plantas propulsoras a turbinas de gas

8/16/2019 Plantas Propulsoras a Turbinas de Gas

http://slidepdf.com/reader/full/plantas-propulsoras-a-turbinas-de-gas 1/149

1

Plantas Propulsoras Navales Propulsión a Turbinas de GasComponentes Sala de Máquinas TG

El Material que contiene el presente Archivo, es decirculación interna en la Materia “Plantas PropulsorasNavales”, en la cursada 2016 y fue compilado porLuis R de Pascuale, en base a su experienciaprofesional.-

Centro de Estudios Mar del PlataUniversidad Tecnológica Nacional



2

Turbina de Gas

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primeraTurbina de Gas. Incorporaba una turbina de varias etapas ycompresión en varias etapas con flujo axial probó susmodelos funcionales en los años 1900.

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en losEstados Unidos para una Turbina de Gas. Esta fue otorgadapero generó mucha controversia.

La Compañía General Electric comenzó su división de

Turbinas de Gas en 1903. Un Ingeniero llamado StanfordMoss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo másnotable fue el Turbo Supercargador ó Turbocargador o bienTurbocompresor.




3

Turbina de Gas

El Turbocompresor utilizaba los Gases de Escape de unmotor alternativo para mover una Rueda de Turbina que, a suvez, movía un compresor centrífugo utilizado parasobrecargar. Este elemento hizo posible construir las

primeras Turbinas de Gas confiables.En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaronTurbinas de Gas para la propulsión de aviones. Losalemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a

chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.




4

Turbina de GasEl nombre mas adecuado para este tipo de Propulsor deberíaser “Motor de Combustión Interna”, pero para evitarconfusiones los norteamericanos popularizaron el término,“Turbinas a Gas” (Gas Turbine), guardando tal denominaciónpara los Motores Diesel o Nafteros. En Propulsión Naval por

medio de una Turbina a Gas, no es otra cosa que la adopciónde un “Motor Jet” acoplado un eje naval que a través de unaCaja Reductora acciona una Hélice.

En el Reino Unido se comenzó a trabajar en este tipo de Propulsores en

la segunda mitad de la década de 1940 y construyeron la primeraembarcación del mundo con este tipo de propulsión en el año 1953, elHMS Grey Goose. En la década siguiente ya se proyectaron Navíos deGran Porte, exclusivamente, propulsados por Turbinas a Gas.




5

Turbina de GasUna Turbina de Gas simple está compuesta de tressecciones principales: un Compresor, una Cámara deCombustión y una Turbina de Potencia. Las Turbinas de Gasoperan en base en el principio del ciclo Brayton, en dondeaire comprimido es mezclado con combustible y quemado

bajo condiciones de presión constante.

Al gas caliente producido por la combustión se le permite suexpansión a través de la Turbina y la hace girar para llevar a

cabo trabajo. En una Turbina de Gas con una eficiencia del33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usacomprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generarelectricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.




6

Turbina de Gas Elemental

Las turbinas a gas son máquinas térmicas rotativas decombustión interna a flujo continuo

Combustible

Compresor

Aire

C. Combustión

Turbina Carga

Exhaustación




Turbina de Gas

7

1. Un compresor de flujo axial2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante)3. La turbina a gas4. Sistemas auxiliares para su operación:

a) Sistemas de lubricaciónb) Sistema de alimentación de combustiblec) Sistema de regulación de velocidadd) Sistema de puesta en marcha y paradae) Sistemas de protección de máquinaf) Sistema de acoplamiento hidráulicog) Sistema de virado (virador)

5. Motor de lanzamiento o puesta en Marcha (motor Diésel, oMotor Eléctrico, Motor Neumático o Motor Hidráulico)




Ventajas de la Turbina a Gas

8

a) Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño.b) Bajo costo de instalación.

c) Rápida puesta en servicio.d) Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son losmovimientos roto alternativos de los motores de combustión interna).e) Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamenteperfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos.

f) Menos piezas en movimiento (comparado con los motores decombustión interna). Lo que arroja mayor vida útil.g) Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas enmovimiento.h) Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente.




Ventajas de la Turbina a Gas

9

i) Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a másbaja presiones) j) El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constanteen la cámara de combustión (diferente a los motores de combustióninterna)k) Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión yturbina propiamente dicha

l) No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de uncondensador)m) Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene,gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases decombustión no corroan los álabes o se depositen en ellos

n) El par motor es uniforme y continuo




Desventajas de la Turbina a Gas

10

Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de

combustible) debido a:

1. Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la altatemperatura de salida de los gases de escape por chimenea,

entre 495ºC a 560 ºC2. Gran parte de la potencia generada por la turbina esdemandada por el compresor axial, en el orden de las ¾partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina




Clasificación de las Turbinas a Gas

11

Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en:

1. Turbinas a gas de acción2. Turbinas a gas de reacción

En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases decombustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/losestadios móviles y fijos de la misma.

De esta manera se produce una transformación de energía de presión aenergía de velocidad (energía cinética) en los gases.

La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos,

permanece constante.

En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gasesde combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadiosmóviles y fijos que componen la misma.




Clasificación de las Turbinas a Gas

12

La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va

disminuyendo.

También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadiosmóviles, en cuyo caso pueden ser:1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil)2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)

Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número deejes de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como:1. Turbinas a gas de un solo eje2. Turbinas a gas de dos ejes




Compresor de Aire

13

Combustible

Compresor

Aire

C. Combustión

Turbina Carga

Exhaustación




Compresor de Aire

14

Los compresores utilizados en las turbinas a gas son del tipo giratorio,

pudiendo ser:a) Compresores centrífugosb) Compresores axiales

En lo sucesivo nos referiremos en especial a compresores axiales. Enel compresor axial, como su nombre lo indica, el flujo de aire es axial,

o sea paralelo al eje del mismo.

El rotor del compresor axial está formado por varias ruedas móvilesdonde los alabes están montados en discos, tal como se observa en elesquema de la diapositiva siguiente.

Las ruedas están ensambladas entre si mediante tornillos guíasaxiales que permiten el apriete correspondiente, formando de estamanera el rotor del compresor axial.




Compresor de Aire

15Centro de Estudios Mar del PlataUniversidad Tecnológica Nacional



Compresor de Aire

16

Entre cada estadio móvil del rotor se ubica un estadio fijo del estator, osea que en la dirección del eje del compresor se suceden

alternativamente un estadio fijo y un estadio móvil, conformando deesta manera el conjunto compresor axial, como se observa en lasiguiente Figura




Compresor de Aire

17

La compresión del aire se produce al pasar éste a través de un estadiofijo y uno móvil, por lo tanto el compresor está formado por un grannúmero de escalonamientos de compresión.

Como en el caso de las turbinas a gas, o a vapor, los compresoresaxiales pueden ser:a) Compresores axiales de acción

b) Compresores axiales de reacción

La relación de compresión está dada por el cociente entre la presiónde salida del aire del compresor y la presión a su entrada:




Sistema de Combustión

18

Combustible

Compresor

Aire

C. Combustión

Turbina Carga

Exhaustación





19

El sistema de combustión provisto en las turbinas a gas pueden ser de

dos tipos:a) Turbinas a gas monocámarab) Turbinas a gas multicámaras

Las turbinas con diseño monocámaras, como es el caso del fabricante

Asea-Brown Boveri (ABB), la cámara se ubica en posiciónperpendicular al eje de la máquina.

En el caso de las turbinas multicámaras, diseño General Electric (GE),las cámaras se ubican en forma concéntricas (paralelas) al eje de la

máquina Las cámaras de combustión de las turbinas a gas han sidoobjetos de permanentes desarrollos a fin de lograr una eficientecombustión y por otro lado asegurar bajas emisiones contaminantes,especialmente en contenidos de óxidos de nitrógeno (NO y NO2)





20

En la cámara de combustión se produce la oxidación del combustibledesarrollándose muy altas temperaturas, por arriba de los 3.000 ºF.

Entre las funciones esenciales que debe obtenerse en la cámara decombustión podemos mencionar:a) Estabilizar la llama dentro de una corriente de gases que seencuentran a alta velocidad, de manera que ésta se mantenga estable.

b) Asegurar una corriente de gases continua hacia la turbinac) Mantener una temperatura constante de los gases de combustiónque ingresan a la misma.d) Lograr la máxima eficiencia de combustión, es decir producir lamenor cantidad de inquemados: CO; CH y MP (material particulado u

hollín)e) La caída de presión dentro de la cámara debe ser la menor posiblea fin de minimizar las caídas de presión entre el compresor axial y laturbina.





21

El sistema de combustión está formado por: Bujías de encendido Tubos pasa llama, y Detectores de llama

Normalmente se instalan dos bujías y dos detectores de llama.

En el caso de turbinas a gas multi cámaras el encendido se produceen una de las cámaras de combustión creando un aumento de presióndentro de ella, forzando a los gases calientes que se producen a pasara través de los tubos pasa llama al resto de las cámaras, propagandode esta manera la ignición en todas ellas en un tiempo no mayor a 2segundos.

Los detectores de llama, ubicados diametralmente opuestos a lasbujías, constituyen el sistema de detección de llama, emitiendo unaseñal de control cuando el proceso de ignicción ha sido completado.





22

La Figura de la siguiente diapositiva, indica un esquema de una

cámara de combustión diseño del fabricante General Electric (GE),donde se observa:a) el ingreso del aire para la combustión,b) el aire para refrigeración del material con que está construido el

tubo de llamas, normalmente de acero inoxidable y

c) el aire de dilución que al incorporarse a la corriente de gasescalientes de la combustión reducen su temperatura al valor para elcual han sido seleccionados los materiales del primer estadio detoberas fijas.




Cámara de CombustiónDiseño del Fabricante General Electric (GE)

23Centro de Estudios Mar del PlataUniversidad Tecnológica Nacional




24

La presente Figura muestra el diseño de una cámara de combustión delfabricante Asea-Brown Boveri (ABB) donde se observa el mismo

principio de funcionamiento que en el diseño anterior.




Sistema de Refrigeracion

25

El rendimiento térmico y la potencia de la Turbina a Gas están

fuertemente influenciados por:a) La relación de compresión yb) La temperatura de los gases de combustión al ingreso a la turbina.

Dado que los aceros super refractarios empiezan a fundir a

aproximadamente a los 2.200 ºF, las partes calientes de la máquinadeben ser refrigeradas, usando para tal propósito gran parte del airedel compresor axial.

El aire extraído del compresor es utilizado para refrigerar, entre otros

componentes calientes, los estadios de toberas fijas y las ruedas dealabes móviles.





26

La Figura de la diapositivasiguiente ilustra el primer estadiofijo de toberas de una turbinamarca General Electric (GE).

Esta pieza es expuesta aelevadas temperaturas cuandolos gases calientes pasan através de ella, aproximadamente

1.200 ºC


S f




27

El interior de los alabes que forman el

primer estadio fijo de toberas esrefrigerado por aire proveniente delcompresor axial, tal como se observa enla Figura que se aprecia en la diapositiva.Los álabes son huecos y el aire ingresa alinterior de los mismos produciendo la

refrigeración del material. Luego el airesale por los orificios ubicados en el bordede salida de los álabes y se integra a lacorriente de gases. La temperatura deingreso de los gases al primer estadio fijoes del orden de los 1.200 ºC,

constituyendo esta temperatura latemperatura de la fuente caliente a la cualse refería SADI CARNOT, llamadatambién temperatura del fluido motor.




28

Transparencia Turbina de Gas

Compresor

Cámara deCombustión

Turbina




29

Principio de Funcionamiento de laTurbina a Gas de un Eje

El principio de funcionamiento de la turbina a gas de un soloeje, lo vamos a estudiar sobre el esquema siguiente:

Combustible

Compresor

Aire

C. Combustión

Turbina Carga

Exhaustación




30


1. El aire ingresa al Compresor Axial en el punto (1) a lascondiciones ambientes, previo a haber pasado por un Filtrocon el fin de retener las partículas de polvo u otras partículascontenidas en el Aire Ambiente.

Dado que los parámetros ambientales varían durante el día eincluso varían también en función de la ubicación geográfica,es conveniente considerar condiciones standard.

Las condiciones standard utilizadas en la industria son lascondiciones ISO que establecen una temperatura de 15 ºC yuna presión de 1 kg/cm2.




31


En el Compresor Axial el aire es comprimido hasta la presiónde combustión, o máxima presión del ciclo, sin aporte de calordel medio y como consecuencia de ello la temperatura del airese incrementa debido a la compresión del mismo.

El caudal másico de aire aspirado es siempre mayor alnecesario para producir la oxidación del combustible en laCámara de Combustión.

Este exceso, del orden de 6 a 7 veces es debido a:

a) La necesidad de lograr una adecuada refrigeración de laspartes calientes de la máquina (cámara de combustión,conductos de transición, estadios de toberas fijas, ruedas dealabes móviles y conductos de escape).




32


b) La necesidad de disminuir la temperatura de los gases decombustión desde que se forman en la cámara de combustiónhasta que estos ingresan en el primer estadio de alabes.

Dicho exceso de aire es lo que obliga al compresor axial a

tener un gran tamaño y en consecuencia a absorber la mayorparte de la potencia entregada por la turbina, del orden de las3/4 partes de la misma.

2. Una vez que el aire sale del compresor parte de el ingresa a

la cámara de combustión tal como se indica en el punto (2) dela Fig. 1, donde el combustible es inyectado produciéndose deesta manera la combustión del mismo, dando lugar al aportede calor (Q) del medio a la máquina térmica.




33


El proceso de Combustión se realiza a Presión Constantealcanzando muy altas temperaturas lo que da lugar a que sedeba ingresar a la Cámara de Combustión aire de dilución a finde disminuir la temperatura de los gases y aire de refrigeraciónpara refrigerar el material del tubo de llama ubicado en el

interior de la misma.

El caudal másico de gases formados será igual a la suma delcaudal de aire ingresado a la cámara de combustión más elcaudal de Combustible inyectado a la misma

3. Los Gases de Combustión así enfriados a una temperaturaaproximada a los 1.200 ºC ingresan al primer estadio de álabesfijos, o Toberas, de la Turbina como se indica en el punto (3)del esquema.




34


La energía de presión de los gases de combustión esconvertida en trabajo. Esta conversión se realiza en dosetapas:

a) En las toberas de la turbina los gases son expandidos y de

esta manera la energía de presión de los mismos estransformada en energía cinética. (caso de las turbinas deacción).

b) Luego en los estadios (etapas) de álabes móviles de laturbina la energía cinética es convertida en energía mecánica(trabajo mecánico).




35


4. El ciclo finaliza cuando los Gases de Combustión despuésde expandirse en la turbina abandonan la misma y sonexpulsados a la atmósfera, tal como se indica en el punto (4)del esquema.




36

Turbina de Gas

Con algunas excepciones, la mayoría de las Turbinas a Gasutilizadas en los Navíos, son Motores Aeronáuticos“Marinizados” (aeroderivadas). Por lo tanto para atender a losrequisitos específicos de la actividad se deben realizar algunoscambios en estas máquinas, uno de los cambios mas notables

se practican en la Cámara de Combustión, para utilizarCombustible Diesel en lugar de JP1 (Jet Propulsion One – Kerosene de Aviación).

Otros cambios lo constituyen el material de los alabes delcompresor (en las Turbinas Navales se construyen en aceroespecial, en cambio los alabes de las Turbinas de Aviación sonde aluminio), también es necesario introducir un compresor debaja presión.


T bi d G



37

Turbina de GasLa utilización de Turbinas de Gas, implica otro cambio en ladisposición, a ellas no se les puede cambiar el sentido derotación, por tanto se les debe agregar al eje propulsor unInversor de Marcha o el empleo de Hélices de paso Variable(tener presente que estas son de menor eficiencia que lasHélices de Paso Fijo).

El uso de Turbinas de Gas, implica una reducción del espacioocupado, en comparación con las Salas de Máquinas conTurbinas de Vapor y sus Calderas.

La nueva disposición trajo una economía en el peso de lainstalación, lo cual aunque parezca imposible, condicionó alos proyectistas de la época, pues las disposiciones de vaporcompensaban el peso de las voluminosas y pesadas antenasde radar




38

Turbina de GasEntre las características principales de desempeño de este tipo de

Propulsión se destacan la buena relación Peso/Potencia, por esarazón las Turbinas de Gas equipan tanto embarcaciones pequeñas,como Hovercrafts (relación 100 HP por tonelada),Fragatas/Corbetas (relación entre 10/15 HP por toneladas) hastaPortaviones (relación de 5 HP por tonelada).

Otra característica destacable es la aceleración inicial (una TurbinaKortenaer acelera de 0 a 30 nudos en aproximadamente 75segundos), en las instalaciones con Turbinas de Vapor las Calderas

deben alcanzar un nivel apropiado de presión, por tanto el óptimodesempeño tiene un costo, el consumo específico de combustiblemuy alto. Por este motivo algunas Armadas adoptan Turbinas aGas solamente para velocidades altas (mayores de 18 nudos),utilizando otro Propulsor (Motor Diesel), para velocidades bajas.




39

Turbina de Gas Marinizada




40

Turbina de Gas

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es elde añadir un regenerador. El regenerador es unintercambiador de calor que aprovecha la energía de losgases calientes de escape al precalentar el aire que entra a

la cámara de combustión. Este ciclo normalmente esutilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la SolarCentaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de35000 hp.




41

Turbina de Gas

Las Turbinas de Gas con altas presiones de trabajo puedenutilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapasde compresión, permitiendo quemar más combustible ygenerar más potencia.

El factor limitante para la cantidad de combustible utilizadoes la temperatura de los gases calientes creados por lacombustión, debido a que existen restricciones a lastemperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y

otras partes de la misma. Con los avances en la Ingenieríade los materiales, estos límites siempre van aumentando.Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600versión marina.




42

Turbina de Gas - DisposicionesExisten también Turbinas de Gas con varias etapas de

combustión y expansión y otras con “Inter Enfriador” (Intercooler), Sobrecalentador y Regenerador en el mismociclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:


Turbina dePotencia

Compresor deBaja Presión

Compresor de Alta Presión

Ingresode Aire

Gases deExhaustación

Intercooler

CombustibleRefrigerante




43

Ingresode Aire



Turbina #2Turbina #1Compresor

CombustibleCombustible

AireCaliente Sobrecalentador

Turbina de Gas - Disposiciones

ESQUEMA TURBINA DE GAS CON SOBRECALENTADOR




44

Ciclo Termodinámico Brayton Teórico

El ciclo termodinámico teórico por el cual funcionan todas lasturbinas a gas es el Ciclo BRAYTON. En la diapositivasiguiente vemos los diagramas “temperatura – entropía” y“presión – volumen” para éste ciclo. (Los estados termodinámicos queen él se señalan corresponden a los puntos que venimos usando en el esquemade trabajo)

Combustible

Compresor

Aire

C. Combustión

Turbina Carga

Exhaustación

Centro de Estudios Mar del Plata

Universidad Tecnológica Nacional



Ciclo Termodinámico Brayton Teórico

45Centro de Estudios Mar del Plata




46

Ciclo Termodinámico Brayton Teórico Las transformaciones teóricas que se realizan en el ciclo son lassiguientes:La compresión 1-2 representa la compresión isoentrópica del aire que serealiza en el compresor axial.La transformación 2-3 representa el proceso de combustión a presiónconstante donde se produce el aporte de calor (Q suministrado) del medioal sistema debido a la oxidación del combustible inyectado en el punto 2.

La transformación 3-4 representa la expansión isoentrópica de los gasesde combustión que se desarrolla en la turbina.No existe la transformación 4-1. En los diagramas se representa solo amodo de cerrar el ciclo ya que el ciclo BRAYTON es en realidad, como seha explicado anteriormente, un ciclo abierto.

Podemos interpretar que del punto 3 a 4 se produce la devolución decalor (Q devuelto) del sistema al medio, es decir la pérdida de calor al

ambiente a través de los gases de escape de la turbina.



Trabajo Teórico Realizado por la Turbina



47

Trabajo Teórico Realizado por la Turbina

El trabajo teórico realizado por la turbina a gas (trabajopositivo) está representado en el diagrama “p – v” de la Fig. 9

por el área comprendido entre la adiabática de expansión y eleje de ordenadas, es decir por el área rayada: (a-3-4-b).

Trabajo Teórico Turbina = h3 – h4

Donde:h3 = Entalpía de los Gases deCombustión a la entrada a laTurbina (kcal/kg),

h4 = Entalpía de los Gases deCombustión al salir de la Turbina(kcal/kg).



Trabajo Teórico Absorbido por Compresor



48

Trabajo Teórico Absorbido por CompresorEl trabajo teórico absorbido por el compresor axial (trabajonegativo) está representado en el diagrama “p – v” de la Fig.

10 por el área comprendida entre la adiabática decompresión y el eje de ordenadas, o sea por el área (a-2-1-b)

Trabajo Teórico del Compresor == h2 –h1

Donde:h1 = Entalpía del Aire a laentrada del Compresor (kcal/kg).

h2 = Entalpía del Aire al salir delCompresor (kcal/kg).



Trabajo Útil Teórico Entregado por Turbina



49

Trabajo Útil Teórico Entregado por TurbinaEl trabajo útil teórico o trabajo neto teórico que entrega laturbina es la diferencia entre el trabajo teórico de turbina

menos el trabajo teórico del compresor.

Gráficamente el Trabajo Útil TeóricoEntregado por la Turbina está

representado por el área (1-2-3-4)de la Figura.

Del Trabajo Total producido por laTurbina, el Compresor axial absorbeaproximadamente el 70%, quedandosolamente el 30% disponible comotrabajo útil.



Rendimiento Térmico Teórico de la



50

Rendimiento Térmico Teórico de laTurbina a Gas

Supongamos que en el ciclo BRAYTON, representado en la figura, lasevoluciones (1-2) y (3-4) son adiabáticas, con lo cual nos apartamosligeramente de la realidad, ya que las evoluciones reales son politrópicasde exponente variable:

El calor aportado por el medio a través del combustible que se oxida es:

El calor devuelto al medio ambiente por los gases, o calor perdido es:






51


El rendimiento térmico del ciclo será:






52


Como las evoluciones (1-2) y (3-4) son adiabáticas:

Llamado (r) a la relación de presiones:






53


Reemplazando en (1) :





Rendimiento Térmico Real de la



56

Rendimiento Térmico Real de laTurbina a Gas

De todas estas pérdidas solo consideraremos las pérdidas en la

compresión y en la expansión por ser las más significativas, pudiendodespreciar el resto frente a estas.

Por lo tanto para obtener el rendimiento térmico real debemos tenerpresente que la compresión del aire en el compresor no es isoentrópica

como estudiamos anteriormente, sino que esta es politrópica.

Además y de igual modo deberemos tener presente que la expansión delos gases en la turbina no es isoentrópica como supusimos, sino que estaes también politrópica.






Turbina a Gas

57

Los diagramas de la Figura representan las transformaciones reales.






58


A efectos del análisis a realizar, llamaremos:

Ltt = Trabajo teórico de la turbinaLtc = Trabajo teórico del compresor

El trabajo útil teórico de la máquina (Ltm) está dado por la diferenciaentre el trabajo teórico de la turbina menos el trabajo teórico delcompresor, es decir:

Ltm = Ltt – Ltc = Trabajo útil teórico de la máquina

Ahora bien, el trabajo útil real de la máquina (Lrm) está dado por ladiferencia entre el trabajo real de la turbina (Lrt) y el trabajo real del

compresor (Lrc):Lrm = Lrt – Lrc = Trabajo útil real de la máquina (2)

El rendimiento real de la turbina ηt está dado por la relación entre lostrabajos real y teórico de la turbina:






59


Lo que nos dice que el trabajo real que entrega la turbina es menor queel teórico. El rendimiento de una turbina actual ηt es del orden del 0,95

(95%).

Por su parte, el rendimiento real del compresor ηc está dado por elcociente entre los trabajos teórico y real, resultando este último, mayorque el teórico:






60


Como se sabe, el compresor real absorbe mayor trabajo que el teórico

para llevar el aire del estado (1) al (2). En la actualidad, el rendimiento deun compresor axial de turbina ηc es aproximadamente del 0,87 (87%)Reemplazando en la ecuación (2):

El rendimiento real o efectivo ηe de la máquina considerada comoconjunto compresor-turbina está dado por:






61


Donde:El cociente Ltc / Ltt es la relación de los trabajos teóricos del compresor yde la turbina. Se lo indica mediante un coeficiente K que depende de laconstrucción de la máquina, pudiendo determinarse con solo conocer sus

condiciones de operación: temperatura de trabajo de la turbina y relaciónde compresión:






62


Luego, la ecuación (3) se puede expresar como:






63


Esta ecuación nos permite trazar lascurvas de rendimiento reales de unamáquina ciclo BRAYTON en funciónde la temperatura de los gases decombustión al ingreso de la Turbina yde la relación de compresión.

La Figura indica las curvas derendimiento real de una turbina cicloBRAYTON. El ηe de las máquinasactuales está en el orden del 25% al

30% para temperatura de los gases decombustión al ingreso a turbina de1.000ºC a 1.100 ªC.





64

Compresor

Turbina dePotencia


Combustible


Ingresode Aire

AireCaliente

Turbina de Gas con Regenaración

Aire PreCalentado

Regenerador



S ó



Sistemas de Arranque e Ignición

65

Funcionamiento y Componentes del Sistema de Arranque del Motor:

Para asegurar que un Motor de Turbina de Gas arranquesatisfactoriamente se requieren dos sistemas independientes. Enprincipio, debe disponerse de los medios para que el compresor y laturbina giren hasta una velocidad a la cual pase la cantidad de aireadecuada al sistema de combustión para que se mezcle con el

combustible procedente de los inyectores. Segundo, debeproporcionarse un medio para encender la mezcla aire/combustible enla cámara de combustión. Durante el arranque del motor los dossistemas deben funcionar simultáneamente, no obstante, tambiéndebe existir la posibilidad de giro del motor sin la ignición para

comprobaciones de mantenimiento, y de operar solo el sistema deignición para un reencendido durante el funcionamiento.



Si d A I i ió




66

Durante un ciclo de puestaen marcha el funcionamientode ambos sistemas estácoordinado, y su operaciónestá de modo automáticocontrolado tras el inicio delciclo por un circuito eléctrico.En el diagrama que vemosen esta diapositiva, semuestra una secuenciatípica de los pasos durante

la puesta en marcha de unmotor turborreactor.



Si t d A I i ió




67

Métodos de puesta en marcha: El procedimiento de puesta en marcha

para todos los motores de reacción es básicamente el mismo, peropuede lograrse por varios métodos. El tipo y fuente de potencia paralas unidades de puesta en marcha varía de acuerdo con los requisitosdel motor. Algunos usan energía eléctrica, otros usan gas, aire, opresión hidráulica, y cada uno tiene sus propios méritos. Cualquiera

que sea el sistema usado, la fiabilidad es de importancia primordial.

La unidad de puesta en marcha debe producir un alto par de torsión ytransmitirlo al conjunto rotatorio del motor de tal manera queproporcione una suave aceleración desde el reposo hasta la velocidad

a la cual el flujo de gas a través del motor proporcione suficienteenergía para que la turbina del motor se haga cargo del mismo.



Si t d A I i ió




68

Puesta en marcha eléctrica: La puesta en marcha eléctrica se usa en

algunas Turbinas. Normalmente la puesta en marcha es un motoreléctrico de corriente continua acoplado al motor a través de unengranaje reductor y un mecanismo de trinquete o embrague, quedesacopla automáticamente después de que el motor ha alcanzado lavelocidad de automantenido.

El suministro eléctrico puede ser de bajo o alto voltaje, y pasa a travésde un sistema de relés y resistencias para permitir que todo el voltajese aplique progresivamente a medida que la puesta en marcha ganavelocidad. También proporciona la energía para el funcionamiento delsistema de encendido. El suministro eléctrico se cancela

automáticamente cuando la carga de la puesta en marcha se reducedespués de que el motor ha arrancado satisfactoriamente cuando elciclo está completo. En la diapositiva siguiente se muestra un sistemade puesta en marcha eléctrica típico.



Sistema de Puesta en Marcha Eléctrica



Sistema de Puesta en Marcha Eléctrica



Si t d A I i ió




70

Puestas en marcha neumáticas: Las puestas en marcha neumáticasson de uso corriente. Tiene muchas ventajas sobre otros sistemas, yaque comparativamente es ligero de peso a la vez que económico ysimple de operar. Un motor neumático de puesta en marcha tiene unrotor de turbina que transmite la potencia de salida al eje de la puestaen marcha conectado al motor a través de un engranaje de reduccióny embrague. La turbina de la puesta en marcha se gira por aire a

presión que se toma desde el sistema del buque,. El suministro deaire para la puesta en marcha se controla por una válvula de control yreguladora de presión que se abre cuando se selecciona el arranquede un motor, y se cierra automáticamente cuando la unidad de puestaen marcha alcanza una predeterminada velocidad. El embrague

también suelta automáticamente a medida que el motor acelera hastalas r.p.m. de ralentí y cesa la rotación de la puesta en marcha. En ladiapositiva siguiente se muestra una unidad de puesta en marchaneumática típica.



U id d d P t M h N áti



Unidad de Puesta en Marcha Neumática





Sistema de Ignición y Componentes

72

Para el arranque de todos los motores de reacción se usa la ignición de

alta energía, y siempre están equipados con un sistema doble. Cadasistema tiene una unidad de encendido de alta energía conectada a supropio encendedor o bujía, estando los dos encendedores situados endistintas posiciones en el sistema de combustión. Cada unidad deencendido de alta energía recibe una alimentación de bajo voltaje,

controlada por el circuito eléctrico del sistema de puesta en marchadesde el sistema eléctrico del buque.La energía eléctrica se almacena en la unidad de encendido, hasta quea un predeterminado valor, la energía se disipa a través del encendedorcomo una descarga de alto voltaje y gran amperaje. Las unidades de

encendido, también llamadas cajas de encendido o excitadores, sonnormalmente unidades selladas y no pueden repararse al nivel decampo. En algunas instalaciones, los dos excitadores estánincorporados en una sola unidad.






73

La unidad de encendido que se muestra en la diapositiva siguiente es

una unidad típica de C.C. operada por mecanismo ruptor. Una bobinade inducción, operada por el mecanismo ruptor, carga al condensadorde almacenamiento a través de un rectificador de alto voltaje. Cuandoel voltaje en el condensador es igual al valor de salto de un disparadorde descarga sellado, la energía se descarga a través del extremo del

encendedor. Una bobina de autoinducción prolonga el tiempo de ladescarga, y se monta una resistencia de descarga para asegurar quecualquier energía almacenada en el condensador se disipa en unminuto después de que el sistema se ha desconectado. La unidad estáequipada con una resistencia de seguridad que permite que esta opere

sin riesgo, incluso cuando el cable de alta tensión esté desconectado yaislado.



Unidad de encendido de CC





Unidad de Encendido Transistorizada




76

Encendedores (Bujías): Los encendedores del motor de turbina sirven

para lo mismo que las bujías en un motor alternativo: prenden lamezcla combustible – aire, pero sus condiciones de funcionamiento soncompletamente distintas. En un motor alternativo, una chispa derelativamente baja energía debe saltar entre los electrodos de una bujíauna vuelta sí y otra no del eje de cigüeñal. En un motor de turbina, se

requieren chispas de alta energía, pero solo cuando el motor se estáarrancando o en condiciones cuando hay peligro de apagado de llama.Los encendedores no son propensos a la acumulación de carbón comolo son las bujías, porque la chispa de alta energía despega cualquierdepósito que se forme en el extremo de disparo. Debido a la dificultad

en la ignición de la mezcla combustible - aire en un motor de turbina,los encendedores están hechos a la medida del motor. Generalmente,un encendedor diseñado para un motor no funcionará adecuadamenteen otro modelo.






77

Existen dos tipos básicos de encendedores: encendedores de chispa

(el mas usado) y encendedores de incandescencia, que se usa enalgunos de los motores mas pequeños. Las configuraciones delextremo de disparo de los distintos tipos de encendedores mostradosen la diapositiva siguiente permiten apreciar algunas de susinteresantes características.

La punta del encendedor A del tipo electrodo central en superficiesobresale ligeramente dentro de la cámara de combustión y la chispasigue la superficie del aislante entre los electrodos. La punta delelectrodo central en el encendedor B también sobresale dentro de la

cámara de combustión, pero está refrigerado por aire. El aire que pasaalrededor de la parte exterior de la cámara de combustión fluye dentrodel encendedor a través del orificio en su lateral.





Encendedores (Bujías)





S C




80

El encendedor de incandescencia solo se usa en algunos motores

pequeños y está instalado de tal manera que parte del aire derefrigeración que fluye alrededor de la parte exterior de la cámara decombustión fluye dentro de él a través de las bobinas deincandescencia. Las bobinas se calientan con corriente procedente delexcitador de encendido hasta que se ponen de color amarillo naranja, y

el combustible del inyector, que se pulveriza sobre la bobina, seprende. El aire que sopla a través de la bobina produce una vena dellama que prende la mezcla en la cámara de combustión. Losencendedores de incandescencia son especialmente adecuados paralos arranques en tiempo frío.






Turbina de Gas MarinizadaModelo MT 30






Modelo MT 30






Modelo MT 30



Instalación Turbina de Gas para Propulsión



84

Instalación Turbina de Gas para PropulsiónLa instalación de Turbinas de Gas en los Buques, presentan

principalmente las siguientes dificultades:a. De tipo Mecánico Estructural similar a las Turbinas deVapor, debido a la flexibilidad del Buque, sometido aesfuerzos y vibraciones que hacen variar la alineación

relativa entre la Turbina y la Caja Reductora Principal. Estadificultad se soluciona con un acoplamiento flexible.b. De tipo termodinámico, al afectar el rendimiento de lainstalación las perdidas de carga, surgidas de la granlongitud de los conductos de admisión del aire y

exhaustación de los gases, a los que han de añadirse losnecesarios filtros deshumidificadores en la admisión.



Instalación Turbina de Gas para



85

Propulsión

1.Chimenea,2.Deshumidificadores,3.Conducto de Aire de Refrigeración,

4.Vanos Silenciadores,5.Turbina de Gas,6.Caja Reductora Principal,7.Conducto de Exhaustación,8.Aire para Refrigeración de Gases,

9.Salida de Gases al Exterior.



Instalación Turbina de Gas para



86

PropulsiónNo se debe perder de vista, que al ser utilizadas lasTurbinas de Gas en Barcos de Guerra, también deberáncumplir con los requerimientos de resistencia al choque, labaja emisión de ruidos y la necesidad de rebajar lasemisiones infrarrojas en los gases de escape. En la figura

de la diapositiva anterior se puede apreciar el esquema deuna sección longitudinal de la Cámara de MáquinasPrincipales de un Buque, en la que se destacan losprincipales componentes. En la figura podemos ver que el

conducto de admisión esta diseñado para que además sirvacomo vía de salida a la totalidad de los elementos de laTurbina, en el caso de tener que sustituirlos en caso detener que reemplazarlos por tareas de mantenimiento oreparación. Centro de Estudios Mar del Plata


Turbina de Gas en Sala de Máquinas



87

Turbina de Gas en Sala de Máquinas



Detalles para la Instalación de la Turbina



88

Detalles para la Instalación de la TurbinaEntrada de Aire Entrada de Aire de

Refrigeración de la EnvueltaSalida de Aire

Puente para soporte dela Turbina

Polín de laTurbina

Tirante de Amarre de laTurbina a su

Polín



Sistemas Auxiliares de las Turbinas de Gas




89

Sistema de Ventilación (Aire de Combustión): Las tomas de

aire se localizan en la zona superior de la cabina, se le debenincluir múltiples filtros. La inyección de aire a la Cámara deMáquinas es mecánica. La descarga de Gases de escape serealiza fuera del espacio de la Cámara de Máquinas medianteun sistema mecánico.

Sistema de Combustible: habitualmente las Turbinas de Gasemplean DFM (diesel fuel marine) o bien JP-5, Jet Fuels,ambos son mezclas complejas de hidrocarburos obtenidos dela destilación de petróleo.

Sistemas de Lubricación: se organizan para suministrarlubricante a los cojinetes y cajas reductoras.







90

Sistema de Arranque: Llevar al Compresor a la Velocidad de

Arranque, utilizando potencia originada en Sistemas de AireComprimido, Motor Diesel o bien Sistema, Alcanzada laVelocidad (r.p.m.) de Arranque, Inyección de Combustible yencendido por chispa.

Sistema de Transmisión de Potencia: Una Caja Reductora esutilizada para transmitir el Torque, mediante una Línea deEjes, las Turbinas pueden funcionan a diferentesvelocidades.

Otros, Sistema de Contraincendios, Sistema de Elevación yTransporte en la Sala de Máquinas.



Instalación de una Turbina de Gas



Fast Ferry, Propulsor Chorro de Agua1 Módulo Turbina de Gas

2 Caja Reductora3 Propulsor Chorro de Agua

4 Ingreso Aire Combustión, Des Humificador Etapa 3

5 Obturadores de Seguridad Ingreso Aire

6 Silenciador Ducto, Ingreso de Aire de Combustión

7 Rejilla Ingreso Aire Combustión, Des Humificador Etapa 1

8 Placa Obturadora de Ingreso de Aire

10 Silenciador Ingreso Aire Ventilación del Módulo

11 Disposición Tubería de Exhaustación Turbina de Gas



91

Sala de Máquinas con Turbinas de Gas,



Sala de Máquinas con Turbinas de Gas, perteneciente a Buque Gasero / Layout Indicativo

Cuarto de VentiladoresConducto Inyección de Aire

para Combustión yRefrigeración

Conducto de Exhaustación

Módulo Contenedor dela Turbina de Gas

Generador Acoplado

MotorEléctrico Centro de Estudios Mar del Plata


92



Módulo Turbina de Gas GE LM2500



Ingreso Aire Combustión

Junta Flexible

Junta Flexible

Exhaustación

Ingreso Aire Refrigeración

ConjuntoTurbina de Gas

ParedSeparadora

Tapa de

Acceso

Junta AireRefrigeración

Conducto deEscape

Panel de Acceso

Modulo Contenedor

Montaje Turbina de Gas

Polín

Puerta Acceso

Filtro

Tacos

Cuerpo Central(Punta de Bala)



94

Modulo contenedor Turbina de Gas



En el exterior del Módulo se destacan contundentemente las

acometidas del Ingreso de Aire y de Exhaustación. El Conjuntointeriormente dispone de un Sistema de Detección deIncendios y su Sistema de Extinción, un Sistema deiluminación, y distintas conexiones.

El Módulo, como se dijo, facilita la Instalación o bien permitesu retiro para atender una gran reparación, las tareas derevisión, mantenimiento o reemplazos, se realizan sininconvenientes por las cómodas Puertas del Módulo. El

número y la ubicación de la Puertas del Módulo pueden varíarconforme las necesidades de la Sala de Máquinas. Asimismoel Módulo dispone de Paneles laterales



95

Modulo Turbina de Gas Marina



Equipo GE LM 2500



96

Módulo Contenedor Turbina de Gas



Módulo Contenedor Turbina de Gas



97

Instalación Turbina de Gas Marina

http://www.motorship.com/__data/assets/image/0010/907039/AWD-LM2500-on-test.jpg



En diapositivas anteriores, pudimos apreciar, un ModuloTurbina de Gas Marina y su Instalación en un Fast Ferry,

Moderno Buque de Transporte de Pasajeros y sus Vehículos,donde tenemos una vista lateral de su Sala de Máquinas,cuya materialización es el objetivo de la Materia. De igualforma apreciamos un Layout de la Instalación del Módulo enun Buque LNG Carrier de gran porte. Entonces en estainteligencia, tenemos que disponer y consignar los datosrelevantes de cada Servicio, para poder diseñar la Sala deMáquinas del Ferry, mas adelante veremos pautas para el“Diseño” de una Sala de Máquinas en general, pero ahora a

partir de la información que brindan los Fabricantes deTurbinas de Gas, vamos a plantear las necesidades de cadaServicio. En la diapositiva siguiente presentaremos losServicios a Estudiar.



98

Servicios p/Funcionamiento Turbina de Gas



Sistema Lubricación,

Sistema Combustible, Sistema Aire Comprimido (Aire Arranque), Sistema de Ventilación Módulo,

Aire de Combustión, Aire Refrigeración,

Ventilación Sala de Máquinas, Sistema Exhaustación, Sistema Extinción de Incendios,

Sistema Extinción de Incendios Módulo,

Sistema Extinción de Incendios Sala de Máquinas, Sistema Agua Dulce Refrigeración y Lavado,



99

Representación Turbina de Gas



Como a las Turbinas de Gas para aplicaciones Marinas, selas entrega en un Contenedor Cerrado (Módulo), para facilitar

su representación usaremos el Croquis que se muestra acontinuación, donde:

TurbinaCompresor

Cámara de

Combustión

Exhaustación

Aire de Combustión

DiseñoLdP

Caja

Reductora



100

Turbina de Gas Esquema Lubricación



El Sistema de Lubricación de una Turbina de Gas tiene comoprincipal función suministrar aceite a todos los cojinetes con

tal de impedir su desgaste (función lubricación). Otra funcióna puntualizar del Sistema de Lubricación es el de Refrigerarlas superficies calientes. El Sistema de Lubricación de laTurbina mínimamente está formado por los siguientescomponentes:

TANQUE ALMACÉN (1): Este puede, o no, ser parte integraldel conjunto de la Turbina, no obstante en los Buqueshabitualmente se ubica en el Doble Fondo de la Sala de

Máquinas. El Equipo debe estar protegido por cualquier fugade aceite, así que en este Tanque, deberá disponer Alarmasde “Bajo Nivel” y de “Muy Bajo Nivel” con tal de parar elequipo en caso que el Nivel de Aceite del Tanque Almacén(Carter) sea bajo. Centro de Estudios Mar del Plata


101




BOMBA DE CIRCULACIÓN (3): Es el elemento más

importante del Sistema de Aceite, en caso de fallo fácilmentese averiarán los cojinetes. Para evitar que la Bomba deCirculación falle pueden instalarse dos bombas dispuestas enparalelo o montar una bomba accionada por el propio eje de laturbina. En caso que la Bomba sea accionada por la Turbina, através de la Caja Reductora, se requiere un Embrague y porsupuesto ésta, no podrá ser inspeccionada, revisada, reparadao sustituida durante el funcionamiento del equipo. De todasformas; aún siendo accionada la Bomba por la Turbina, o no,

siempre se deben instalar mínimo dos Bombas de Circulaciónde Aceite (Redundancia) con tal de aumentar la fiabilidad delequipo. Las Bombas del Sistema de Lubricación deben ser aTornillo o a Engranajes (Bombas de Desplazamiento Positivo).



102

Turbina de Gas Esquema Lubricación(1) Tanque Almacén



(1)

(1) = Tanque Almacén,(2) = Filtro,(3) = Bomba Circulación Acciona TG,(4) = Electrobomba, Pre Lubricación,

(5) = Módulo Turbina de Gas,(6) = Calentador, Pre Lubricación,(7) = Enfriador, Circuito Ppal. Lubricación(8) = Bomba Purificadora de Aceite,(9) = Calentador Purificadora de Aceite,(10)= Purificadora de Aceite

(2)

(3)

A Tanque Aguas Aceitosas A Tanque de

Lodos

(4) (5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

AceitePurificado

DiseñoLdP

Válvula Termostática

Válvula de Alivio



103

E l t lid d l li ió d l d B b




En la actualidad la generalización del uso de BombasCentrífugas, y su desarrollo tecnológico, han hecho que

algunos diseñadores piensen en su empleo en Sistemas deLubricación, es recomendable evitar tal elección dado que eluso de Bombas tipo Centrífugo provocan que el Aceite secontamine con aire, si esto sucede, la Bomba se descebará(bolsa de aire) interrumpiendo el flujo de aceite.

VÁLVULAS SOSTENEDORAS DE PRESIÓN DE ACEITE: Aseguran que laPresión de Aceite sea constante en todo el circuito, se deben instalar aposteriori del Enfriador. ENFRIADORES (7): Debido a que el aceite tieneuna función refrigerante y que a ciertas temperaturas pierde propiedades,son necesarios los Enfriadores de Aceite. Dependiendo del calentamientoque vaya a sufrir el Aceite en los Cojinetes el sistema de enfriado sedimensiona de una manera u otra. Un Aceite muy frío aumentará suviscosidad pudiendo acarrear problemas de circulación por lo que debeencontrarse un equilibrio.



104



Mientras los Filtros se van ensuciando la presión de aceiteprevio a ingreso al Filtro incrementará y por ende a la salidadecrecerá. Para detectar el ensuciamiento de Filtros se midela presión manométrica pre y pos Filtro, además se incorporaun Sistema Medidor de Presión Diferencial que hace saltaruna Alarma.

Filtro de MallaFiltro Motorizado o

Autolimpiante

By Pass con Válvula de Cierre Manómetros Control Filtrado

LdP LdP



106




Filtro de Doble

Manómetros Control Filtrado

LdP

Si buscamos una forma de facilitar el aprendizaje del Servicio deLubricación, se recomienda fraccionarlo en Sistemas Específicos del

Servicio, donde tenemos: Sistema de Lubricación, Sistema de Pre Lubricación, Sistema de Purificación,



107

Filtro DobleC d C t d d d



CanastoFiltrante

ComandoManual

Válvula deVenteoVálvula de Entrada

Válvula deSalida

Entrada

Conexiónde Drenaje

Consta de dos carcasas defiltrado, construido en acerosoldado, unidas por un sistema

de conmutación.Opcionalmente con conexionessuperpuestas para la entrada yla salida en el lado delantero dela carcasa de conmutación.



108

Sub Sistema de Lubricación



Electro (Acoplada)Circulación

Enfriador

Tanque Almacén

Válvula Sostenedora de Presión



109

Sub Sistema de Pre Lubricación



Válvula TermostáticaCalentador

Electro BombaCirculación

Previo al Arranque de la Turbinase la debe “Pre Lubricar” paraformar la “Cuña de Aceite”, establecer una “Circulación Fluida del Lubricante” y lograruna “Temperatura deFuncionamiento “ de los

“Metales”



110

Sub Sistema de Purificación



Tanque Almacén

Purificadora

Calentador

Bomba

Purificadora

A Tanque Aguas

Aceitosas

A Tanquede Lodos

Es fundamental que en todomomento el Aceite Lubricante seencuentre limpio y mas allá delbuen funcionamiento del Sistemade Filtrado, se aconsejaPeriódicamente, el uso de unaPurificadora (Centrífuga),



111

Turbina de Gas Esquema Combustible



qLas Turbinas de Gas se disponen para consumir una serie de

combustibles que van desde un “Combustible Pesado”, tal elcaso de HFO, has el más “Liviano” como el LPG, pasando porMDO, JP5, JP1, etc., este abanico obliga a distintasconfiguraciones de los Sistemas utilizados en los Buques.Para los fines de la Materia PPN vamos a presentar unasuerte de “ESQUEMA GENÉRICO” que nos va servir de basepara para adaptarlo a las distintas necesidades.

Para las cuestiones de aprendizaje vamos a subdividir al

Esquema de Combustible en tres grandes bloques: Sub Sistema de Trasvase, Sub Sistema de Tratamiento, Sub Sistema de Alimentación,



112

Turbina de Gas Esquema Combustible



(A)

(A)Inyectores

CombustibleRetorno de Combustible

Alimentación de Combustible

Calentador

Bomba Alimentación

Tanque Almacén

CalentadorPurificadora

Tanque

Decantación T a n q

u e S e r v i c i o

D i a r i o

F l u j p m e t r o

T a n q u e

M e z

c l a

BombasPurificadora

Tanque de Lodos Bunkering

V á l v u l a C i e r r e

R á p i d o

Válvula Divisora

TL = Tanque Lodos

TL

TL

TL



113

Sub Sistema Transvase Combustible



Tanque

Almacén

Tanque de Lodos

Filtros

Tanque

Decantación

Bomba deTrasvase

Bunkering



114

Sub Sistema Purificación de Combustible



CalentadorPurificadora

Tanque

Decantación

Bombas

Purificadora

TL

Filtros

T a n q u e S e r v i c i o

D i a r i o

TL

AAVálvula CierreRápido



115

Sub Sistema Alimentación de Combustible



(A)Inyectores

CombustibleRetorno de Combustible

Alimentación de Combustible

Calentador

Bomba Alimentación V á l v u l a C i e r r e

R á p i d o

Válvula Divisora

TLTanque

Mezcla

TanqueDesaireador

T a n q u e S e r v i c i o

D i a r i o

F l u j p m e t r o



116

Servicio de Aire de Arranque T. de GasE l i i t di iti t E



En la siguiente diapositiva se presenta, un Esquemaorientativo que aproxima el Servicio de Aire Comprimido de un

Buque (que estudiaremos más adelante), el cual nos sirvepara entender el Servicio de Arranque de una Turbina de Gaspor Aire Comprimido, las Válvulas que se emplean en elEsquema son;

= Válvula de Cierre, como son de diámetros mayores a DN 38 se usan V. Globo,

= Válvula de Cierre, como son de diámetros de DN 38 o menores se usan V. Aguja,

= Válvula de Seguridad,

= Grifo de Purgas, para drenajes,

= Válvula de No Retorno,



117

Servicio de Aire de Arranque T. de Gas



BotellónPrincipal

Botellón Auxiliar

ElectroCompresor

Moto Compresor Auxiliar

Módulo Turbina de Gas

Estación Reguladora de Presión

MotoGeneradores

Separador Agua / Aceite

Válvula

No Retorno

VálvulaSeguridad

Grifo dePurga



118

Alimentación Aire Comprimido al Motorde Arranque de una Turbina de Gas



de Arranque de una Turbina de Gas

Filtro Aire Arranque

Separador Aire/Agua

Válvulas deCierre y

Retención

Línea de Aire

EstaciónReductora de

Presión

Enfriador Aire de Arranque

Válvula Arranque

Válvula Cierre

CajaReductora

En el Croquis tenemos la alimentación “final” (Aire Comprimido) al Motor de Arranque y suacople a la Turbina de Gas, donde podemosidentificar distintos componentes, ver

diapositiva siguiente, la alimentación puededarse del Sistema de Aire Comprimido delBuque o bien de un Sistema propio con suCompresor y Botella de almacenaje.



119

Motor Arranque Aire ComprimidoInstalación dentro del Módulo (Equipo) Ingersoll Rand



( q p ) g



120

Motor Arranque Ingersoll RandAire Comprimido



Aire Comprimido



121

Motor Arranque Ingersoll Rand



Motor Arranque Ingersoll Rand Aire Comprimido

Motor de Arranque para Turbina de Gas

Turbina del Motor de Arranque

Corte del Motorde Arranque



122

Sistema de Ventilación Módulo TG



Módulo



123

Sistema de Ventilación Módulo TG Para estudiar el Sistema de Ventilación del Módulo debemos



Para estudiar el Sistema de Ventilación del Módulo, debemostener presente, que el Módulo contenedor de la Turbina de Gas

está instalado en una Sala de Máquinas, por tanto estamoshablando de un Sistema de Ventilación de la Sala deMáquinas, tema que se tratará oportunamente. En todos losBuques el Sistema de Ventilación de la Sala de Máquinas,contempla dos Sub Sistemas bien diferenciados, a saber: el

“Sub Sistema Aire de Combustión”, que es el Aire necesariopara atender la “Combustión” de los Motores de CombustiónInterna y el requerido para funcionamiento de losCompresores, el restante Sub Sistema corresponde al “Sub

Sistema de Confort”, que se encarga de hacer “confortable” elespacio de Máquinas a las tripulaciones que trabajan en él y“cambiar permanentemente el Aire residente para “refrigerar los Equipos Instalados en la Sala de Máquinas.



124

Sistema de Ventilación Módulo TG



El Sistema de Ventilación del Módulo, también atiende dos SubSistemas, uno equivalente al “Sub Sistema Aire deCombustión”, denominado de la misma forma y el otro loidentificamos como “Sub Sistema Aire de Refrigeración”, esteen cierta forma equivale al “Sub Sistema Aire de Confort”, puesse encarga de bajar la temperatura de los Equipos instalados

en el interior del Módulo.

En la próxima diapositiva veremos el Arreglo del Conducto de Aire con el Módulo contenedor de la Turbina de Gas y en la

siguiente se aprecia con detalle el Conducto de Aire deRefrigeración y el Circuito que recorre el Aire Fresco hastaabandonar el Módulo contenedor.



125

Conducto Ingreso de Aire al MóduloFiltro de Partículas



Canalizador de Aire

Manguerote

Ingreso de Aire

ConductoIngreso Aire deRefrigeración

SilenciadorConducto deRefrigeración

Persianas

Vanos delSilenciador

Soplador AireRefrigeración

ConductoEscape

Vanos RemoviblesColector Anti Hielo

Cubierta Principal

Primera Cubierta

Segunda Cubierta

Tercera Cubierta

Cuarta Cubierta

Amortiguador

En el Croquis podemos apreciar ladisposición del Conducto de Ventilacióndel Módulo, en tal arreglo vemos la

magnitud del Conducto de Ingreso de Aire, con relación a las dimensione delMódulo contenedor de la Turbina deGas. Otro de los datos relevantes es laforma del Conducto, que se inicia en unManguerote por donde Ingresa el Aire a

un Conducto que se divide en dos,destinando el primero (atmosférico)para Aire de Combustión, y el otro(presurizado) para Refrigeración. Eldiseño de ambos Conductos, posibilitael ingreso de un gran volumen de Aire,con mínima caída de Presión

Módulo

Conducto Aire deCombustión



126

Acometida al Módulo delConducto Aire y Circuito de Refrigeración



Conducto Aire y Circuito de Refrigeración

Soplador Aire Refrigeración

Junta de Expansión

Conducto AireCombustión

ConductoExhautación

Entrada Aire Refrigeración

Cámara deEntrada

Canalizador de Aire

Codo

deEscape

EductordeEscape

Amortiguador



127

Sub Sistema RefrigeraciónDisposición para dos Módulos visto de Popa a Proa



p p p

Cubierta Principal

2do. Entrepuente

2da. Cubierta

3ra. Cubierta

Sala de Máquinas

MóduloTG Bor MóduloTG Bor

Conducto AireRefrigeración


Pleno Aire

Pleno Aire

CrujíaIngreso Aire de

CombustiónIngreso de Emergencia

Aire de Refrigeración

Ingreso Aire deRefrigeración

Ventilador Aire deRefrigeración

Pasaje

By Pass Automático Aire de RefrigeraciónConducto de Entrada



128

Sistema de Ingreso de AireDisposición para dos Módulos visto de Popa a Proa



p p p

Deshumidificador

CrujíaMamparo

Flujo Aire

JuntaExpansión

Cámarade Aire

MóduloTG Bor

MóduloTG Eor

Sala de Máquinas

EntradasEmergencia

En el Croquis “sombreado”

tenemos el ConductoPrincipal de Ingreso de

Aire al Módulo Contenedor,se puede apreciar que elmismo se identifica con laestructura del Buque, porsu tamaño, también seaprecia su forma paradisminuir la velocidad del

Aire, las secciones sondatos del fabricante delequipo, se recomiendaincluir en el interior del

Conducto canalizadorespara evitar los cambios dedirección rectos. La vistaes una disposición típica abordo.

Cubierta Principal

2do. Entrepuente

2da. Cubierta

3ra. Cubierta

Paso



129

Esquema Módulo Contenedor



SilenciadorConducto

Ingreso Aire

Deshumificador

Silenciador ConductoExhaustación

CierreConducto

(Damper)

Soplador AireRefrigeración

Sistema AntihieloInyección Aire de

Arranque

El Sistema Anti Hielo funciona conel Aire Comprimido Caliente delSistema de Arranque y se descargaen el conducto de entrada. Eleva latemperatura por encima del puntode congelación. La temperatura deentrada de aproximadamente 38 ° F(3.333°C) cuando se selecciona AntiHielo. Temperatura suficiente paraevitar la formación de hielo.También funde el hielo, aguanieve o

nieve arrastrado por el Aire de Admisión.

Supresor deInfrarrojos



130

Esquema Ventilación Sala de Máquinascon Módulo contenedor Turbina de Gas



AireFresco

AireCaliente Ventilador

Centrífugo

Módulo TG enSala de Máquinas

El tema “Ventilación Sala de Máquinas”, dada su especial importancia sedesarrolla en un Capítulo independiente,no obstante adelantamos el criterio

básico para diseño del Sistema, el AireFresco se “inyecta” (VentiladorCentrífugo) para “presurizar” la Sala deMáquinas y alcanzar los rincones másalejados del Sistema de Ductos, la

extracción es por “termosifón”, escapando a través del “Guardacalor”

Manguerotes

Guardacalor



131



Sistema de ExhaustaciónVisto hacia Proa



Cañón de laChimenea

Junta deExpansión

Soporte

Vista en Planta

Eyector

Toberas delConducto deExhaustación

Silenciadoresdel Conducto de

Exhaustación

SILENCIADORES: Un silenciadorde “baffles” se encuentra en elcentro del Conducto, dotado dematerial fonoabsorbentes

encapsulado en chapa de aceroinoxidable perforado. Estematerial, junto con el aislamientode la pared del Conducto, atenúael nivel de sonido emitido por lainstalación, para satisfacer de

modo aceptable el nivel ruidoaéreo requerido.



133

Eyector de Gases de Escape



EYECTORES: En la figura(sombreado) tenemos unasección transversal de unEyector Los Eyectores seencuentran en la parte

superior de cada conducto,están dispuestos de modoque el flujo de gas del tubo deescape, provoque depresión ypermita el ingreso aire del

exterior en la corriente deExhaustación para reducir latemperatura de los Gases deescape.

Cañón de laChimenea

Aire Exterior

Aislación

Aire Exterior

Aislación

Envolvente InteriorCubierta Exterior

Colector

Gases de Escape

Tubo de Mezcla3 por TG

Agua PulverizadaSupresor de Infrarojos

Tobera Exhaustación12 por TG

Plenode losEyectores



134

Sistema de ExhaustaciónCrujía



Crujía

Mamparo

Flujo AirePleno Aire

MóduloTG Bor

MóduloTG Eor

Sala de Máquinas

Cubierta Principal

2do. Entrepuente

2da. Cubierta

3ra. Cubierta

Pleno Aire

C o n d u c t o

E x h a u s t a c i ó n

Aire de RefrigeraciónIngreso de Emergencia

Ingreso Aire

Ingreso Aire

Pasaje

TroncoEscape



135

Supresor de Infrarrojos



Silenciador ConductoIngreso Aire

Deshumificador

Silenciador Conducto

Exhaustación

CierreConducto(Damper)

Soplador Aire

Refrigeración

Caja deEntrada

JuntaFlexible

SUPRESOR DE INFRARROJOS. Elpropósito de este componente esreducir la temperatura de los Gases deEscape antes de que estos se

descarguen a la atmósfera. Estominimiza detección por calor de laNave, por otras Embarcaciones y

Aeronaves (Buques Militares).

Supresor deInfrarrojos Trampa Aguade Mar

Descarga Fuerade Borda

Alimentación

Agua de Mar



136

Esquema Sistema de Extinción de Incendioa CO₂/Halón por Inundación



₂ pUn Sistema de Dióxido de Carbono (CO₂) por inundación seutiliza para desplazar el oxigeno y extinguiendo el fuego y asíproteger el recinto. El CO₂

se almacena en forma de líquido apresión en botellas de acero.

El volumen del Espacio a proteger, determina el número debotellas de CO₂ necesarias, más arriba se hablo de CO₂/Halón,pues ambos gases reciben idéntico tratamiento y si bienhablamos de CO₂ podemos hacer un relato en espejo con el

Halón.



137

Esquema Sistema de Extinción de Incendioa CO₂/Halón por Inundación



₂ pEn la diapositiva siguiente, tenemos un Sistema elemental deExtinción de Incendios, con CO₂/Halón, que trabaja porinundación del recinto, en nuestro caso el Módulo contenedorde la Turbina de Gas, el Sistema de Extinción de Incendiosfunciona, por disparo del activador, que puede ser manual o

automático.Cuando hablamos de Sistema de Extinción de Incendios,inmediatamente aparece asociada la Detección, por lo cualprecisaremos la identificación del Sistema, correctamente,

como Sistema de Detección y Extinción de Incendios, si bienlas Detección y la Extinción están conformadas porequipamientos distintos, ambas trabajan en conjunto.



138

Esquema Sistema de Contra IncendioCO₂ por Inundación (Básico)



₂ p ( )

Batería deBotellas de CO₂

Cilindro

Pistón

Sistema

Activación

Toberas deDescargaBotellas de CO₂

de Accionamiento

Disparador delSub Sistema

Válvula deRetención y Cierre



139

Esquema Sistema de Contra IncendioCO₂ por Inundación



₂ p


Cilindro

Pistón

Sistema

Activación


de Accionamiento

Tablero deControl




140




₂ p


Cilindro

Pistón

Sistema

Activación


de Accionamiento

Módulo deExtinción




141




₂ p


Cilindro

Pistón

Sistema

Activación


de Accionamiento

Módulo Contenedorde la Turbina de Gas




142

Turbinas de GasSistema de Detección y Extinción de Incendios

E t di idi d l Si t t d S b i t



Entonces dividiendo el Sistema tenemos, dos Subsistemas asaber:I) Componentes Sub Sistema Detección de incendios:a. Detector Ultravioleta de Llama (Sensor de Llama), quebusca las llamas en el zona de la Cámara de Combustión.b. Sensor de Temperatura fij en 400 o F para detectar

incendios fuera de la zona de visión de los detectores de UV.c. Pulsador Manual "FIRE“, que puede ser utilizado por elresponsable del Sistema CI, para activar el sistema contraincendios.

II) Componentes Sub Sistema de Extinción de Incendiosincluyen:a. Banco de Botellas de CO2 primaria para accionar el SubSistema.



143

Turbinas de GasSistema de Detección y Extinción de Incendios



b. Banco de Botellas CO₂ secundario para inundar con una

atmósfera inerte al módulo.c. Un Activador de CO₂ ubicado en el Tablero de Control. Esteinterruptor permite, de igual forma, al operador detener laliberación automática de CO₂, en caso de una falsa alarma o

el personal en el Módulo.d. Una señal de parada por fuego electrónica, utilizada paraapagar el motor cuando un incendio es detectado por losSensores de Llama (UV), los Sensores de Temperatura, o elPulsador Manual “Fire”. Esta señal activará la secuencia deparada por fuego.



144

Parada por Fuego



La Parada por Fuego inicia las siguientes acciones:

Dispara las Alarmas por Fuego en las Consolas de Control, Interrumpe el suministro de Combustible a la Turbina, Interrumpe el accionamiento del Ventilador (Inyector) de airede Refrigeración, y cierra los “Dampers” de los Conductos de

Aire. Demora la descarga de CO₂ por unos 20 segundos.

Safety note: When entering the module, ensure the fireextinguishing system is disabled and signs are posted on the

module and control consoles warning that personnel are in themodule.



145

Protección Contra Incendios paraTurbinas de Gas





146

Módulo Contenedor Turbina de GasUbicación Sistema Detección y Extinción de Incendios



Ubicación Sistema Detección y Extinción de Incendios

MóduloContenedorTurbina Gas

ConductoExhaustación

Conducto Aire

Combustión


Toberas CO₂

Detectores deTemperatura/Llama

Toberas CO₂

Gabinete Botellones CO₂

Sistema de Control



147

Sistema de Enfriamiento Central del BuqueVinculación Sistema de Lubricación Turbina de Gas



Circuito LubricaciónTurbina de Gas

Tomasde Mar

Bombas deCirculación

EnfriadorCentral

EnfriadoresDedicados

Circuito Agua Salada Circuito AguaTécnica

Válvula de Casco

OtrosEnfriadores

DescargaFuera de Borda

En “Otros Enfriadores” vamos a encontrar elcorrespondiente a Airede Arranque, si seutiliza tal Sistema.



148

Sistema Agua Dulce de Lavado



El Sistema de Agua Dulce deLavado se utiliza para limpiarel Compresor de TG. LasToberas para pulverizacióncon Limpiador Químico o AguaDulce se ubican en la entradadel compresor y se accionancon la TG en funcionamiento.Los Comandos del Sistema deLavado de Álabes seencuentra fuera del Módulo

Del Sistema de Agua Técnica

PlenoIngreso Aire

Ingreso AireCompresor

Toberas

Tobera CO₂

Tobera CO₂

Tobera CO₂

Tobera CO₂

Ingreso Aire a la TG

Detectores de Llama

Alimentaciónde CO₂ Control Ventiladores

AlarmasCO₂

Módulo

Turbina deGas

plantas propulsoras a turbinas de gas

Documents