turbinas a gas - U

TURBINAS A GAS
1.
-
La serie G de turbinas a gas de Mitsubishi, se han desarrollado para mejorar “performance” y fiabilidad. Diga cuales
son los 6 conceptos en que se ha basado su desarrollo.
Se mantienen características de la serie F (aprobadas).
Avanzada tecnología de diseño aerodinámico, trasnferencia de calor y nuevos materiales.
Diseño convencional para TG industrial.
El aumento de la TIT no perjudica el NOx y T° en los metales estuvieran al mismo nivel que serie F.
Pruebas de verificación de confianza.
Aplicación del criterio de diseño Mitsubishi
2. Demuestre que el grado de difusión de un TC está relacionado con el aumento de entalpía del aire.
El grado de difusión es la relación de presiones a la salida y entrada del compresor. Puede ser local (por etapa) o global (entrada y
salida TC). La relación de presiones caracteriza al TC.
Grandes grados de difusión generan un incremento de la turbulencia y una baja
en el aumento de la presión (debido a la energía perdida por turbulencia).
3.
Demuestre que es más eficaz (defina este concepto) en el aumento del rendimiento térmico de una TG. Aumentar la T
firing o disminuir la T entrada compresor. Demuestre con un pequeño ejemplo. Que inconvenientes se deben
considerar.
T1 es función de T ambiente y no se tiene control sobre ella. Solo se puede controlar T3 = Tfiring = TIT (Turbine inlet temp).
Mientras mejoren los materiales se puede seguir aumentando TIT.
Veamos que resulta más eficaz:
Para aumentar el rendimiento se debe disminuir .
Aumentando T3 (TIT):
Disminuyendo T1:
Igualando ambas para comparar incrementos de temperatura para iguales efectos:
(
)
(
)
Poniéndole números a para ambos casos se llega a la conclusión que es más eficaz disminuir T1.
4. Defina Mach crítico. En qué sector del TC debe analizarse si es subsónico o no ¿Por qué?
Es un número de Mach (referido a la velocidad de la corriente) tal que si:
se crean ondas de choque en el difusor, la
corriente pasa de supersónica a subsónica con desprendimientos locales de capa límite, aumento de pérdidas (disipación viscosa)
y disminución del rendimiento. Basta con que se alcance en algún punto del perfil de los álabes. En general este valor está entre
0,65 – 0,85.
Debe ser medido en el primer rodete ya que después ↓ V y ↑p.
5.
Dibuje el diagrama de performance de un TC señalando zonas, líneas y parámetros relevantes.
6. Enumere y describa los tipos de CC de una turbina a gas.
Tubulares o individuales:
 Se disponen n° variable en su periferia (6-16)
 Situada alrededor del eje que une la turbina con el TC.
 Cada cámara consta de su propio inyector.
 Combustión al interior del tubo llama.
 Fácil inspección.
 Uso: turbinas a gas industriales o marinas (con TC centrífugos).
Anulares:
 Conducto anular único donde circula el aire y gases; sale del compresor y
entra en la turbina.
 Se encuentra también en el tubo de llamas
 Diseño complicado, implica difícil dosificación del aire primario y secundario.
 Ventaja: reduce área frontal; disminución fuerza de arrastre.
Tubo anulares:
 Tiene cubierta exterior anular que contiene varias paredes cilíndricas
perforadas.
 Cada una con un inyector de combustible.
7. Ventajas de un Brayton no regenerativo cerrado vs ciclo abierto.
Configuración abierta: el fluido de trabajo es aire y gases de escape se liberan al ambiente y se toma aire fresco para comprimir en
el compresor.
Configuración cerrada: El fluido de trabajo es distinto al que combustiona. El
fluido recibe calor en un intercambiador desde los gases de escape
provenientes de la combustión en un hogar externo, luego de expandirse en
la turbina se enfría en un segundo intercambiador.
Ventajas de un ciclo abierto: no requiere equipos como CC de superficie, IC.
Desventajas ciclo abierto: Los gases de combustión son parte del fluido de
trabajo  corrosión en los álabes. Psalida limitada por Patm  limita
potencia y eficiencia, se puede usar solo aire como fluido de trabajo y un
número de combustibles.
Ventajas Ciclo cerrado: Se puede usar una gran variedad de gases como fluido de trabajo y gran cantidad de combustibles en el
hogar.
8.



En el proceso de humidificación del aire.
¿Por qué se hace?
o Incrementar la potencia y la eficiencia.
¿Sobre qué instalaciones y que características poseen aquellas que han logrado mejor resultado?
o Sobre ciclos regenerativos.
¿De qué órdenes de magnitud son los % de humedad óptimos?
o 12% - 14%.
9. Comparación de TC radiales y axiales. Use esquemas y gráficos.
Compresor axial:
 ↑η, solo que en un rango pequeño de ̇ y a mayores flujos de aire que en
compresor radial. En general
.
 TC axial es más pequeño (liviano), se usa en turbinas de avión.
 Para una relación de presiones dada, un TC axial puede funcionar a mayor
velocidad angular que uno radial, para un mismo ̇ .
Compresor radial:
 Más estable, menor relación de presión → menos etapas → ↓ surging.
10. Esquema de la evolución de presión y energía cinética de TC axial de 3 etapas y sin pérdidas.
11. Cómo estimaría el rendimiento de etapa de un TC axial si solo conoce las condiciones de presión y T a la entrada y
salida (suponga conocido un factor que le interese en la estimación).
Se puede estimar conociendo el PH, Factor de precalentamiento (preheating factor).
Y como se conocen T y P podemos calcular:
(
)
12. Cuáles son las distintas operaciones que realiza una CC en una TG.
Etapa Operación
0
Vaporizar combustible, mezclarlo con aire y llevarlo a T° ignición.
1
Separar el aire primario, 2rio y 3rio.
Aire 1rio inicia combustión con 15 a 20% exceso aire.
Debe generar buena turbulencia
Swirl crea vórtices, evita tendencia al soplado de llamas.
2
Aire secundario completa combustión.
3
Aire refrigeración para temperatura adecuada a la entrada de turbina (y dilución)
4
Tiempo de residencia para combustión completa.
13.
-
Cuáles son las 6 exigencias que debe satisfacer una CC de una TG.
[
]
Rendimiento de combustión elevado
[
]
Pérdida de carga (presión) mínima
Peso y dimensiones reducidas
(aviación)
̇
̇
-
T° entrada turbina uniforme (20 – 30%)
Encendido rápido y seguro, funcionamiento estable (fundamentalmente en TG de avión).
Fácil montaje.
14. Qué es un “liner” y como se protege ante las rigurosas condiciones de trabajo.
Son los revestimientos que existen dentro de la CC, estos generalmente son cerámicos que permiten
15. Nombre y explique los distintos ciclos Brayton.
Ciclos de Brayton:
 No regenerativo

Regenerativo (calienta aire de compresor con gases de combustión).


Regenerativo expansión isotérmica y compresión isotérmica (interenfriador en compresor y CC secundaria en turbina).
Con Recalentamiento

Con intercooler

Con todo
16. Señale las diferencias existentes entre los diagramas reales y teórico (P-v, T-s, h-s) de un ciclo no regenerativo Brayton
de una turbina a gas. Haga esquema explicativo.
 A pesar de que la compresión real no es isentrópica, la presión final es la misma.
 La T° firing es la misma porque depende del combustible y de su combustión.
 Hay pérdidas de carga en la CC y en la turbina en ciclo real.
 Ciclo real tiene ↓η porque todos los procesos son irreversibles.
17. ¿Cuáles son las razones por las que se adiciona agua a la CC de una TG?
La razón es que para incrementar la potencia y eficiencia de la TG. Este proceso se llama “humidificación del aire”, consiste en
agregar agua líquida o gaseosa a la CC, de modo de aumentar el flujo másico a expandir, así como su calor específico. Con esto se
consigue un aumento de entropía sin necesidad de elevar la T° firing (TIT), aumentando la eficiencia (no se agregar más fuel) y la
potencia de la turbina.
18. Qué ventaja y que inconveniente tendría una turbina a gas a 10.000 m de altura ¿qué es y qué función cumple el
turbofan en turbinas a gas?
El turbofan es un ventilador que se introduce en el TC de las turbinas a gas de avión. Una porción del aire que entra a la máquina
es comprimida por el ventilador y se expande en una tobera anular; este aire – al que el ventilador ha inyectado un aumento de
momentum – actúa como aire secundario y produce una fuerza de propulsión mayor que un aire secundario no ventilado. La
tecnología turbofan ha significado un gran avance en propulsión eficiente de aviones. Ventaja a 10.000 m: tiene temperatura T1
pequeña y como
. A grandes altura hay poco oxigeno por lo que se generan mezclas ricas → se deben usar grandes
flujo de aire para tener combustiones eficientes.
19. ¿Por qué la línea de operación de un TC de TG de aviones comerciales puede situarse más cerca de la zona de surging
que una de un TC de turbina de avión militar?
En general, para ambos tipos de avión conviene operar cerca de la línea de surging, ya que en esta zona se consiguen altos η.
Ahora, el avión comercial tiene un régimen prácticamente invariante de carga pues va a velocidad crucero, de modo que mantiene
N constante y con ello ( )
. Un avión militar en cambio debe enfrentar escenarios que lo hagan variar su N y ( ),
exponiéndolo a sobrepasar la línea de surging en cualquier momento.
20. ¿Porqué las turbinas a gas tienen un rendimiento térmico tan bajo? ¿qué razones han conducido a que sean
consideradas la mejor alternativa de generación eléctrica en nuestro país?
Tienen un rendimiento bajo debido a que gran parte de la potencia generada por la TG es utilizada en alimentar el TC. El
rendimiento es:
̇
̇
El trabajo consumido por el compresor puede llegar a ser el 80% del trabajo producido por la turbina. Este desempeño se mide
con un parámetro llamado BWR (back work rate), que es la razón entre la potencia específica consumida en el TC y la producida en
la turbina.
Las razones que justifican su uso a pesar del bajo rendimiento como mecanismo aislado, es que pueden trabajar en cogeneración
en plantas de ciclo combinado, donde el calor de los gases de escape es usado para producir vapor en una caldera de
recuperación, vapor que luego se expande en una TV. Las centrales de ciclo combinado llegan a eficiencias del 55%. Además las TG
presentan versatilidad en el uso de combustibles.
21. Describa la evolución de la presión y la energía cinética en turbinas hidráulicas de impulsión y de reacción a partir del
nivel de aguas del tranque hasta el nivel aguas abajo.