Factores que afectan al rendimiento de las turbina de gas / Factors affecting GTE performance III

Effect of Compressor Cleanliness

Another factor that will have a great effect on performance is the condition of the compressor. A clean compressor is essential to efficiency and reliability. During operation at sea, the compressor takes in a high volume of salt contaminated air. Salt build up is relatively slow in the compressor and will occur more on the stator vanes and the compressor case than on rotating parts. Centrifugal force tends to sling salt contaminants off the rotor blades.

Any oil ingested into the engine coats the compressor with a film and will rapidly increase contamination of the compressor. The film traps any dust and other foreign matter suspended in the air. The dust and dirt absorb more oil, which traps more dirt, and so forth. If left unattended, the buildup of contamination (either oil or salt) will lead to a choking of the compressor and a restricted airflow. This restricted airflow will require the main fuel to schedule more fuel to produce an equivalent horsepower. The combustion gas temperatures will rise until loss of power, and damage to the turbine may result. Contamination, if not controlled, can induce a surge condition in the compressor during engine start. It will also reduce the life of the compressor and turbine blading through corrosion of the engine parts.

Efectos de la falta de limpieza en el compresor.

Otro factor cuyo efecto puede ser grande en el rendimiento de las turbinas de gas son las condiciones del compresor. Un compresor limpio es esencial para la eficiencia y la fiabilidad. Durante la operación en el mar, en el caso de turbinas embarcadas, el compresor recoge el aire contaminado con sal. La acumulación de sal es relativamente pequeña y suele producirse en los vanos del estator y en el compresor antes que en las partes móviles. La fuerza centrífuga tiende a lanzar los restos contaminantes de sal sacándolos de los álabes.

Cualquier aceite introducido en el compresor incrementará rápidamente la contaminación en él. Esta película creada por el aceite atrapará restos de polvo y suciedad en suspensión en el aire. El polvo, a su vez, absorberá mas aceite, que atrapará más polvo, etc.

Si no se atiende a la formación de suciedad (polvo, aceite, sal), estos pueden llegar a asfixiar el compresor y reducir la cantidad de entrada de aire. La temperatura de los gases de la cámara de combustión ascenderá hasta producir pérdida de potencia produciendo  daños en la turbina. La contaminación, si no se controla, puede inducir una serie de problemas durante el arranque de la turbina. Esto reduce la vida útil del compresor de los álabes de la turbina a través de la corrosión de diferentes partes del motor.

Factores que afectan al rendimiento de una Turbina de gas / Factors affecting GTE performance

FACTORS AFFECTING ENGINE PERFORMANCE

Many factors, such as aerodynamics and thermodynamics, have a direct effect on efficient GTE performance. We will discuss only two common factors, the effect of ambient temperatures and the effect of compressor cleanliness. As a gas turbine technician, you will be concerned with these in your daily operation of the GTE.

Effect of Ambient Temperature

A standard day is indicated by the following conditions at sea level: barometric pressure—29.92 Hg, humidity (water vapor pressure)—0.00 Hg, and temperature—59°F.

Operation of engines above or below 50°F will proportionally affect engine power output by as much as 15 or 20 percent. The power and efficiency of a GTE are affected by both outside and inside variables. Air has volume that is directly affected by its temperature. As the temperature decreases, the volume of air for a given mass decreases, and its density increases. Consequently, the mass weight of the air increases, causing the engine to operate more efficiently. This happens because less energy is needed to achieve the same compression at the combustion chambers. Also, cooler air causes lower burning temperatures. The resulting temperatures extend turbine life.

For example, propulsion GTE is operating at 100 percent GG speed with 100 percent PT speed. The ambient (external air) temperature is 70°F. If the temperature were increased to 120°F, the volume of air required would increase. The mass weight would decrease. Since the amount of fuel added is limited by the inlet temperature the turbine will withstand, the mass weight flow cannot be achieved; the result is a loss of net power available for work. The plant may be able to produce only 90 to 95 percent of its rated horsepower.

FACTORES  QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO DE LA TURBINA

Muchos factores, como los  aerodinámicos y los termodinámicos tienen un efecto directo en el rendimiento de las turbinas de gas. Vamos a revisar solo dos factores, los efectos producidos por a temperatura ambiente y los efectos debidos a la limpieza del compresor.

Para cualquier técnico de turbinas estos dos factores deben ser la operación diaria en su mantenimiento.

Efectos de la Temperatura Ambiente.

El “Standard Day”, se refiere a unas condiciones especiales de prueba de las turbinas y que se usa en la Marina de los Estados Unidos. Estas condiciones son a nivel del mar:

• Presión barométrica de 29.92 mmHg.
• Humedad (presión del vapor de agua) 0.00 Hg.
• Temperatura 59 ºF.

La operación de turbinas por debajo de los 59ºF afecta a la potencia de salida en más de un 15% o 20%. La potencia de la  Turbina de Gas está afectada por variables de entrada y de salida. El volumen del aire es directamente afectado por la temperatura. Si la temperatura disminuye el volumen disminuye y su densidad aumenta. Consecuentemente, el peso de la masa de aire aumenta, causando que la turbina opere más eficientemente. Esto ocurre porque se necesita menos energía para alcanzar la misma presión en las cámaras de combustión. Esto también produce menores temperaturas en dichas cámaras. El resultado es una vida más larga de la turbina.

Por ejemplo, una turbina trabajando al 100% recibe el aire a una temperatura de 70ºF. Si ha aumentamos la temperatura a 120ºF, el volumen de aire requerido se incrementará. El peso de la masa disminuirá porque disminuyó la densidad. Puesto que la cantidad de combustible añadido está limitado por la temperatura de entrada que la turbina puede soportar, el peso de la masa de flujo no puede ser alcanzado, el resultado es una pérdida de potencia neta disponible. La planta entonces solo produce entre un 90% y un 95% de su potencia nominal.

Procesos termodinámicos en las turbinas de gas II /Thermodynamic process in GTE´s II

The heat rejection process from 4 to 1, which completes the cycle, is carried out by exhausting the hot gas and allowing it to mix with the atmosphere. In an initial simplified analysis, the compressor is taken to include the inlet nozzle and ducting and any exit diffuser leading to the combustor. Thus, for the compressor inlet condition (point 1), the air being drawn from the surroundings has zero velocity, ambient temperature, and ambient pressure. For the exit condition (point 4), the air has zero velocity at some elevated pressure and temperature that are measured. View A of figure 1-9 depicts a pressure – temperature graph for a simple GTE, while view B depicts a pressure-volume graph. The distance between adjacent numbers on each of the diagrams represents an event of the combustion cycle. A combustion cycle includes compression of air, burning of the compressed air and fuel mixture, expansion of gases, and removal of gases. By comparing the numerical points on both graphs (point 1 to 2 on views A with point 1 to 2 on view B), you can get a better understanding of the pressure-temperature-volume relationship of a simple GTE.

During operation the work produced by the compressor turbine rotor is almost the same amount as the work required by the compressor. The mass flow available to the compressor turbine is about the same as the mass flow handled by the compressor. This allows the heat of compression to be about the same value as the heat of expansion. Allowances are made for factors such as bleed air, pressure of fuel added, and heat loss to turbine parts.

As the high-temperature, high-pressure (HP) gases enter the turbine section, they expand rapidly. Relatively little change in the temperature of the gases occurs. The net power available from the turbine is the difference between the turbine developed power and the power required to operate the compressor.

El proceso de rechazo de calor en la fase 3-4, que completa el ciclo, se produce gracias a la exhaustación de los gases calientes permitiendo que se mezclen con la atmósfera. En un análisis inicial simplificado, el compresor es donde se alojaran  la boquilla de entrada y las de salida a la cámara de combustión. De este modo las condiciones de entrada del  aire al compresor (punto 1), son velocidad 0, temperatura ambiente y presión ambiente. Y para la salida (punto 4) la velocidad es 0 con una elevada presión y temperatura.

La distancia entre los números adyacentes en cada diagrama representa el ciclo de combustión. Una combustión incluye, compresión de  aire, quemado/encendido de la mezcla de aire comprimido y fuel, expansión de los gases y extracción de estos. Si comparamos los puntos en ambos gráficos (puntos 1-2 en el gráfico A y el punto 1-2 en el gráfico B), se podrá entender mejor la relación entre la presión – temperatura y volumen en un ciclo de una turbina de gas simple.

Durante la operación el trabajo producido por el rotor de la turbina del compresor es casi el mismo que el requerido por el compresor. El flujo de masa disponible para el compresor de la turbina es casi el mismo que el flujo de masa manejado por el compresor. Esto permite el calentamiento en la compresión casi al mismo valor que en la expansión. Las prestaciones se producen gracias a factores como aire deshumidificado, presión añadida del fuel y el calor perdido en las partes de la  turbina.

Como los gases a  alta temperatura y la alta presión (HP) entran en la turbina del compresor, se expanden rápidamente. El cambio en la temperatura de los gases es relativamente pequeño. La potencia neta disponible en la turbina es la diferencia entre la potencia que ofrece esta y la requerida por el compresor.

Procesos termodinámicos en la turbina de gas / Thermodynamics process in GTE´s

As we know these process havae 2 adiabtic cycles.

In an adiabatic stage change, no transfer of heat to or from the system occurs during the process. Theoretically, in the ideal GTE, the air enters the compressor and is compressed adiabatically. In many real processes, adiabatic changes can occur when the process is performed rapidly. Since heat transfer is relatively slow, any rapidly performed process can approach an adiabatic state. Compression and expansion of working fluids are often achieved almost adiabatically.  This is the case in today’s GTEs. The Figure above is a schematic representation of a stationary simple GTE. It uses two graphs to show the pressure-temperature-volume relationships at various process states. The major components of the GTE are the compressor for the process from 1 to 2, the combustor for the process from 2 to 3, and the turbine for the process from 3 to 4.

En un estado adiabático, no hay transferencia de calor desde o hacia el sistema durante el proceso. Teóricamente, en  una turbina de Gas Ideal, el air5e entra en el compresor y es comprimido adiabáticamente. En muchos procesos reales, los cambios adiabáticos pueden ocurrir cuando el proceso es ejecutado rápidamente. Como la transferencia de calor es relativamente lenta, ningún proceso ejecutado rápidamente  puede aproximarse a un estado adiabático. La compresión y expansión de los fluidos de trabajo, a menudo, consiguen alcanzar un estado adiabático. Este el caso de las turbinas de gas actuales. En la figura de arriba, podemos ver de maneara esquemática la representación de las etapas de un turbina de gas simple. En este caso usamos dos gráficos para representar la relación de varios procesos en cuanto a presión – temperatura – volumen. El componente principal para el proceso 1-2 es el compresor,  para el 2-3 el combustor (cámara de combustión) y la turbina para el 3-4.