El Maquinante: PRL UNIDAD 9: TURBINAS A GAS

domingo, 28 de julio de 2019

PRL UNIDAD 9: TURBINAS A GAS

PRL UNIDAD 9: TURBINAS A GAS
Introducción. Principios de la propulsión a reacción. Ciclo de trabajo. Relación entre V y P. Componentes de una turbina a gas. Tipos de compresores. Alabes de rotor y estator, características. Cámaras de combustión. Tipos . Inyección de combustible. Turbinas. Alabes guía, disco de turbina y alabes de rotor. Hermanado turbina-compresor. Turbina de poder. Sistema de escape.

INTRODUCCIÓN A LOS TURBOMOTORES

Una vez que el avión se ha separado del suelo, la única forma razonable de obtener empuje es empujar aire o cualquier otra cosa hacia atrás y contar con la reacción para empujar el avión hacia delante ( Principio de Acción y Reacción de la Física - 3ª Ley de Newton ). Esto es, en efecto, lo que se hace, y para ahorrar complicaciones se suele usar el mismo sistema mientras el avión está todavía en tierra, aunque es preciso admitir que no es un sistema eficaz para este fin.

Acción y reacción aplicados a una aeronave.

El EMPUJE es la fuerza que se opone a la resistencia al avance y que hace que el avión se desplace.
En el vuelo horizontal el empuje debe ser igual a la resistencia al avance, para acelerar el avión ha de ser mayor que dicha resistencia y en la subida también debe ser mayor porque tendrá que soportar una porción del peso del avión.

El proveedor de empuje, de cualquier clase que sea, debe recibir energía. Esta generalmente proviene de la combustión de un combustible, que se suministra a alguna clase de " MOTOR " en donde su energía química se transforma en energía térmica, la cual, a su vez, se convierte en trabajo mecánico ya sea al impulsar el avión contra la resistencia al avance, o moviendo un eje como en el caso de los turboejes. Al ciclo de trabajo en el cual se basa esta transformación termodinámica en los turbomotores se lo conoce como "Ciclo Brayton"

CICLO BRAYTON
Enunciado
Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura.

2 Descripción del ciclo
El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:

Admisión: El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina

Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor movido por la turbina ejecutando una compresión adiabática A→B.

Cámara de combustión
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del combustible y puesto que la cámara está abierta, el aire puede expandirse a presión constante, por lo que se realiza como un proceso isobárico B→C.

Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría rápidamente, en lo que se llama una expansión adiabática C →D.

Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior. Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más aproximado que para los de ciclo abierto.

COMPONENTES DE UNA TURBINA A GAS

Todos los motores de este grupo tienen en común : EL COMPRESOR, LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN y LA TURBINA DE EXPANSIÓN, a todo este conjunto se le suele denominar GENERADOR DE GAS que es el productor de energía.

Están constituídos, en general, por los siguientes componentes :

COMPRESOR
Como hemos visto son los encargados de la compresión, existiendo dos tipos:

➤COMPRESORES CENTRÍFUGOS:

Compresor axial de un turborreactor.

Se llaman CENTRÍFUGOS porque la dirección principal que sigue el aire en su interior es en dirección radial .

Constan de :
* ROTOR : Componente móvil del compresor formado por una serie de álabes en sentido radial. El rotor está unido al mismo eje que el rotor de la turbina, de tal forma que recibe de esta la energía necesaria para su movimiento.

* ESTATOR : Es un conjunto fijo que recibe el aire procedente del rotor. El aire entra a gran velocidad en el estator donde disminuye , pues el estator tiene secciones de paso divergentes.
En el ensanchamiento de la sección de paso, y por el mismo principio que en un Venturi, el aire pierde velocidad y aumenta la presión.

➤COMPRESORES AXIALES:

Compresor axial de un turborreactor.

Estos compresores se llaman así porque la dirección principal que sigue el aire en su interior es en dirección axial, paralela al eje geométrico del compresor.

Consta de:
* ROTOR : Funciona igual que en los centrífugos.
* ESTATOR : Conjunto fijo constituido por dos semicarcazas cilíndricas donde se sitúan los álabes fijos .

Álabes

Un álabe es una paleta curva de un turbomotor. Loa álabes rotóricos forman parte del rotor y, en caso de los álabes estatóricos, forman parte de las carcazas, de los vanos guías, y de las toberas. Los álabes desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía cinética y energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien convierten cantidad de movimiento del fluido en momento de fuerza en la turbina.

Todos lo turbomotores poseen dos tipos de álabes:
* Rotóricos: son los instalados en los conjuntos rotantes como compresor y turbinas.
* Estatóricos: son los instalados en las carcazas y son los complementos de los rotóricos para cumplir su función.

Corte y vista del interior de un álabe de una turbina.

En el caso de las máquinas generadoras, esto es, bombas y compresores, los álabes rotóricos transforman la energía mecánica del eje en entalpía. En las bombas y compresores con difusor, los álabes del estator recuperan energía cinética del fluido que sale del rotor para aumentar la presión en la brida de impulsión. En las bombas, debido al encarecimiento de la máquina que ello conlleva, se dispone de difusor únicamente cuando obtener un alto rendimiento es muy importante, por ejemplo en máquinas de mucha potencia que funcionan muchas horas al año.

Álabes de un compresor axial.

En las máquinas motoras, ya sean turbinas hidráulicas o térmicas, la rueda transforma parte de la entalpía del fluido en energía mecánica en el eje. Los álabes estatóricos o vanos del distribuidor conducen la corriente fluida a la rueda con una velocidad adecuada en módulo y dirección, transforman parte de la energía de presión en energía cinética y, en aquellos casos en que los álabes son orientables, también permiten regular el caudal.

Los turborreactores constan de dos zonas según su temperatura de trabajo: la zona fría desde la entrada del aire de admisión hasta las cámaras de combustión, y la zona caliente desde las cámaras de combustión hasta el conducto de descarga de gases.

Paquetes de vanos formados por álabes estatóricos .


Álabes rotóricos.

Álabes estatóricos del compresor.

En la zona caliente de la turbina, los vanos guías, las llamadas "cajas de toberas" que guían los gases provenientes de las cámaras de combustión hacia las turbinas de alta y baja presión, están formadas por álabes individuales especiales y con refrigeración interna para soportar las altas temperaturas de los gases que pasan a través de ellos.

💡Todos los álabes de la zona caliente están construídos con aleaciones y de forma distintas que los álabes y vanos de la zona fría.

Álabe estatórico de entrada de gases a una de las turbinas del motor.

Particularidades de un álabe de zona caliente:
* Diseño que debe soportar gran estrés térmico.
* Refrigeración de los álabes: el calor es transferido desde la
superficie del álabe al aire refrigerante que pasa por la superficie interna a través de orificios adecuados.
* Materiales: Aleaciones en base a Níquel, con pequeños contenidos de cromo para mejorar su resistencia a la corrosión.
* Se utilizan álabes monocristalinos para evitar problemas de bordes de granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep, fatiga, stress, etc.

Evolución en el diseño de refrigeración de vanos guías.

CÁMARAS DE COMBUSTIÓN
Es donde se produce la combustión de la mezcla aire y combustible. El aire procede del compresor y por tanto llega a la entrada de la cámara a alta presión. El combustible se inyecta en la zona interior de la cámara y procede del sistema de alimentación de combustible del motor.
En otras palabras, el objetivo de la cámara de combustión es contener la mezcla de aire – combustible
y extraer el máximo poder calorífico con una presión constante.
Durante la compresión el aire: compresor ➔ cámara de combustión; durante la compresión (aumento P), la Tª llega hasta los 600ºC, cuando entra a la CC (inyección de combustible) y con la chispa, se puede llegar hasta los 2000ºC. Al salir el aire se refrigera hasta los 1000 – 1500ºC para no dañar los álabes de la turbina (Máx. Tª turbinas desde 700°C hasta 1700°c según diseño).
➔Mezcla estequiométrica (15/1); aire-combustible.

AIRE PRIMARIO: aprox. El 20% del aire total y se utiliza en la combustión, mezclado con combustible y quemado. Propósito➔combustión
AIRE SECUNDARIO: (20%) El aire va por fuera de la CC y entra por unos agujeros que entran en la cámara, al mezclarse con el aire primario crea unos torbellinos que al mezclarse el combustible con el aire hacen que la combustión sea mejor.
Propósito ➔ formación de vórtices (mejorar combustión)
AIRE TERCIARIO: (60%) La parte del secundario que no entra por los agujeros, se mezcla con el aire que sale a 2000ºC para enfriarlo hasta 1000 – 1500ºC.
Propósito ➔ refrigeración

💡Existen distintos tipos de orificios por donde entra el aire.
➤Secondary Air Holes: alrededor de toda la cámara, por donde entra el aire
secundario.
➤Dilution air holes: por donde entra el aire terciario para enfriar.

Distribución típica del aire de descarga del compresor de alta presión dentroo de la cámara de combustión..

Existen diferentes tipos de cámaras de combustión la TUBULAR, ANULAR y TUBO-ANULAR.

👉Cámara de combustión tubular: el aire procedente del compresor se divide en una serie de corrientes separados, cada una de las cuales alimenta a una cámara de combustión. Estas cámaras se encuentran espaciadas alrededor del eje del que une el compresor y la turbina y esta alimentado por su propio chorro de combustible que procede de una línea de alimentación común.

👉Cámara de combustión anular:En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente e instalado alrededor del eje formando un único tubo de llama que es alimentado de combustible generalmente por entre 15 y 20 inyectores o quemadores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión, aunque la distribución de temperaturas y la mezcla aire/combustible es menos uniforme que en cámaras tubo-anulares.Este diseño se utiliza por lo general en turbinas aeroderivadas.

👉Cámara de combustión tubo anular: Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje en forma uniforme y conectados entre si, conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector.
Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. La pieza que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina, es una parte delicada de la instalación.

TURBINA

La turbina es un mecanismo giratorio que extrae la energía del aire incidente procedente de la combustión. Este aire procedente de la combustión pierde energía en la misma cantidad que la turbina entrega en forma de energía de rotación.
La Turbina tiene la tarea de suministrar poder para accionar el compresor y accesorios.
En el caso de motores que no utilizan la reacción para la propulsión, tiene el propósito de transmitir potencia a un eje, a través de una turbina de poder.

INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE
👉SISTEMA DE COMBUSTIBLE
El sistema de combustible consiste de componentes que filtran y monitorizan el flujo de combustible y que lo proporcionan a los inyectores en función de la posición de la palanca de demanda de potencia.

👉COMPONENTES
Los componentes de dicho sistema son: (ver esquema)

Diagrama básico de un sistema de combustible típico de una turbina de gas.

➤ Booster pumps: transfieren el combustible desde los tanques hasta la válvula de paso de combustible. (Válvula de Baja Presión). Proporciona combustible a la bomba de alta presión (HP).
➤Fuel shut off valve: ( Corte EGA) sirven para cortar el suministro de combustible en los siguientes casos:
o Para quitar los componentes (en revisiones).
o En caso de incendio en motor (cuando se acciona el extintor se cierra automáticamente esta válvula).
o En caso de emergencia para parar el motor.
➤Refrigerador (cooler): Es un refrigerador de aceite, que cumple la doble función de refrigerar el aceite y calentar el combustible. Es conocido como fuel cooled oil cooler (FCOC).
➤Filtro: su función es proteger los componentes delicados de la bomba de HP y del sistema de control de combustible (Fuel Control Unit – FCU) de polvo y suciedad.
➤Fluxómetro: mide la cantidad de flujo de combustible (en Kg/h o Gal/h) y también incluye un dispositivo que mide la cantidad de combustible consumida desde la puesta en marcha (totalizador).
➤Presión y temperatura del combustible: la temperatura se mide a la salida del calentador y la presión a la salida del filtro.
➤Bomba de alta presión (HP pump): accionada por la caja de engranajes de alta presión (HP) del motor. Se dedica a incrementar la presión del combustible cuando lo requiere el motor.
➤Unidad de control de aceleración o potencia
Para controlar los incrementos rápido y conseguir una aceleración óptima, regulando apropiadamente el flujo de combustible evitando el fenómeno de surge (pérdida). Para evitar esto se instala una unidad de control de aceleración en el FCU.
Esta unidad recibe información de:

Presión de entrada del motor (engine intake pressure)
Presión a la salida del compresor (compressor delivery pressure)

➤Limitador de EGT (Temperatura de Entrada de Gases a la Turbina)
Existe un sistema que monitoriza las EGT en todo momento (termocuplas en la parte trasera de la turbina) y que se combina con un sistema limitador de esta temperatura, que evita que se sobrepasen un ciertovalor máximo. Esto permite al operador seleccionar máxima potencia sin riesgo a fundir elementos internos de la turbina.
➤Limitador de Potencia
La habilidad del compresor de soportar las presiones internas depende de los materiales que lo componen. Si se sobrepasan las presiones máximas de operación, se puede llegar a romper.
Para prevenir esto, el FCU tiene un sistema limitador de potencia. Este sistema se nutre de información proveniente de sensores de presión de entrada (intake pressure) y sensores de presión a la salida del compresor (compressor delivery pressure). La resultante de estas señales es procesada por este sistema y regula la cantidad de flujo de combustible, para así no exceder los límites de presión.
➤Limitador de RPM
También se debe limitar la velocidad rotacional de los conjuntos rotantes, para evitar fuerzas centrífugas excesivas que rompieran el eje. Existen dos métodos para limitar las RPM:
1. Un tacómetro-generador o un sensor de velocidad electrónico que es conducido por el propio eje del motor. Envía señales proporcionales a la velocidad del eje, y cuando se alcanza un valor predeterminado se ajusta el flujo de combustible.
2. Mediante un governor hidráulico-mecánico ubicado en la bomba de HP. Este governor está accionado por el compresor de alta (HP). Utiliza presión hidráulica como elemento regulador del flujo de combustible. El valor de salida es también proporcional a las RPM del motor.
➤HP fuel cock: (Válvula de corte de Alta Presión).Corta el suministro de combustible entre el FCU y los inyectores. Se puede controlar mecánicamente o bien eléctricamente mediante un actuador. Mayoritariamente se controla de forma eléctrica.
➤Válvulas de presurización y drenado: se utiliza en sistemas de combustible del tipo dúplex. A partir de un valor determinado de presión la válvula de presurización (pressurising valve) se abre y permite el paso del combustible a través del conducto principal (main manifold).
La válvula de drenado (dump valve) permite que una vez se ha parado el motor el combustible residual sea drenado hacia el depósito de drenaje, evitándose así que hierva el combustible debido al calor residual.
➤Depósito de drenajes (drain tank): es aquí donde va a parar el combustible residual después de parar el motor. Mientras el motor esté en funcionamiento, una válvula de no retorno evita que fluya combustible hacia este depósito.

➤Quemadores
El combustible líquido para que libere su energía, debe vaporizarse de manera que se mezclará con el aire para formar una mezcla combustible.
Existen dos tipos de inyectores usados para descargar el combustible: los ampliamente usados inyectores de atomización y los menos usados inyectores de vaporización.

💡Solamente trataremos los inyectores de atomización.

Los dos tipos de inyectores de atomización son los simplex y los dúplex.
El inyector simplex fue uno de los primeros inyectores con éxito. Este inyector se rosca directamente en el colector de combustible dentro de la cámara de combustión, y el combustible a presión procedente de la unidad de control de combustible fuerza a la válvula antirretorno del inyector fuera de su asiento y entra en el inyector.

Este combustible luego pasa a través de una serie de surcos tangenciales, o ranuras, y sale pulverizado a través del único orificio de descarga en pequeñas gotas muy finas formando una pulverización como un cono.

Cono de pulverización del combustible dentro de la cámara de combutión.

Tan pronto como el motor se para y la presión del combustible cae por debajo del valor al cual la válvula antirretorno del inyector está ajustada, esta cierra y corta todo flujo hacia el orificio de descarga. Esto evita que el combustible gotee y continúe ardiendo.

Cabezal de un quemador duplex de una turbina Tyne "A"

De los inyectores duplex existen dos tipos: inyectores de un solo colector e inyectores de doble colector.
A los inyectores duplex de un solo colector les llega el combustible desde la unidad de control de combustible a través de una sola línea o colector.

Estos inyectores incorporan una válvula divisora de flujo que permite al combustible pulverizar desde un orificio central en un espectro amplio de pulverización para el arranque y ralentí. Cuando la unidad de control de combustible calibra suficiente presión para abrir el divisor de flujo, el combustible fluye al orificio secundario.

Los inyectores de combustible duplex de doble colector tienen pasos independientes a través de los cuales fluyen los combustibles primario y secundario. Para el arranque y condiciones de bajo flujo, solo el combustible primario llega desde la válvula de presurización, y se pulveriza desde el orificio central primario en una pulverización ancha.

💡El funcionamiento detallado de algunos componentes de este sistema de estudiará en PRL UNIDAD 10: SISTEMA DE COMBUSTIBLE DE TURBINAS A GAS