1 Introducción y planteamiento del Proyecto

Introducción y planteamiento del proyecto
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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