtener el empuje necesario para propulsar el avión. El concepto básico del funcionamiento del motor de un avión está en la capacidad para producir un empuje que propulse el avión mediante el impulso de una gran masa de aire hacia detrás (Rolls-Royce plc, 1986a). Esto sucede porque la Página 9
maquina está diseñada para acelerar una corriente de aire a alta velocidad para generar el empuje para propulsar el avión. Figura 1.1.1. Mecanismo de propulsión de un reactor. La forma más económica de propulsar un avión de pasajeros es una turbina de gas ya que proporcionan el impulso necesario a baja velocidad. Se trata de trabajar al máximo rendimiento aunque sea necesario sacrificar el empuje obtenido. Sin embargo, en aviones de combate se busca el máximo empuje sacrificando así el rendimiento de la máquina. Un ejemplo reciente de turbinas de gas usadas en aviones de pasajeros es el motor Trent 800 desarrollado por Rolls-Royce, el cual se representa en la Figura 1.2 y se usa para propulsar el Boeing 777. Figura 1.2. Rolls-Royce Trent 800. La aplicación directa a la generación de energía eléctrica se realiza de multitud de maneras. De entre todas, hay que destacar la aplicación de la turbina de gas dentro de los ciclos combinados de gas y vapor, donde la turbina de gas hace de ciclo de cabeza, utilizándose la energía de los gases de escape para la generación de vapor en Página 10
una caldera de recuperación. La figura 1.3 muestra una configuración típica de este tipo de planta. Figura 1.3 Configuración típica de un ciclo combinado 1.2 Principio de funcionamiento Una turbina de gas es un motor térmico que desarrolla trabajo al expandir un gas. Se puede considerar un motor de combustión interna. Está compuesta por un compresor, una o varias cámaras de combustión y la turbina de gas propiamente dicha. Se trata de un ciclo abierto. Existe una entrada continua de aire fresco de la atmósfera, aportándose la energía por medio de la combustión de un combustible en Página 11
el seno de dicho aire. Los productos de esta combustión se expanden seguidamente en la turbina, siendo descargados a la atmósfera. El ciclo termodinámico del gas en estas turbinas corresponde al ciclo Brayton. De manera ideal, el ciclo Brayton consiste en una compresión isentrópica, combustión a presión constante y finaliza con una expansión isentrópica volviendo a la presión de partida. Figura 1.4. Ciclo de Brayton Ideal Más detalladamente, el ciclo de trabajo de una turbina de gas puede dividirse en cuatro fases: inducción, compresión, combustión y expansión. Cada una de ellas representada por una línea diferente en el diagrama (ver Figura 1.4): - Línea 4-1: representa la inducción, fase en la que el aire es conducido al interior de la turbina de gas. - Línea 1-2: representa la compresión, fase en la que se comprime el aire incrementando su presión. - Línea 2-3: representa la combustión, fase en la que se quema combustible en el seno del aire comprimido a presión constante para elevar la temperatura del fluido. - Línea 3-4: representa la expansión, fase en la que la mezcla caliente es expandida al pasar por la turbina, proporcionando el impulso y saliendo por la boquilla trasera. El ciclo descrito es ideal y se aleja bastante del real cuantitativa y cualitativamente. En la práctica, la fricción y las turbulencias, entre otros múltiples factores, dan lugar a: - Compresión no isentrópica: en el compresor se obtiene una temperatura más alta de la ideal. Aunque el proceso de compresión es adiabático. - Combustión con pérdida de presión. Además hay pérdida de rendimiento en la cámara de combustión debido a que la combustión no es completa, debido a Página 12
defectos en la formación de la mezcla y al equilibrio químico, y a que hay pérdidas de calor a través de las paredes de la cámara. - Expansión no isentrópica: aunque en la turbina la temperatura baja lo suficiente como para que el compresor no se dañe, la presión asociada es mayor, con lo cual la expansión disponible disminuye, disminuyendo así la cantidad de trabajo útil obtenido. Aunque el proceso de expansión, al igual que el de compresión, es adiabático. - La presión disminuye en la entrada de aire y en la cámara de combustión hay gases de combustión que también aumentan de temperatura: esto disminuye la cantidad de trabajo útil obtenido. Como en todos los motores térmicos, altas temperaturas de combustión dan lugar a una mayor eficiencia. El factor limitante en este sentido son los materiales de construcción de la máquina para que pudieran soportar las altas temperaturas y la presión. Es por eso que se trata de mantener las distintas partes de la turbina a no muy altas temperaturas, frecuentemente usando una parte del mismo aire fresco atmosférico que entra para refrigerar. Existen mecanismos para conseguir que la temperatura suba por encima del límite impuesto por el material. Entre ellos: recubrimiento cerámico en los álabes, refrigerar por aire, agujerear los álabes, etc. Existen diversas formas de mejorar el rendimiento de una instalación de turbina de gas. Algunas de ellas se basan en las mejoras en el diseño de la turbina, cámara de combustión y demás elementos auxiliares de la instalación. Otras, sin embargo, se refieren a aspectos termodinámicos del ciclo. 1.3 Configuraciones para la turbina de gas Como se ha dicho, los anteriores son sus elementos fundamentales, pero la disposición de dichos elementos determinará el tipo de montaje de la turbina de gas. Existe una gran variedad de montajes, los más interesantes son: Montaje en eje simple. Montaje en doble eje. Ciclo regenerativo. 1.3.1 Montaje en eje simple. Este es el tipo de montaje más sencillo. Consta de un compresor, una cámara de combustión y una turbina (ver figura 1.5). El compresor y la turbina están acoplados en el mismo eje, y por lo tanto giran solidariamente. El compresor es de tipo axial de Página 13
varios escalonamientos dependientes de la relación de compresión. La turbina también es de tipo axial, y con un número de escalonamientos inferior al del compresor. Esto es debido al diferente comportamiento de los flujos dentro de una turbina y de un compresor. En la turbina el gradiente negativo de presiones permite que la deflexión sea adecuada para cualquier relación de expansión. Esto no ocurre así con un gradiente positivo de presiones, donde aparecen problemas de desprendimiento. Figura 1.5. Ciclo simple de turbina de gas El proceso que tiene lugar dentro de la turbina de gas es por lo tanto sencillo: El aire que proviene del ambiente entra en el compresor, donde se comprime hasta los niveles de presión adecuados. El gasto másico y la relación de compresión será función de la aplicación y de la potencia solicitada. Una vez el aire comprimido sale del compresor, entra en la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible, para que se produzca la reacción de combustión. Dicha combustión se realizará a presión constante. Las únicas variaciones de presión serán debidas a las pérdidas de carga. Los gases que son productos de la combustión, se conducen hasta la turbina donde se expanden hasta una presión ligeramente superior a la del ambiente (de nuevo las pérdidas de carga). El nivel de temperatura de los gases en la admisión de la turbina será muy alto, y estará limitado por los materiales utilizados en los primeros escalonamientos. Página 14
Figura 1.5. Diagrama T-s El proceso descrito puede ser representado en un diagrama T-s (Figura 1.5), quedando de manifiesto las peculiaridades del ciclo. La simple observación del diagrama presentado pone de manifiesto que el ciclo no es cerrado, ya que los gases de escape no vuelven a entrar en la turbina. Esto es debido a que sería imposible realizar de manera continúa la combustión con el mismo aire, ya que se agotaría el oxígeno. Por lo tanto se puede decir que la turbina de gas de combustión interna describe un ciclo abierto. En la anterior figura se representa un ciclo de una turbina en eje simple ideal en el que no se han representado las pérdidas de carga que se mencionaron anteriormente, se ha hecho así para simplificar la representación. Como consideración final decir que este tipo de montaje suele ser utilizado para la generación de energía eléctrica sobre todo en plantas de potencia basadas en ciclos combinados de gas y vapor. 1.3.2 Montaje en doble eje. Como su propio nombre indica, este tipo de montaje está constituido por dos ejes que giran de manera independiente. Además utiliza dos turbinas, una de las cuales arrastra al compresor, que está unido al primer eje. La segunda turbina está acoplada con la carga mediante el segundo eje, siendo ésta la que realmente genera la potencia. La misión de la primera turbina no es otra que la generar la potencia que consume el compresor, lo que se consigue con un salto de presión inferior al que tiene que suministrar el compresor. El salto de presión restante es el que aprovecha la segunda turbina para generar el trabajo útil. En la figura 1.6 se presenta un esquema de este tipo de montajes: Página 15
Figura 1.6. Montaje en doble eje. Este tipo de montaje no es el más apropiado para la generación eléctrica, ya que un hipotético desequilibrio entre la carga y la segunda turbina podría producir un embalamiento en el eje de dicha turbina, quedándose fuera de las especificaciones para la frecuencia de generación, cosa que no ocurre en el montaje en eje simple debido a que la turbina también arrastra al compresor. Esto da al eje unido a la carga más inercia consiguiéndose así que las variaciones de velocidad sean menos importantes. Sin embargo este montaje se comporta mejor cuando su uso está sujeto a variaciones de carga y régimen de giro importantes, sin necesidades estrictas de mantener la velocidad de giro, ya que se puede regular el funcionamiento de ambas turbinas por separado, haciendo que las variaciones en las condiciones de funcionamiento del eje del generador no afecten tanto al conjunto turbina-compresor permitiendo mantener rendimientos aceptables del conjunto ante variaciones importantes en la carga. El ciclo termodinámico se representa en la figura 1.7: Figura 1.7. Ciclo termodinámico. Página 16
1.3.3 Ciclo regenerativo. La característica diferenciadora de este tipo de montaje es la incorporación de un intercambiador de calor. El objetivo de este tipo de ciclos es el aprovechamiento del calor de los gases de escape. Para ello se dispone el intercambiador para que los gases de escape precalienten el aire antes de entrar en la cámara de combustión. Con ello se consigue que se mejore el rendimiento del ciclo. El esquema básico de este tipo de montajes se muestra en la figura 1.8: Figura 1.8. Ciclo regenerativo. Como se puede intuir este no es el tipo de montaje más adecuado para plantas de ciclo combinado, ya que en este tipo de plantas lo que interesa es el aprovechamiento del calor de los gases de escape para la generación de vapor. El ciclo regenerativo tiene más aplicación en generación eléctrica de ciclo simple. El ciclo regenerativo tiene la ventaja fundamental frente a otro tipo de montajes de aumentar el rendimiento. Sin embargo, este aumento se consigue a costa de hacer más compleja la instalación. Por lo tanto, la implantación de este tipo de ciclo estará sujeta al pertinente estudio económico que justifique el encarecimiento que supone su utilización. Página 17
Figura 1.9. Ciclo termodinámico 1.4 Objetivo y planteamiento del proyecto. En el marco de los estudios de Ingeniería Industrial, se comienza con el estudio de las turbomáquinas térmicas en el cuarto curso con la asignatura de Máquinas y Motores Térmicos, asignatura obligatoria, y, aquellos alumnos que las eligen, continúan con Motores de combustión interna alternativos y Turbomáquinas Térmicas que son optativas. Para entender mejor el comportamiento y, a la vez, el aprendizaje del proceso del diseño de una turbomáquina se plantea la resolución de una serie de problemas concluyendo con un proyecto que suele estar basado en el prediseño de una turbomáquina. Este proyecto viene a complementar a los alumnos que estudian estas asignaturas y a ayudarles a visualizar con datos los conocimientos que han adquirido en las clases y ofrecerles un apoyo para la realización de su proyecto de curso. El modelo del prediseño que se ha realizado se basa en una turbina de gas de flujo axial, con escalonamientos de repetición, diámetro medio y velocidad axial constantes. El programa resultante se estructura en cuatro pasos de cálculo. En cada paso se avanza un poco más en el diseño de la máquina hasta llegar a una representación esquemática de un escalonamiento de la turbina resultante. Página 18
Durante este proceso se recorren los puntos habituales en el diseño de una turbina axial como son el cálculo de los triángulos de velocidad, ángulos del flujo y del álabe, estudio bidimensional, estudio tridimensional y representación gráfica del escalonamiento. Página 19