Lectura 1: Anlisis sistemtico del efecto de humidificacin de aire en sistemas de turbinas a gas

La generacin de potencia en ciclo combinado ha contribucin a la rpida mejora de generacin de energa

eficiente y econmica mediante el incremento de la temperatura de combustin de combustin en turbinas a gas.

La humidificacin de aire produce un aumento de la potencia a la salida y la eficiencia trmica. La humidificacin

principalmente es para incrementar la masa de fluido y el calor especifico en el fluido de trabajo de la turbina.

Cheng ciclo adaptado para inyectar vapor en el combustor, producido por un recuperador de calor. HAT (Humid AIR

Turbine) y AHAT (Advance HAT) son ciclos adaptados

regenerativos en los cuales el aire comprimido es humedecido

por el saturado y luego precalentado por el recuperador.

Las mejores eficiencias Performance se produce en el los ciclos

regenerativos despus en los con recuperador de calor y por

ltimo la turbina simple.

Humidificacin de aire.

Humedeciendo el aire, la potencia de salida aumenta en

todos los sistemas y la eficiencia termal aumenta en los

sistemas que usan calor de gases de combustin para la

humidificacin.

La entropa es ampliada al inyectar el vapor calentado

por los gases de escape, lo que consecuentemente

aumenta la eficiencia trmica. La temperatura de gas de

escape es alta y el calor puede ser recogido por el

recuperador, disminuyendo el consumo de combustible.

Efecto de cantidad de humedad.

Al aumentar la cantidad de humedad, se tiene un

mximo entre 12 a 14 %, despus de esto la cantidad de

humedad afecta a eficiencia, esto se debe a que la

cantidad de calor para calentar el agua aumenta en el

economizar, luego la cantidad de calor regenerado

disminuye en el recuperador.

Mejores eficiencias estn entre 12 y 14% de humedad

Conclusiones

La potencia de salida es incrementada. La humidificacin

es ms efectiva en ciclos regenerativos.

El calor de gases de combustin pueden ser recuperados lo suficiente para la humificacin y la potencia del

compresor es disminuida.

La humidificacin influye ligeramente en el ciclo, pero no influye seriamente en la eficiencia de generacin.

Cada sistema tiene un punto ptimo, los sistemas de baja relacin de presiones tiene una menor regin de

cantidad de humedad y los sistemas de relacin de presiones altas tiene una mayor regin de cantidad de

humedad.

Lectura 2: G series Mitsubishi

El desarrollo de la tecnologa G, se bas en lo siguiente:

Se mantuvieron las caractersticas de la serie F (T firing =1400C)

Mejoras tecnolgicas en: Diseo aerodinmico, transferencia de calor y nuevos materiales.

Aplicacin del criterio de diseo Mitsubishi

Mejoras en los sistemas de refrigeracin del combustor, los alabes de la turbina y cambios en el diseo del

compresor.

T firing aumento, con requisito de las emisiones de NOx y T de los metales tuvieran el mismo nivel que la series F.

Realizacin de test para asegurar la fiabilidad.

Caractersticas de Diseo

1. Estructura global

Compresor es axial de 17 etapas, la turbina es axial y posee 4 etapas. La carcasa esta subdividida horizontalmente

para una mantencin ms fcil. Los estatores del compresor y la turbina son independientes entre si. La

refrigeracin es a travs del aire del compresor, el aire de descarga enfra la primera etapa de la turbina y el aire de

las etapas intermedias del compresor enfra las otras etapas.

2. Compresor

Flujo y eficiencias ms elevadas que en el compresor de las series F, por lo tanto un numero de Match ms grande.

El compresor posee Arcos circulares mltiples aerodinmicos (MCA) en las primeras 4 etapas mviles y difusores de

control aerodinmico (CDA) en el resto de las etapas mviles y en todas las estacionarias.

3. Cmara de combustin seca de bajos NOx refrigerada con vapor

Cmara de combustin anular, con una operacin de menor de 25 ppm de NOx. Para mantener la IRI 1500|C, la

etapa de transicin de la Cmara de combustin es refrigerada con vapor, para mantener el aire frio que regula la

emisin de NOx.

4. TIT y altas temperaturas en la turbina

Es esencial mantener la T del metal en los rangos permitidos por el metal con el menor uso del aire de

refrigeracin. Se us una tecnologa de recubrimiento total de Film Refrigerante (FCFC), de una recubierta de

Barrera Termal (TBC) , adems de una evolucin en la resistencia trmica de los materiales y una solidificacin

direccionada (DS) en la fundicin.

5. Materiales

La alta resistencia trmica requerida para la Alta T, implica una evolucin en los materiales utilizados y en los

recubrimientos que actan como barrera trmicas.

Para alabes mviles, aleacin MGA-1400, que es una Super aleacin a base de nquel, que tambin puede ser

usada en la fundicin direccionada (DS) y fundicin convencional (CC) .

Para alabes fijos, aleacin MGA-2400, superaleacin a base nquel, con una alta resistencia a la fatiga trmica,

oxidacin, corrosin y esfuerzo de creep. Adems posee una muy buena soldabilidad.

Compresor CC Turbina

Aerodinmica avanzada:

Aumento Flujo de aire (mach ms alta)

Eficiencia ms alta

Muro refrigerado con vapor

Inyectores con pre-mezcla de combustible y vlvula de aire by pass.

Avanzado recubrimiento total de film refrigerante (FCFC)

Material de fundicin direccionada (DS)

Aerodinmica 3D completa

Lectura 3: A paletada limpia

En una dcada los rendimientos de las turbinas de accin han mejorado del 37 al 58 %, esto implica mayor ahorro

de combustible y menos contaminacin (se espera en el futuro (2000) un 60% de rendimiento). Los alabes de T. a

gas modernas soportan t cercanas a 1200 C, gracias a un recubrimiento cermico y un circuito de refrigeracin.

En las T. a gas la fuerza proviene de la combustin del gas natural o fuel-oil, que se inyecta a travs de quemadores

en una cmara de aire comprimido. Para resistir las exigencias de presin y temperatura, las palas (labes) ya

mecanizadas y calibradas reciben tratamientos especiales con sopletes.

Con ayuda de un sistema de diseo asistido por computador, se consigue neutralizar turbulencias secundarias que

aparecen tras los alabes, construyndolos de una forma especial tal que se aumenta el rendimiento de la turbina

en un 2%.

Las turbinas a gas funcionan quemando combustible mezclndolo con aire comprimido, la compresin se realiza en

un juego de anillos de labes accionado por otro juego que es impulsado por los gases calientes de la combustin.

(Por esto las T. a gas son menos eficientes que las de vapor)

En las centrales elctricas se utilizan Turbinas a Gas para cumplir demandas puntuales de potencia elctrica.

Las temperaturas de los gases de escape de la T.G son de 550 C, este calor se puede aprovechar para producir

vapor y mover una Turbina a vapor, lo que provoca un aumento del rendimiento.

Motores de avin ms limpios:

Lo motores de avin tambin son turbinas a gas, y su rendimiento a aumentado en los ltimos aos y en

consecuencia ha aumentado su limpieza:

El motor Pratt & Whitney PW 4084 de 115.000 [CV] con el que vuela el Boeing 777 tiene un rendimiento del 93%, y

los ltimos modelos de avin (Airbus 340, Boeing 747-400), gastan solo 4 lts de combustible por pasajero cada 100

Kms, modelos de hace 30 aos como el boeing 727, necesitaban un 50% ms.

A mediados de los 50` ya se alcanzaban rendimientos del 18%, en los 80` 37%, usando carbn fuel-oil y gas natural,

hoy el rendimiento llega al 58%, se ha llegado a producir 1000 MW donde la central promedio produce entre 300 a

700 MW

A velocidades supersnicas:

Con estas caractersticas se pueden tener 7500 labes, dispuestos en 75 anillos consecutivos, las primeras coronas

reciben vapor a 540C y 240 atm. Con labes de 6 a 7 cm, las ltimas llegan a 115 cm, y las puntas pueden girar a

velocidad supersnica de 2000 Km/hrs

Lectura 4:

Bases- Soportes

o Base

Estructura de acero con una serie de vigas y placas de acero soldados.

Incluye gorrones de levantamiento y soportes, 2 en cada lado de la base alineados con los 2

travezaos del marco de la base.

o Soportes

La turbina tiene soportes de pata rgida en el extremo del compresor y flexibles con pivotes

superiores e inferiores en el extremo de la turbina

En patas posteriores existe una camisa de agua Q, que circula por la superficie interior para

refrigerar y evitar la dilatacin.

Los soportes mantienen las posiciones axiales, verticales y laterales de la turbina.

Compresor, compuesto por rotor ( ruedas con alabes) y carcaza ( alabes gua de entrada, del estator y gua salida)

o Rotor

Consta de un conjunto de ruedas montadas con los alabes del rotor

Las ruedas tienen ranuras en su periferia para montar los alabes y separadores.

o Carcaza ( divididas en forma horizontal)

Carcaza de admisin: dirige el aire con uniformidad al TC, los alabes gua, se posicional al final de

esta carcaza. La posicin de estos influye en el volumen del flujo de aire.

Carcaza compresor: contiene las fase 0 -> 12 del TC. Posee puertos de extraccin para sacar el aire

de enfriamiento

Carcaza de carga: es la pieza ms larga, se localiza en la mitad, entre los soportes traseros y

delanteros, contiene las ltimas fases del TC y forma las paredes internas y externas del TC. Une la

carcasa del TC y la turbina

Alabes

Tienen un perfil aerodinmico para comprimir el aire con eficiencia.

Los alabes giratorios proporcionan la fuerza para comprimir, mientras que los alabes fijos dirigidos

el flujo para que ingrese en la siguiente fase en direccin adecuada.

Los alabes estn sujetos con una raz de cola de milano.

Sistema de combustin

18 cmaras tubulares a contraflujo.

Estn distribuidas en la periferia de la carcasa de descarga.

Turbina : energa del gas presurizado a alta T se convierte en Energa mecnica

o Rotor: Ejes de rueda trasera y delantera

Ensambles de rueda de la 1 hasta 3 etapa.

Separadores de rueda: determinan posicin axial de ruedas

Alabes : se ensamblan en las ruedas con cola de milano en forma de abeto, son alabes de vstago

largo

o Enfriamiento. El rotor es enfriado con aire del compresor, para asegurar condiciones ptimas de operacin,

este aire frio circula entre las ruedas y el estator entre hierros

Los alabes de la 1 y 2 etapa se enfran con aire del compresor, los alabes de la 3 etapa se cubre con

bloque trmico.

o Estator

Carcaza: mantiene las posiciones axiales y radiales de los bloques trmicos y toberas. ( forma)

Toberas, dirigen a alta velocidad los fases de combustin contra la turbina.

Bloques trmicos: son segmentos en curva anulares, proporcionan superficie cilndrica para evitar

fugas por los espacios libres de la punta de los alabes. Forman una resistencia trmica entre los

gases y la carcaza

Lubricacin cojinete con aceite a presin proveniente del depsito.

Lectura 6: informe final sobre causas daos en turbina a gas LM 2500

Metodologa

Se recopilaron informes sobre el siniestro

Se reuni informacin adicional del fabricante

Se busc informacin sobre el fenmeno de surge

Se determin la susceptibilidad de la turbina al surge

Fenmeno de surge

Causas conocidas

Fenmeno ocurre principalmente en turbocompresores axiales

En base al funcionamiento inestable del sistema turbocompresor-cmara de combustin

Es ms probable el fenmeno al acelerar el compresor o bien a altas razones de presin ( a plena carga)

Ms probable en turbinas a gas donde el sistema de descarga esta dinmicamente acoplado al sistema de

compresin.

Los alabes del compresor intensifican el fenmeno (labes que giran a velocidades perifricas cercanas a la

velocidad del sonido amplifican la sobrepresin por un factor 2,5 a 3)

Ms que un surge fue un deep surge o descompresin explosiva

Descripcin del fenmeno

Se trata de la inversin del flujo (reflujo de gases y llama en milisegundos) que resulta en una fuerte onda de choque que se propaga a velocidades supersnicas hacia la entrada del compresor.

La susceptibilidad al surge de un turbo compresor se puede describir va el parmetro adimensional B. Si es mayor que 0,7 hay mayor tendencia a este fenmeno. Mientras B es mayor ms violento es el fenmeno.

B=u/2A(Vp/Lc Ac)^0.5 U=vel. Media rotor compresor A= vel del sonido local

Vp= volumen del plenum de la CC Lc = largo del compresor Ac = rea media de paso del aire en el compresor

Para la turbina se estim el valor de B = 0.92

Fuerza de impacto del surge = 19.2 Ton

Fuerza sobre el rotor = 19.2/2= 9.6 Ton

Onda de choque con numero Mach =1,5

Daos se concentran principalmente en etapas 9 a 16 del compresor.

Daos se concentran en borde de fuga de alabes (torsin de los alabes) CONCLUSIONES

El grado de violencia del surge depende de las condiciones de diseo y de operacin

Vara desde una simple inestabilidad y oscilacin de flujo hasta una inversin de flujo acompaada de una onda de choque destructiva.

El fenmeno es de corta duracin (ms) y gran intensidad (Ton)

Cuando adquiere el carcter destructivo de la mquina se denomina deep surge

Dada toda la evidencia y clculos se afirma con absoluta certeza que la destruccin de la turbina se debi a una descompresin explosiva (deep surge)

Secuencia de eventos para el deep surge o Mquina comenz a operar a plena potencia o Se origina stall o prdida de sustentacin en labes primeras etapas del compresor debido a que entr

algn cuerpo extrao, estrangulamiento de flujo u over fuelling. o Lo anterior desencadena surge violento

Lectura 8 Usando el modelo Greitzer de parmetros discretizados, la mayora del comportamiento en surging (clsico o profundo) puede ser estimado. Sin embargo, este modelo es demasiado simple, ya que en general, el recorrido del flujo en el rotor es ms largo para compresores de alta presin que para los de baja presin y los compresores modernos de alta presin tiene un fuerte gradiente axial de presiones. Este paper apunta a sugerir un modelo multielemento, en donde el modelo Greitzer es aplicado a cada uno y a explicar relaciones entre el comportamiento de surging y la constante de tiempo de campo de flujo comparando los resultados del modelo Greitzer y los de experimentos en turbinas a aeronuticas con compresores de relativamente alta presin. Experimento

La turbina utilizada es un motor turbo-eje desarrollado para la planta de poder de helicpteros. El compresor consiste en uno axial de 7 etapas y uno centrfugo de slo una. La extraccin de aire (air bleeding) del compresor axial es usada para estabilizar la operacin a bajas velocidades (n