Turbinas y compresores de gas

Gil García, Gregorio

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El presente libro trata sobre las turbinas de gas y los turbocompresores. Son estos dos elementos fundamentales para el desarrollo de un país o comunidad y ningún país podrá llamarse de primera fila si no atiende adecuadamente a estas materias tanto en su vertiente de fabricación como en la de mantenimiento. Además de contener las bases teóricas que permiten el dominio sobre turbinas de gas el libro trata también a las tecnologías y materiales utilizados a lo largo del tiempo hasta llegar a los más modernos. No se olvidan las técnicas operativas y de mantenimiento que distinguen la correcta conservación de estos aparatos a lo largo de su vida útil ni la importancia de los quemadores y los combustibles, así como su efecto sobre la contaminación atmosférica. Gregorio Gil García (gregilgar@yahoo.com)es Ingeniero Industrial por la Escuela de Ingenieros Industriales de San Sebastián (Univ. de Navarra y Doctor en Ingeniería Industrial por la Universidad Politécnica de Madrid). Posee una amplia experiencia en el campo de la construcción, en especial, en el campo nuclear así como en el mundo de la organización e informatización de empresas y sociedades, calidad industrial incluida la Calidad Total y energía. Imparte máster en diversas Universidades y Organizaciones sobre estas materias. En estos momentos ejerce también como consultor. Es autor también de los libros 'La energía en cifras' y 'Energías del siglo XXI'.

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Índice

Capítulo 1. Introducción a las turbinas de gas 11 1.1 Ciclo de las turbinas de gas en el modo de ciclo combinado o de cogeneración ....12 1.2 Rendimiento de la turbina de gas ....................................................................................14 1.3 Consideraciones de diseño de las turbinas de gas ......................................................15 1.4 Tipos de turbinas de gas ...................................................................................................20 1.4.1 Turbinas de gas pesadas .....................................................................................20 1.4.2 Turbinas de gas aeroderivadas ...........................................................................21 1.4.3 Turbinas de gas tipo industrial ..........................................................................23 1.4.4 Pequeñas turbinas de gas ...................................................................................25 1.4.5 Microturbinas ....................................................................................................26 1.5 Compresores ..................................................................................................................28 1.5.1 Compresores axiales ...........................................................................................30 1.5.2 Compresores centrífugos ....................................................................................30 1.6 Regeneradores ...............................................................................................................32 1.7 Quemadores ...................................................................................................................32 1.7.1 Típicas disposiciones de quemadores ..................................................................35 1.8 Tipos de combustible ....................................................................................................38 1.9 Efectos medioambientales ...........................................................................................40 1.10 Turbina con sección de expansión ............................................................................41 1.10.1 Turbinas de fl ujo de entrada axial ....................................................................41 1.10.2 Turbina de fl ujo mixto ......................................................................................41 1.10.3 Turbina de fl ujo axial .......................................................................................42 1.11 Materiales .....................................................................................................................43 1.12 Capas .............................................................................................................................45 1.13 Turbinas de gas con recuperación de calor .............................................................45 1.14 Quemado suplementario de los sistemas de reuperación de calor .....................48 1.15 Instrumentación y controles ......................................................................................49 Capítulo 2. Análisis de ciclos teóricos y reales 51 2.1 El ciclo Brayton ..............................................................................................................51 2.2 Efecto de regeneración .................................................................................................54 2.3 Efectos de interenfriamiento y el recalentamiento ...................................................56 2.3.1 Análisis del ciclo real ..........................................................................................58 2.3.2 El ciclo real .........................................................................................................59 2.4 El ciclo sencillo de eje partido .....................................................................................61 2.4.1 El ciclo regenerativo ...........................................................................................62 2.4.2 Ciclo sencillo interenfriado ................................................................................63 2.4.3 El ciclo de recalentamiento .................................................................................64 2.4.4 El ciclo de recalentamiento regenerativo con interenfriador ..............................65 2.5 El ciclo de inyección de vapor .....................................................................................65 2.6 El ciclo regenerativo y evaporativo ............................................................................68 2.7 El ciclo Brayton-Rankine ..............................................................................................70 2.7.1 Análisis de suma de ciclo....................................................................................72 2.8 Visión general de las plantas de ciclo combinado ....................................................73 2.8.1 Ciclo de almacenamiento de la energía del aire comprimido ..............................79 2.9 Aumento de potencia ....................................................................................................80 Capítulo 3. Rendimiento en compresores y turbinas 93 3.1 Aerotermodinámica de las turbomáquinas ...............................................................93 3.1.1 Gas ideal .............................................................................................................94 3.2 Ecuaciones aerotermas .................................................................................................97 3.2.1 Ecuación de continuidad ....................................................................................97 3.2.2 La ecuación del momento ...................................................................................97 3.2.3 La ecuación de la energía ....................................................................................99 3.3 Efi ciencias .....................................................................................................................100 3.3.1 Efi ciencia adiabática .........................................................................................100 3.4 Análisis dimensional ..................................................................................................103 3.5 Características de rendimiento de un compresor ...................................................107 3.6 Características de rendimiento de una turbina ......................................................108 3.6.1 Cálculo del rendimiento de una turbina de gas ...............................................109 Capítulo 4. El método CFD 115 4.1 Introducción .................................................................................................................115 4.2 Elementos del sistema de diseño ..............................................................................116 4.2.1 Representación paramétrica .............................................................................116 4.2.2 Construcción de la geometría ...........................................................................117 4.2.3 Generación de mallas .......................................................................................117 4.2.4 La solución CFD ..............................................................................................118 4.2.5 Extracción de los datos y evaluación funcional ................................................119 4.2.6 Optimización ....................................................................................................119 4.2.7 CFD adjunto ....................................................................................................120 4.3 Diseño de aplicaciones ...............................................................................................120 4.3.1 Optimización de los vanos guía del conducto de by-pass ................................121 4.3.2 Optimización del by-pass OGV usando el adjunto CFD .................................122 4.3.3 Optimización de una etapa de un compresor ...................................................124 4.3.4 Minimización de la respuesta forzada de la turbina usando transitorio lineal CFD .........................................................................126 4.3.5 Diseño de ventiladores con bajo nivel de ruido ................................................128 4.4 Conclusiones ................................................................................................................130 Capítulo 5. Rendimiento y normas 131 5.1 Variables principales para una aplicación de turbinas de gas ..............................131 5.2 Normas de rendimiento .............................................................................................136 5.3 Parámetros mecánicos ................................................................................................138 5.4 Aplicación de las normas mecánicas a las turbinas de gas ...................................141 Capítulo 6. Compresores centrífugos 155 6.1 Componentes de un compresor centrífugo .............................................................156 6.1.1 Vanos guía a la entrada del inductor ................................................................161 6.1.2 Impulsor ...........................................................................................................163 6.1.3 Inductor ............................................................................................................166 6.1.4 Sección centrífuga de un impulsor ...................................................................166 6.1.5 Causas del deslizamiento en el impulsor ..........................................................168 6.1.6 Factor de deslizamiento de Stodola ..................................................................170 6.1.7 Factor de deslizamiento Stanitz .......................................................................171 6.1.8 Difusores ..........................................................................................................172 6.1.9 Voluta o colector (scroll) ..................................................................................174 6.2 Rendimiento del compresor centrífugo ...................................................................175 6.2.1 Pérdidas en el rotor ..........................................................................................176 6.2.2 Pérdidas en el estator .......................................................................................179 6.3 Surge del compresor (bombeo) .................................................................................180 6.4 Compresores centrífugos en industrias de proceso ...............................................187 Capítulo 7. Compresores axiales 193 7.1 Introducción .................................................................................................................193 7.2 Nomenclatura álabe y cascada ..................................................................................196 7.3 Teoría elemental de los álabes ...................................................................................197 7.4 Álabes con fl ujo laminar ............................................................................................199 7.5 Ensayos de cascada .....................................................................................................200 7.6 Triángulos de velocidades .........................................................................................202 7.7 Grado de reacción .......................................................................................................204 7.8 Equilibrio radial ..........................................................................................................207 7.9 Regla de incidencia .....................................................................................................208 7.10 Regla de desviación ..................................................................................................210 7.11 Características de funcionamiento de un compresor ..........................................213 7.12 El choke del compresor ............................................................................................217 7.13 Análisis del stall de un compresor centrífugo ......................................................222 Capítulo 8. Turbinas radiales 225 8.1 Descripción ..................................................................................................................226 8.2 Teoría.............................................................................................................................228 8.3 Consideraciones de diseño ........................................................................................232 8.4 Pérdidas en una turbina de entrada radial ..............................................................234 8.5 Rendimientos en una turbina de entrada radial .....................................................234 Capítulo 9. Turbinas axiales 237 9.1 Geometría de la turbina .............................................................................................237 9.2 Turbina de impulso .....................................................................................................243 9.3 La turbina de reacción ................................................................................................245 9.4 Conceptos de refrigeración de los álabes de las turbinas......................................248 9.5 Diseño de la refrigeración de los álabes de la turbina ...........................................250 9.6 Aerodinámica de las turbinas refrigeradas .............................................................256 9.7 Pérdidas en la turbina ................................................................................................257 Capítulo 10. Cámaras de combustión 261 10.1 Términos usados en la combustión ........................................................................263 10.2 Combustión ................................................................................................................263 10.3 Diseño de la cámara de combustión .......................................................................265 10.4 Problemas de contaminación del aire ....................................................................277 10.5 Combustión catalítica ...............................................................................................285 Capítulo 11. Materiales 289 11.1 Materiales de las turbinas de gas ............................................................................297 11.2 Álabes del compresor ...............................................................................................301 11.3 Forjados y ensayos no destructivos ........................................................................301 11.4 Capas ...........................................................................................................................303 Capítulo 12. Combustibles 309 12.1 Especifi caciones de combustible .............................................................................312 12.2 Propiedades del combustible ..................................................................................315 12.3 Tratamiento del combustible ...................................................................................318 12.4 Combustibles pesados ..............................................................................................323 12.5 Economía del combustible .......................................................................................327 12.6 Experiencia de funcionamiento ..............................................................................328 12.7 Tipos de sistemas de trazado de calor ...................................................................330 12.8 Almacenamiento de líquidos ...................................................................................332 Capítulo 13. Rodamientos y sellos 335 13.1 Rodamientos ..............................................................................................................335 13.2 Principios de diseño de los apoyos ........................................................................342 13.3 Cojinetes inclinados ..................................................................................................346 13.4 Materiales de apoyo ..................................................................................................348 13.5 Inestabilidades en los apoyos y en el eje ...............................................................349 13.6 Apoyos de empuje ....................................................................................................350 13.7 Factores que afectan al diseño de apoyos con empuje ........................................351 13.8 Sellos ...........................................................................................................................353 13.9 Sellados sin contacto o de holgura .........................................................................354 13.9.1 Sellados de laberinto .......................................................................................354 13.9.2 Sellantes de anillo (Bushing) .........................................................................357 13.10 Sellantes mecánicos (Cara).....................................................................................359 13.11 Selección y aplicación del sellante mecánico ......................................................363 13.12 Sistemas de sellado .................................................................................................366 13.13 Sistemas de aceite asociados ..................................................................................367 13.14 Sellantes de gas seco ...............................................................................................368 Capítulo 14. Engranajes 373 14.1 Tipos de engranajes ..................................................................................................374 14.2 Factores que afectan al diseño del engranaje ........................................................375 14.3 Procesos de fabricación ............................................................................................381 14.4 Instalación y funcionamiento inicial ......................................................................383 Capítulo 15. Lubricación 387 15.1 Sistema de aceite básico ...........................................................................................387 15.2 Muestreo y pruebas en el aceite .............................................................................394 15.3 Contaminación del aceite .........................................................................................394 15.4 Selección del fi ltro .....................................................................................................395 15.5 Limpieza y aclarado ..................................................................................................397 15.6 Acoplamiento de la lubricación ..............................................................................398 15.7 Programa de gestión de la lubricación ...................................................................399 Capítulo 16. Análisis espectral 401 16.1 Medición de la vibración ..........................................................................................405 16.2 Datos en cinta ............................................................................................................408 16.3 Interpretación de los espectros de vibración.........................................................409 16.4 Análisis vibratorio subsíncrono usando RTA .......................................................413 16.5 Espectro síncrono y armónico .................................................................................415 Capítulo 17. Equilibrado 421 17.1 Equilibrado del rotor ................................................................................................421 17.2 Aplicación de las técnicas de equilibrado ..............................................................430 17.3 Guía de usuario para el equilibrado multiplano ..................................................433 Capítulo 18. Acoplamiento y alineaciones 435 18.1 Acoplamientos de engranajes ..................................................................................437 18.2 Acoplamientos de diafragmas metálicos ...............................................................443 18.3 Acoplamientos de disco metálico ...........................................................................445 18.4 Uprates en turbomaquinaria ...................................................................................447 18.5 Alineación de ejes ......................................................................................................450 Capítulo 19. Control e instrumentación 457 19.1 Sistemas de control e instrumentación ..................................................................458 19.2 Software de supervisión ...........................................................................................469 19.3 Costes del ciclo de vida ............................................................................................475 19.4 Medición de la temperatura ....................................................................................481 19.5 Medición de la presión .............................................................................................483 19.6 Medición de la vibración ..........................................................................................483 19.7 Supervisión del sistema auxiliar .............................................................................486 19.8 La turbina de gas .......................................................................................................490 19.9 Diagnósticos de fallo.................................................................................................494 19.10 Diagnósticos de los problemas mecánicos ..........................................................499 19.11 Resumen ...................................................................................................................501 Capítulo 20. Pruebas de rendimiento 503 20.1 Introducción ...............................................................................................................503 20.2 Códigos de rendimiento ...........................................................................................504 20.3 Enderezadores de fl ujo .............................................................................................505 20.4 Pruebas en la turbina de gas ....................................................................................510 20.5 Turbina de gas ...........................................................................................................511 20.6 Curvas de rendimiento .............................................................................................514 20.7 Cálculos de rendimiento ..........................................................................................515 20.8 Cálculo del rendimiento de la turbina de gas .......................................................518 20.9 Pérdidas en la planta ................................................................................................525 Capítulo 21. Técnicas de mantenimiento 527 21.1 Filosofía del mantenimiento ....................................................................................527 21.2 Entrenamiento de personal ......................................................................................534 21.2.1 Tipo de personal .............................................................................................534 21.2.2 Tipos de entrenamiento ..................................................................................535 21.3 Herramientas y equipo de obra ..............................................................................538 21.4 Limpieza de la turbomaquinaria ............................................................................548 21.5 Mantenimiento de la sección-caliente ....................................................................550 21.6 Mantenimiento del compresor ................................................................................552 21.7 Mantenimiento de los apoyos .................................................................................553 21.8 Mantenimiento del acoplamiento ...........................................................................557 21.9 Rejuvenecimiento de álabes usados en las turbinas ............................................557 21.10 Reparación y rehabilitación de los fundamentos de la turbomaquinaria ..........559 21.11 Procedimiento de arranque con gran maquinaria .................................................561 21.12 Problemas típicos encontrados en las turbinas de gas ..........................................562 Anexo A. Dinámica del rotor 569 A.1 Análisis matemático...................................................................................................569 A.2 Aplicación a las maquinarias rotativas ...................................................................580 A.3 Cálculo de las velocidades críticas en los sistemas rotor rodamiento ................582 A.4 Sistemas y analogías electromecánicas ...................................................................585 A.5 Diagrama Campbell ...................................................................................................595

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