Turbinas y Compresores de Gas / Los Motores del Siglo XXI

Capítrrlo l.lntroducción e las turbinas de gas1.1 Cido de las turbinas de gas en el modo de ciclo combinado o de cogeneración....1212 Rendimiento de la turbina de gas......... ............1413 Consideraciones de diseño de las turbinas de gas ............151.4 Tipos de turbinas de gas ...............207.4.1. Turbinas de gas paadas,..., ..................20L.4.2 Turbinas ile gas asoderiaadas ..........,..,.271..4.3 Turbinas ile gas típo índustria|.................. ................231-.4.4 Pequeñas turbinas ite gas .......................251,.4.5 Migoturbinas ....................261.5 Compresores.......... ........................287.S.lCornpresorn axinles. ..........30L.5.2 Compresores centrífugos ........................301.6 Regeneradores ................:... ...........321.7 Quemadotes............ .......................327.7.7 Típicas üsposiciones ile quemadores ......35ll
Capítulo 2. Análisis de ciclos teóricos y reales5l2.1 El ciclo Brayton...... ........................512 2 Erecto d"."g",,u,u;;;;..::::::::. ::::::::.. .. .... .542.3 Efectos de interenfriamiento y el recalentamiento.... .......562.3.1Análisis del ciclo rea1.............. ......,.........582.3.2 El ciclo rea|...... ...................592.4 El ciclo sencillo de eje partido .........................612.4.1- EI ciclo regeneratiao.............. .................622.4.2 Ciclo sencillo interenfriado ....................632.4.3 El ciclo de recalentamiento............... ......642.4.4 El ciclo de recalentamiento regeneratiao con interenfríador..............................652.5 El ciclo de inyección de vapor. ........................652.6 El ciclo regenerativo y evaporativo............. .......................682.7 El ciclo Brayton-Rankine.......... ........................702.7.14nálisis de suma fu cic1o........ ................722.8 Visión general de las plantas de ciclo combinado ............732.8.1 Ciclo de almacenamiento de Ia energía del aire comprimido. .........792.9 Aumento de potencia................. .......................80Capítulo 3. Rendimiento en compresores y turbinas93
3.3.1 Efíciencia adiabática.................. ...........1003.4 Análisis dimensional .................. ....................1033.5 Características de rendimiento de un compresor................ ...............1,073.6 Características de rendimiento de una turbina ..............i083.6.1 Cálculo del rendimiento de una htrbina de gas ......... ..................109Capítulo 4. El método cFDtr54.1 Introducción............ .....................115-1.2 Elementos del sistema de diseño ..................1164.2.L Representación pnramétrica. ................1164.2.2 Construcción de la geometría............... ....................1L74.2.3 Generación de mallas .......1174.2.4 Lasolución CFD ............ ......................1,184.2.5 Extrncción de los datos r¡ eaaluación funcional.... ....11,94.2.6 Optimización......... ...........LL94.2.7 CFD adjunto ....................1204.3 Diseño de aplicaciones............. ......................1204.3.1. Optimización de los aanos guía del conducto de by-pass ............12L4.3.2 Optimización delbr¡-pass OGV usando el adjunto CFD.................................1224.3.3 Optimización de una etapa de un compresor.................. .............L244.3.4 Minimización de la respuesta forzada de la turbinausando trnnsitorio lineal CFD .............1264.3.5 Diseño de aentiladores con bajo niael de ruido ........... .................1.284.4 Conclusiones........... .....................130Capítulo 5. Rendimiento y normas lrl5.1 Variables principales para una aplicación de turbinas de gas..............................1315.2 Normas de rendimiento.............. ...................1365.3 Parámetros mecánicos ................ ....................1385.4 Aplicación de las norrnas mecánicas a las turbinas de gas ...............'l'41Capítulo 6. Compresores centrÍfugosr556.1 Componentes de un compresor centrífugo.................. .......................1566.L.L Vanos guía a la entrada del inductor ....1616.L.2 Impulsor................ ...........1,636.L.3lnductor................. ...........1.666.1.4 Sección centrífuga de un impu1sor............... ............1.666.1.5 Causas del deslizamiento en el impulsor.. ................L686.1.6 Factor de deslizamiento de Stodola ......1706.1-.7 Factor de deslizamiento StnniE ...........1-7L6.L.8 Difusores............... ...........172
6.1.9 Voluta o colector (suoll) ......................1746.2 Rendimiento del compresor centrífugo. ......1756.2.1 Pérdidas en el rotor ........... ...................L766.2.2 Pérdidas en el estator .......1.796.3 Surge del compresor (bombeo)................ .....1806.4 Compresores centrífugos en industrias de proceso. ......1.87Capítulo 7. Compresores axiales1937.1 Introducción........... ......................1937.2 Nomenclatura álabe y cascada...... ................1967.3Teoríaelemental de los á1abes......... ..............1977.4 Álabes con flujo laminar ............'l9g7.5 Ensayos de cascada. ....................2007.6Tiángulos de velocidades .........2027.7 Grado de reacción ......................,2047.8 Equilibrio radial ......2077.9 Regla de incidencia................ .....2087.10 Regla de desviación............... .......................2107.'ll Características de funcionamiento de un compresor ......................2137.7281choke del compresor.............. ..................21,77.13 Análisis del stall de un compresor centrífugo ..............222Capítulo 8. Turbinas rad,ales8.1 Descripcron8.2 Teoría... ......................2288.3 Consideraciones de diseño ........2328.4 Pérdidas en una turbina de entrada radia1.......... ............2348.5 Rendimientos en una turbina de entrada radial.......... .......,...............234Capítulo 9. Turbinas axiales2379.1 Geometría de la turbina .............2379.2 Turbina de impulso .....................2439.3La turbina de reacción ................2459.4 Conceptos de refrigeración de los álabes de las turbinas...... ............2489.5 Diseño de la refrigeración de los álabes de la turbina.................. .....2509.6 Aerodinámica de las turbinas refrigeradas.................. .......................2569.7 Pérdidas en la turbina ................257Capítulo IO. Cámaras de combustión26t225,...o.t.,226
r0.3 Diseño de la cámara de combustión........... ...................,265i0.4 Problemas de contaminación del aire ........277:0.5 Combustión catalítica............... ....................285Capítulo I I . Materiales28qCapítulo 12. Combustibles309i2,1 Especificaciones de combustible............. ....312i2.2 Propiedades del combustible................. .....31512.3 Tratamiento del combustib1e.................. .....31812.4 Combustibles pesados..... .........32312.5 Economía del combustible........ ...................32712.6 Experiencia de funcionamiento........... .......32812.7 Tipos de sistemas de trazado de calor .......33012.8 Almacenamiento de líquidos .......................332Capítulo 13, Rodamientos y sellos335l3.l Rodamientos ..........33513.2 Principios de diseño de los apoyos ............34213.3 Cojineies inclinados.................. ....................34613.4 Materiales de apoyo......... .........34813.5 Inestabilidades en los apoyos y en el eje .............. .........34913.6 Apoyos de empuje ....................35013.7 Factores que afectan al diseño de apoyos con empuje ....................35113.8 Sellos .......................35313.9 Sellados sin contacto o de holgura .............35413.9.1 Sellsdos de 1aberinto................. ..........35413,9.2 Sellantes de anillo (Bushing) ............35713.10 Sellantes mecánicos (Cara).... .....................35913.11 Selección y aplicación del sellante mecánico ..............36313.12 Sistemas de se11ado................. ..................,.36613.13 Sistemas de aceite asociados... ...................36713.14 Sellantes de gas seco ...............368Capítulo 14. Engranajes373
14.2 Factores que afectan al diseño del engranaje.................. ..................37514.3 Procesos de fabricación............ ....................381l.4.4lnstalación y funcionamiento inicial ..........383Capítulo 15, Lubricación3,8715.1 Sistema de aceite básico ...........38715.2 Muestreo y pruebas en el aceite.......... .......39415.3 Contaminación del aceite... ......39415.4 Selección del fi1tro........... ..........39515.5 Limpieza y ac1arado.................. ....................39715.6 Acoplamiento de la lubricación.......... ........39815.7 Programa de gestión de la lubricación........... ................399CapÍtr¡lo 16, AnáIisis espectral40116.1 \fedición de la vibración... .......40516.2 Datos en cinta ........40816.3 lnterpretación de los espectros de vibración.................. ...................40916.-l Análisis vibratorio subsíncrono usando RTA........... ....41316.5 Espectro síncrono y armónico .....................4fSCapítulo 17, Equilibrado42117.1 Equilibrado del rotor........... .....421,17.2 Aplicación de las técnicas de equilibrado............... .......43077.3 Guia de usuario para el equilibrado multiplano ..........433Capítulo 18, Acoplamiento y alineaciones4','/18.1 Acoplamientos de engranajes................ ......43718.2 Acoplamientos de diafragmas metá1icos.................. .....44318.3 Acoplamientos de disco metálico ...............44518.4 Uprates en turbomaquinaria .......................44718.5 Alineación de ejes............. .........450Capítulo 19. Control e instrumentación4'719.1 Sistemas de control e instrumentación ......45819.2 Software de supervisión........... ....................46919.3 Costes del ciclo de vida...... ......47519.4 Medición de la temperatura................. .......48119.5 Medición de la presión.. ...........48319.6 Medición de la vibración ..........48319.7 Supervisión del sistema auxiliar...... ...........486
Capítulo 20. Pruebas de rendimiento50320.1 Introducción........... ....................50320.2 Códigos de rendimiento........... ....................50420.3 Enderezadores de flujo....... ......50520.4 Pruebas en la turbina de gas......... ...............51020.5 Turbina de gas .......51120.6 Curvas de rendimiento.............. ...................51420.7 Cálculos de rendimiento........... ...................51520.8 Cálculo del rendimiento de la turbina de gas......... ......51820.9 Pérdidas en la planta ................525Capítulo 2l . Técnicas de mantenimiento5'2721.1 Filosofía del mantenimiento.. ......................52721.2 Entrenamiento de personal ......53421.2.1Tipo de personal .............5342L.2.2 Tipos de entrenamiento................. .....53521.3 Herramientas y equipo de obra ..................53821.4 Limpieza dela turbomaquinaria ................54821.5 Mantenimiento de la sección-caliente ........55021.6 Mantenimiento del compresor.............. ......5522l.TMantenimiento de los apoyos .....................55321.8 Mantenimiento del acoplamiento............ .......................55721.9 Rejuvenecimiento de álabes usados en las turbinas ....55721.10 Reparación y rehabilitación de los fundamentos de la turbomaquinaria..........55921.11 Procedimiento de arranque con gr¿rn maquinaria .......56721.12 Problemas típicos encontrados en las turbinas de gas .....................562Anexo A, Dinámica del rotor5,69A.1 Análisis matemático................ .......................569A.2 Aplicación a las maquinarias rotativas .......580A.3 Cálculo de las velocidades críticas en los sistemas rotor rodamiento................582A.4 Sistemas y analogías electromecánicas....... ....................585

El presente libro trata sobre las turbinas de gas y los turbocompresores, dos elementos fundamentales para el desarrollo de un país o comunidad. Además de contener las bases teóricas que permiten el dominio sobre las turbinas de gas, aborda 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, la importancia de los quemadores y los combustibles, así como su efecto sobre la contaminación atmosférica.

Ventajas

Contiene información detallada sobre las bases que permiten al lector dominar las turbinas de gas.

Describe las últimas aplicaciones en generación de energía eléctrica en centrales de ciclo combinado, en su variantes y en los sistemas CHP de producción de energía eléctrica y calor simultánea a diferentes escalas, incluyendo microturbinas.

Es un buen punto de partida para iniciar los trabajos de fabricación de estos dispositivos en países que en el pasado no destacaron por su nivel tecnológico.

Conozca

Historia de las tecnologías y materiales más utilizados en este campo.

Técnicas operativas y de mantenimiento para la conservación de estos aparatos.

Efectos de las turbinas y los compresores de gas sobre la contaminación atmosférica.

Aprenda

Diferentes aplicaciones de estos aparatos, como impulsión aérea, terrestre y acuática.

Aplicaciones recientes en generación de energía eléctrica en centrales de ciclo combinado.

Realizar trabajos de fabricación de estos dispositivos.

Desarrolle sus habilidades para:

Fabricar, reparar y mantener funcionando turbinas y compresores de gas.

Ingeniería Ferroviaria