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
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'.
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'.
