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ANALISIS GENERAL DEL COMPORTAMIENTO DE LAS TURBINAS A GAS

DETERIORO

PERDIDA DE EFICIENCIA

BOMBEO (“SURGING”)

1.- INTRODUCCION

Aún bajo condiciones normales de operación, con un buen sistema de filtrado y empleando gas, que de por si es un combustible limpio, los componentes por los cuales circula el flujo de aire y gas se ensucian, se erosionan, se corroen, se oxidan, etc. El resultado de estos ataques es el deterioro de la performance de la máquina, que con el avance el tiempo en operación se torna peor. Generalizando los tipos de deterioros pueden resumirse en: 1.- Deterioro recuperable con lavado/limpieza: se encuentra en los comienzos de la operación con el equipo sin desgastes. 2.- Deterioro recuperable con cambio de elementos: se produce en las etapas más tempranas del servicio. 3.- Deterioro permanente: cuando cambiando ciertos elementos sólo se recupera parcialmente el rendimiento, este fenómeno sucede con el transcurso del tiempo. Nos ocuparemos más detenidamente del último caso ya que es el aplicable a nuestros equipos. Deterioro permanente del comportamiento.

Durante el mantenimiento preventivo los componentes deben ser cuidadosamente limpiados, las partes deterioradas tales como álabes móviles y fijos (diafragmas) deben ser reemplazadas o reparadas, con estas tareas se pretende restaurar las tolerancias a las condiciones originales (equipo como nuevo).

Después de un programa de tareas efectuado de tal manera se espera que las condiciones de performance retornen a sus valores originales; sin embargo se presenta generalmente el caso en que la performance de la máquina no se recupera en su totalidad. Esto se debe a las distorsiones y desgastes que se

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producen en la carcasa que originan excesiva excentricidad y al deterioro de los encastres de los diafragmas que ocasionan fugas y roces.

La distorsión de la carcasa tiende a empeorar con el transcurso del tiempo, ya que se cambian elementos pero no se corrigen las distorsiones y desgaste de la carcasa.

Por lo tanto para una restauración completa del rendimiento deben restaurarse todos los elementos, incluida la carcasa, a los valores originales.

1.1.- COMPRESOR Según datos estadísticos, de turbinas a gas en general, deterioros (también puede ser un ensuciamiento) que provoquen un 5% de reducción del caudal reducirán el rendimiento en alrededor del 1,8%. El deterioro de la potencia será de un 7% y el consumo específico aumentará en un 2,5%. Los deterioros y desgastes pueden producirse en la válvula mariposa de sangría, en las juntas, en el diafragma guía de entrada, por roces en los sellos y desgaste en los álabes móviles y fijos. Mecanismo de falla de los componentes del compresor

Discos: desgaste en el encastre de los álabes. Corrosión acuosa y corrosión por oxidación.

Sellos: desgaste por roces.

Diafragmas (álabes fijos): desgaste por erosión y deformación. Debido a las deformaciones se hace necesario rebajar a piedra los sellos ("pelos") a los que ya se les había dado por maquinado la luz correspondiente con respecto al rotor.

Alabes móviles: desgaste del perfil por erosión y roces.

Carcasa: desgaste en el encastre de los diafragmas.

Comportamiento del compresor: el sistema de control está diseñado para evitar que el compresor entre en "bombeo", lo que puede producir daños graves por roces, empuje axial, sobretemperatura, etc. Sin embargo cuando el compresor se encuentra deteriorado se torna más sensible a este fenómeno. La inyección de vapor vuelve aún mas sensible al compresor para que se produzca "bombeo". Ningún compresor ve afectada tanto su eficiencia por pequeños cambios en su geometría como el compresor axial.

1.2.- SISTEMA DE COMBUSTION Y TURBINA (PARTES CALIENTES)

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El sistema de combustión no suele afectar en mayor grado a la performance del equipo, salvo que por mala combustión se produzcan depósitos de carbón sobre los orificios de salida del gas, lo importante es que las toberas inyectoras de gas no produzcan desvíos de temperatura entre sí ya que si esto sucede se producen cambios en el perfil de distribución del calor y esto puede ocasionar una deformación temporaria o permanente de los componentes ubicados aguas abajo (diafragmas y guías) lo cual a su turno provoca un menor rendimiento. Las deformaciones de la carcasa de la turbina se incrementan con el tiempo y provocan pérdidas en las juntas horizontal y vertical lo que produce problemas de alineación y pérdida de rendimiento. 1.3.- Mecanismo de falla de los componentes de la Turbina

Discos portaálabes: desgaste en el alojamiento de los álabes, desgaste en el dentado de acople de los discos y fisuras por fatiga.

Diafragmas (álabes fijos): envejecimiento, roces, sulfidización, sobrecalentamiento y deformación. Debido a las deformaciones se hace necesario rebajar a piedra los sellos ("pelos") a los que ya se les había dado por maquinado la luz correspondiente con respecto al rotor.

Alabes móviles: envejecimiento, creep, sulfidización, roces y sobrecalentamiento.

Tensores del rotor: deformación.

Carcasa: pérdidas por las juntas y deformaciones que producen excentricidad excesiva.

2.- CARACTERISTICAS DISTINTIVAS DE LAS TURBINAS DE GAS Tres características significativas distinguen a las turbinas de gas con respecto a las turbomáquinas tradicionales 2.1.- Los rotores de las turbinas de gas están construidos por 16 discos en el compresor y 5 discos en la turbina fijados axialmente. El rotor es hueco, y en el lado turbina las 5 ruedas unidas por medio de un dentado de perfil "Gleason" van fijadas entre si por medio de tensores. Como consecuencia estos rotores son mucho más flexibles que los rotores de otras turbomáquinas tradicionales (turbinas a vapor, compresores centrífugos, etc.). Además esta mayor flexibilidad se combina con el hecho de que la combustión se produce en una zona muy cercana al rotor. Durante el arranque de las turbinas a gas, en muchos casos, los primeros 45 minutos a una hora de operación pueden presentar un incremento significativo de las vibraciones o una disminución de similar magnitud. Este fenómeno se denomina "estado térmico transitorio" y está provocado por la distorsión que

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surge de la combinación de dos factores: el calor de combustión y el aire proveniente del compresor para enfriar la turbina a través del rotor hueco. La distorsión provoca desajustes entre los componentes de la turbina lo que resulta en rozamientos y flexiones en el eje. Cuánto mayor sea el juego en los ajustes de los distintos componentes, tales como: discos, álabes y tensores, de mayor significación será la deformación del rotor. El juego se incrementa con el transcurso del tiempo. 2.2.- Los rotores operan sobre su 2ª velocidad crítica. Esto puede ocasionar problemas en la corrección del balanceo. En ciertas oportunidades debe efectuarse una corrección mediante el balanceo "in situ". 2.3.- Los rotores de las turbinas a gas son pesados con en relación a la estructura de sus soportes , por lo tanto estos se comportan como soportes flexibles. Esta flexibilidad combinada con la elevada temperatura de los gases de escape provoca un crecimiento térmico significativo, y una deformación en la caja de cojinetes, ya que el crecimiento térmico de los soportes tangenciales (rayos) tiende a girar al cojinete en el sentido de las agujas del reloj (mirando desde la turbina de arranque) mientras que el rotor gira en sentido contrario, este movimiento distorsiona en mayor o menor grado la línea de centros del cojinete y del eje. 3.- CONCLUSION Por lo expuesto puede considerarse a las turbinas a gas como máquinas complejas que son muy sensibles a los desgastes y deformaciones. A esto contribuyen la operación continua bajo carga (una turbina de gas a diferencia de una turbina de vapor siempre tiene carga ya que debe entregar energía continuamente a su compresor), los rotores flexibles, los soportes poco rígidos, el diseño de la carcasa y las tensiones térmicas. La combinación de estos elementos las hacen diferentes al resto de las máquinas rotantes. Ing. Luis Angel García

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TURBINA A GAS

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CONTROL DIMENSIONAL DE LUCES EN COMPRESOR AXIALY TURBINA

VISTA LADO TURBINA

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PARTE INFERIOR DE UNA TURINA DE GAS VISTA DESDE EL LADO TURBINA

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ROTOR COMPLETO SOBRE BALANCEADORA

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CARCASA COMPRESOR AXIAL CON LOS DIAFRAGMAS (ALABES ESTATORICOS) MONTADOS

DIAFRAGMAS (ALABES FIJOS O ROTORICOS)

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MONTAJE DIAFRAGMA DE TURBINA EN CARCASA

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ROTOR LADO TURBINA – SE OBSERVAN LOS CINCO RODETES Y LOS TENSORES

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