1. Turbinas a Gasaplicadas a la propulsin navalEnrique Emilio Massi Ing. MecnicoDepartamento de Ingeniera NavalUniversidad Tecnolgica NacionalF.R.B.A.Repblica Argentina 2006

2. PresentacinEste trabajo es una recopilacin de informacin cuidadosamente seleccionada sobre el temacon el objetivo de reunir los tpicos inherentes a la propulsin naval y otros aspectos a teneren cuenta para el diseo, reparaciones o adquisicin eventual de equipos. En cuanto al desarrollo terico se prefiri puntualizar solamente sobre el tratamiento delrendimiento de equipos para poder tener idea de las variaciones de parmetros en los anlisispreliminares, ya que el tema puede encontrarse a distintos niveles de desarrollo en la extensabibliografa existente. Hacia el final se han listado una serie de definiciones y conceptos que aparecenhabitualmente en las licitaciones para solicitud de cotizacin para la adquisicin de stosequipos. Por ultimo es necesario aclarar que el presente es un trabajo de investigacin sobre el tema ylo que se pretende lograr con el mismo es establecer una gua de referencia sobre los tems aprofundizar en el estudio del tema.Si el contenido de este artculo, aunque ms no sea en un fragmento, logra satisfacer lasinquietudes de aquellos que lo hayan ledo, ser para m el premio al esfuerzo realizado coneste humilde aporte.Enrique Emilio MassiSeptiembre 2006AgradecimientosAl Ingeniero Don Jos Zagheni, quien me alent a realizar el trabajo.Al Sr. Juan Pablo Molinari, quien me asisti incondicionalmente en la digitalizacin ydepuracin de los archivos consultados en forma permanente.A los Sres. Jorge M. Pezzuto y Pablo A. Carrasco del Estudio ULTRAMODEL, quienesgentil y desinteresadamente me facilitaron la informacin grfica presentada y aclararonalgunas dudas.2 3. ndiceAntecedentes histricos 4Introduccin5Ciclos utilizados 5Procesos en las turbinas a gas7 Turbina a gas con combustin a volumen constante11 Mejoras en la cogeneracin13 Inyeccin de vapor en turbinas a gas15Las propulsiones modernas15 Concepcin de la planta propulsora17 Configuraciones de potencia con motores Diesel y turbinas 18CODAD18COGOG18COGAG19CODOG20CODAG22CODAG WARP 24 Configuraciones de potencia con motores elctricos y turbinas 26CODLAG 26FEP27 Conclusiones28Turbina de gas General Electric LM 250029Algunas consideraciones a tener en cuenta para el diseo de turbinas a gas 32Bibliografa y fuentes de informacin393 4. Turbinas a GasAntecedentes histricosEn una turbina a gas, el fluido motor incluye los productos de la combustin o bien aire y un gascalentado a una temperatura inicial elevada y a presin adecuada. Dicho gas motor se expansiona en laparte activa de la turbina y la energa calrica se transforma en energa cintica y sta a su vez setransforma en energa mecnica de rotacin del rotor de la turbina.Estas turbinas son motores de gran velocidad y volumen reducido, la combustin se realiza en unacmara contigua a la turbina y la mezcla de aire y gases de combustin, que es llevada a unatemperatura suficientemente elevada, atraviesa la turbina produciendo trabajo. En general es un motormuy econmico.La mayor parte de las turbinas a gas modernas queman combustibles lquidos pero existeninstalaciones que consumen combustible gaseoso, en particular gas natural, gas de gasgeno o gascombustible proveniente de la gasificacin subterrnea de combustibles slidos.La necesidad de realizar un motor de estas caractersticas apareci en la poca del desarrollo de la granindustria.En 1897 la flota de guerra de la marina sovitica le encomend al ingeniero mecnico P. Kouzminskiel desarrollo de su proyecto para utilizarlo como modelo experimental de propulsin. El artefacto encuestin posea una cmara de combustin a la cual se mandaban petrleo y aire a presin y la turbinapropiamente dicha. La cmara de combustin estaba constituida por un tubo interior de aleacinrefractaria una envoltura exterior de acero, entre los tubos se encontraba un serpentn que era recorridopor agua a presin (50 bar) para enfriar las paredes de la cmara y el vapor producido en este serpentnse enviaba a la cmara de combustin junto con el petrleo. La mezcla gas-vapor formada en lacmara de combustin que se encontraba a unos 10 bar era introducida en la turbina. En la cmara decombustin, la transformacin se realizaba a la presin constante del combustible y del aire admitido.Este tipo de cmaras se denominan de presin constante, cuyo principio es aplicado a casi todas lasturbinas modernas. Fig. 1 Turbina de Kouzminsky1- labes motrices, 2- Serpentn de agua de refrigeracin de la cmara de combustin, 3- Cmara de combustin, 4- Admisin de aire, 5- Admisin de combustible 4 5. IntroduccinSon las ms recientes. Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayoexitoso es solo de 1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza combustin dentro dela mquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustin (de all su nombre).Si bien la turbina a gas es un motor de combustin interna y su ciclo tiene puntos en comn con losciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) demquina de funcionamiento continuo. Es decir, en rgimen permanente cada elemento de ella est encondicin estable.Ciclo Utilizado:El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura 2 en un diagramap-V y en la figura 3 en uno T-S.:Fig.2En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 segn una adiabtica (idealmente sin roce,normalmente una politrpica con roce).Luego el aire comprimido se introduce a una cmara de combustin. All se le agrega una ciertacantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustin se realiza la evolucin 2-3.Tpicamente esta es isobrica (o casi isobrica, pues se pierde un poco de presin por roce). Como a lacmara de combustin entra tanto fluido como el que sale, la presin casi no vara. La temperatura T3es una temperatura crtica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo. Adems tambin es lamayor presin. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 sern los ms solicitados.Fig.35 6. A continuacin viene la expansin de los gases hasta la presin ambiente. Esta expansin la debemosdividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3) el trabajo de expansin se recupera en una turbina quesirve para accionar el compresor (la turbina entrega en el eje 1/3 de lo que produce como energamecnica disponible el resto, es decir los 2/3 restantes se emplean para accionar el compresor). En lasegunda fase (de 3 a 4) existen dos opciones:Si entre 3 y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansin se convierte en trabajo mecnico. Se tratade un turbopropulsor o lo que comnmente se llama turbina a gas.Si entre 3 y 4 se sigue con la expansin de los gases en una tobera, el trabajo de expansin seconvierte en energa cintica en los gases. Esta energa cintica sirve para impulsar el motor. Se tratade un turborreactor o lo que comnmente se llama un motor a reaccin.Finalmente los gases de combustin se evacuan a la atmsfera en 4. La evolucin 4-1 es virtual ycorresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente.Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, tambin es posible realizarlo como ciclocerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aportacalor externo y entre 4 y 1 se le extrae. Tambin es posible realizarlo sin combustin interna, haciendoun aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera segn unciclo Brayton.Diagrama de Bloques:A continuacin veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques. Loscomponentes principales de la mquina son:Alternativa 1Fig. 4Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolucin 1 - 2).Este proceso se puede suponer adiabtico. Idealmente es sin roce, pero en general es politrpica conroce.Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cmara de combustin. All se le agrega una cierta cantidadde combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T3. Lacombustin es prcticamente isobrica (evolucin 2 - 3).A continuacin los gases calientes y a alta presin se expanden en la turbina T1. Esta turbina accionael turbocompresor por medio de un eje. La expansin en la turbina es hasta las condiciones 3.Idealmente es expansin adiabtica sin roce, pero en general es politrpica con roce (evolucin 3 - 3).Luego los gases de escape se siguen expandiendo a travs de una segunda turbina de potencia hastaalcanzar la presin ambiente (p4, evolucin 3 - 4).Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior.6 7. Tpicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hlice en el caso deaviones con turbopropulsor o aspas en un helicptero).Alternativa 2Fig. 5Este caso es similar al anterior hasta el punto 3. La diferencia estriba en que de all en adelante, lasegunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presin de los gases de escape en 3 esconvertido en energa cintica. Los gases salen a C4.Es decir, el trabajo de expansin se convierte en energa cintica y los gases salen del motor a granvelocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de accin y reaccin.El caso se ilustra en la figura, la que representa un turborreactor de flujo simple. Esto quiere decir quetodo el aire pasa por la cmara de combustin y turbina.Procesos en las turbinas a gasEl principio de funcionamiento de las turbinas a gas es el mismo que en las de vapor, pero la estructuraen la parte de circulacin en las de vapor es mucho mas sencilla ya que estas trabajan con unavariacin de entalpa disponible relativamente pequea por lo que necesitan pocas etapas. Encondiciones reales, todos los procesos de una instalacin de turbinas a gas son irreversibles y estncondicionados por las prdidas de trabajo en el compresor y la turbina y la prdida de presin en losconductos de circulacin de fluidos dentro de la instalacin.Fig. 6Se considera que el caudal o gasto del fluido motor en los conductos es constante en cualquier puntodel mismo y tomando cuenta de las prdidas anteriormente citadas se construye el ciclo real donde lacompresin se realiza segn la transformacin 1-2 y la expansin en la turbina segn la 3-4, los puntos2 y 4 corresponden a los valores finales de la compresin y expansin isentrpicas (si el procesofuera perfecto) y el punto 0 que corresponde a los parmetros del medio ambiente.7 8. La prdida de presin en los conductos de aspiracin se manifiesta en la transformacin 0-1 mientrasque la compresin comienza en 1.En el ciclo simple, los productos de la combustin se expanden adiabticamente con lo que sutemperatura baja hasta T4, mientras que la presin baja hasta la atmosfrica. Toda la diferencia depresin p3 - p1 se consume para obtener el trabajo tcnico en la turbina ltec y la mayor parte de estetrabajo se consume para accionar el compresor lk ; la diferencia es la que se emplea para producirenerga en el eje y representa el trabajo til del ciclo.Fig. 7El trabajo til del ciclo esta indicado por el rea 1234 que resulta de la diferencia entre el trabajotcnico obtenido en la turbina 8237 (calor transformado en trabajo Q1) y el trabajo suministrado alcompresor 8147 (calor evacuado Q2).El rendimiento de un ciclo ideal de la instalacin se expresa:Una de las caractersticas fundamentales del ciclo para sta instalacin es el grado de aumento depresin en el compresor que es igual a la razn entre la presin del aire delante del compresor (p1) ydespus del compresor (p2).Expresando la relacin entre temperaturas de la ecuacin anterior mediante el grado de aumento depresin = p2 / p1 desde la ecuacin de la adiabtica: T1 / T2 = (p1 / p2) (k 1) / k = 1 / (k 1) / k T4/T1 = (T4/T3) (T3/T2) (T2/T1) = (p4/p3) (k 1) / k * (T3/T2) (p2/p1) (k 1) / kcomo p4 = p1 y p3 = p2 , entonces ser (T4/T1) = (T3/T2) por lo tanto: = 1 1 / (k 1) / kCuando k = 1,33, la frmula da los siguientes valores para diferentes magnitudes de : 2 34 5 6 7 8 10 16 2429 333638,540,5 43,5 % 8 9. El rendimiento de un ciclo ideal crece ininterrumpidamente con el aumento de y esto esta vinculado con el aumento de la temperatura al final del proceso de compresin (T2) y respectivamente de los gases delante de la turbina (T3). En el diagrama anterior puede observarse que el ciclo 1234 para el cual es mayor, es ms econmico que el ciclo 1234 puesto que en la evolucin 23 se suministra mayor cantidad de calor q1 que por la 2-3, siendo invariable la cantidad de calor q2 evacuado en el curso del proceso 4-1. La causa de este fenmeno reside en que con el aumento de T3 crece la exerga del fluido motor delante de la turbina e3 = cp (T3 T0) T0 (s3 s0) es decir que se reduce la prdida de exerga durante la combustin puesto que la exergia inicial del carburante es cte (es igual al calor de su combustin) y esto es lo que hace aumentar el rendimiento del ciclo. La temperatura mxima de los gases delante de la turbina esta limitada por la resistencia mecnica a altas temperaturas del material que se emplea para fabricar los componentes principales (aviacin: 1100-1200C; estacionarios: 750-800C) por ello es necesario bajar la temperatura de combustin por medio del suministro de una cantidad en exceso de aire con lo cual, consecuentemente se aumentan las prdidas exrgicas durante la combustin que pueden llegar hasta un 40%. Los productos de la combustin al salir de la turbina tienen una temperatura mas alta que la de el aire suministrado a la cmara de combustin mediante el compresor, esto permite que se mejore el rendimiento del ciclo perfeccionando el trabajo de la instalacin, aprovechando el calor de los gases salientes para precalentar el aire antes de su ingreso a la cmara de combustin. De esta manera se obtiene un ciclo con regeneracin a expensas de la disminucin de la temperatura de los gases salientes.Fig. 8 El ciclo con regeneracin se diferencia del ciclo simple en los procesos de recalentamiento del aire en el regenerador 2-5 a expensas del enfriamiento de los gases salientes 4-6. En el caso de regeneracin total (terico) T2 = T6 y T5 = T4, con lo cual se cumple T4 T6 = T5 T2. La cantidad de calor suministrada en el ciclo a partir de una fuente exterior vale:q1 = cp (T3 T5)mientras que la cantidad de calor entregada a la fuente fra (medio ambiente) es:q2 = cp (T6 T1)en consecuencia, el rendimiento del ciclo con regeneracin total es:9 10. reg = 1 q2 / q1 = 1 (T6 T1)/(T3 T5) reg = 1 (T2 T1)/(T3 T4)Para los fenmenos adiabticos de compresin y expansin puede escribirse:T2 = T1 (p2/p1)1/kT3 = T4 (p3/p4)1/kAceptando adems que: p2/p1 = p3/p4 la expresin del rendimiento se reduce a: reg = 1 (T1 / T4)Esta expresin nos indica que cuanto ms baja sea la temperatura delante del compresor (T1) y cuantoms alta sea la temperatura de los gases salientes, tanto mas alto ser el rendimiento del ciclo conregeneracin total.En los intercambiadores de calor reales, por tener dimensiones finitas y otras condiciones fsicas, nopuede realizarse el intercambio trmico total y en la instalacin real, el aire slo se recalentara hasta latemperatura T5 mientras que los gases salientes pasando por el mismo intercambiador se enfriaranhasta T6 que es mayor que T6. Como consecuencia de todo esto, el rendimiento del ciclo real resultamenor.El gas motor despus de haber sido comprimido y calentado ingresa a la turbina donde se expansiona ytransforma su energa trmica en mecnica. El rotor de la turbina puede tener un solo escaln o varios.Las turbinas a gas pueden ser de accin si la expansin del gas se efecta solamente en el aparatodirector (toberas) o de reaccin en el caso de que se expansione en el aparato director y adems en loslabes motrices. En ciertos casos un escalonamiento de accin posee dos o tres filas de labes motricesque constituyen los escalones de velocidad. El gas se expansiona en el primer aparato director ydespus transforma su energa cintica en mecnica sucesivamente en cada uno de los escalones develocidad.Se escoge el tipo de turbina en funcin de su uso, condiciones de trabajo y potencia necesaria. Losgases de escape que salen de la turbina pueden ser llevados al recuperador de calor o bien serevacuados directamente a la atmsfera en las instalaciones mas sencillas y/o menos econmicas.En el grafico siguiente se representan las distintas variables del ciclo en funcin de la relacin depresiones para temperaturas determinadas de aire a la entrada del compresor y de los gases a la entradade la turbina.Fig. 9 Variacin de las caractersticas de funcionamiento de una instalacin de turbina de gas10 11. De las curvas surge que la potencia mxima til de la instalacin (Ht t Hc/ c) no concuerda conel rendimiento mximo inst , es decir que si se quiere obtener el mayor rendimiento absoluto internoes preciso adoptar una relacin de presiones distinta a la que antes ha dado en rendimiento mximo. Lacompresin ptima correspondiente al rendimiento mximo de la instalacin y es algo superior a lacompresin que corresponde a la mxima potencia til.La temperatura de los gases a la entrada de la turbina tiene una gran influencia sobre el rendimiento dela instalacin. Igual ocurre con los rendimientos de la turbina y el compresor.El aumento del rendimiento interno relativo de la turbina y del compresor tiene como objetivoprincipal aumentar el rendimiento total de la instalacin y aumentar el valor ptimo de la compresin.En instalaciones modernas dichos rendimientos oscilan entre 86 % y 92 % para la turbina y elcompresor.La compresin ptima, coma se dijo, depende ante todo de la temperatura de los gases a la entrada dela turbina.Los ciclos pueden acercarse considerablemente al de Carnot si se consigue que tanto la compresin enel compresor y la expansin en la turbina sean casi isotrmicas y al mismo tiempo se utiliza al mximoel calor de los gases que han trabajado en la turbina para calentar el aire a la salida del compresor yrecuperar as ese calor.El enfriamiento del aire antes de ser admitido por el compresor tiene gran importancia en la mejora delrendimiento, incluso un dbil enfriamiento del aire exterior aspirado por el compresor reduce suvolumen especfico y aumenta su densidad con lo cual aumenta la energa necesaria para lacompresin. Es por ello que las turbinas a gas tienen mejor rendimiento cuando hace mas fro en elexterior. Fig. 10 Variacin de las caractersticas de funcionamiento De una instalacin de turbina a gasTurbinas a gas de combustin a volumen constanteLa combustin se realiza a volumen constante y dentro de la cmara se produce un fuerte aumento dela presin. Estas instalaciones utilizan el ciclo trmico de Humphrey.11 12. Esquema de la instalacinFig. 11 1- Depsito de combustible; 2- Bomba de inyeccin de combustible; 3- Vlvula de admisin de Combustible; 4- Vlvula de admisin de aire; 5- Cmara de combustin; 6- Vlvula de escape de gases; 7- Turbina; 8- CompresorLa cmara de combustin 5 contiene tres vlvulas, el aire que ha sido comprimido entra a la cmarapor la vlvula 4. Cuando la cmara est cargada, la vlvula se cierra y la bomba 2 inyecta una ciertacantidad de combustible procedente del depsito 1 por la vlvula 3 (el combustible puede ser gaseosoo lquido) que una vez concluida la operacin se cierran La mezcla combustible formada en la cmarase inflama mediante una chispa elctrica. La combustin se realiza a volumen constante porque lavlvula 6 permanece cerrada. La presin interior de la cmara aumenta considerablemente en muypoco tiempo y el proceso concluye al abrirse la vlvula 6 permitiendo que los gases circulen hacia lastoberas de admisin de la turbina. La presin disminuye rpidamente en la cmara de combustin conlo que la presin a la entrada del aparato director de la turbina es variable. En un cierto instante de ladisminucin de presin de la cmara de combustin se abre nuevamente la vlvula 4 y la cmara decombustin es barrida por el aire que luego de salir de la cmara 5 recorre la turbina refrigerando susrganos motores (labes y discos). Seguidamente se cierra la vlvula 6, se inyecta una nueva cantidadde combustible y el ciclo de funcionamiento se va repitiendo. Fig. 12 Ciclo de una turbina a gas a v=cte12 13. La circulacin de los gases por fuera de la cmara de combustin se realiza a presin variablehaciendo que la velocidad en el aparato director tambin sea variable, lo que va en perjuicio delrendimiento de la turbina.Rendimiento del ciclo: = 1 (Q2 / Q1)Q2 = cp (T4 T1)prdida de calor en los gases de escapeQ1 = cv (T3 T2)calor aportado por la combustinSiendo: = p2 / p1yv = p3 / p2con = T3 / T1queda:(k 1) / k1/ v = /Por otra parte: siendo m = (k 1) / k(T4/T1) = (T2/T1) (T3/T2) (T4/T3) = (p2/p1) m (p3/p2) (p1/p3)m - 1 = (m/ )m 1Resulta entonces:mm1 t = 1 k [( / ) 1 ] / - mEl rendimiento trmico de este ciclo aumenta con la relacin de compresin , este aumento esparticularmente rpido cuando es dbil y al aumentar dicha relacin el rendimiento trmico del cicloHumphrey se acerca al de Carnot.Mejoras en la cogeneracinLa cogeneracin es reconocida en prcticamente todos los sectores industriales como una tecnologaconfiable, eficiente y rentable para sus procesos y por lo tanto se hace ms necesario utilizar todos losmedios a nuestro alcance para aumentar la eficiencia.Esto quiere decir que la planta de cogeneracin ha de suministrar todo el calor necesario para elproceso en el menor nivel entlpico posible.Se aconseja en algunos casos cambiar las condiciones del proceso.Una vez dimensionada la planta y seleccionados adecuadamente los equipos principales, hay queoptimizar el diseo. Esto que antes tena menos relevancia, est adquiriendo una importancia muchomayor, siendo la clave en algunos casos para el xito econmico del proyecto. La optimizacin deldiseo tiene dos aspectos diferentes: por una parte la introduccin de elementos que aumentan elrendimiento de la planta y, por otra, los que le dan ms flexibilidad, aunque en algunos casos elelemento en cuestin produce los dos efectos. 13 14. Para aumentar la flexibilidad de la planta, tenemos los acumuladores de vapor, condensadores devapor e inyeccin de vapor.En este caso nos referiremos a la utilizacin de sistemas de condensacin de vapor (tanto con airecomo con agua) y a la inyeccin de vapor en la turbina a gas. Estos sistemas han adquirido granimportancia, ya que permiten variar la relacin calor/potencia producida, y esto, puede representar unaforma de mejorar los costos de explotacin de una forma considerable en cuanto al consumo decombustible.Condensacin de vaporEn plantas de ciclo combinado es ms econmico normalmente disponer de un sistema decondensacin del vapor para los excedentes de calor en caldera de recuperacin, que tirar calor por unachimenea by-pass, puesto que se produce una cierta cantidad de energa (15 a 30% del calordependiendo de la presin de condensacin). Los sistemas de by-pass tienen la desventaja adicional deproducir ms prdidas de calor permanentes en la caldera, del orden del 1al 2 %. Adems con unsistema de condensacin no se tira agua de buena calidad, como ocurre en el caso de ventear vapordirectamente a la atmsfera.Descripcin del sistemaExisten dos posibilidades: condensacin a presin y condensacin a vaco.La condensacin a presin consiste en condensar vapor de contrapresin de una turbina a vapor. Estose realiza as en el caso de disponer de excedentes ocasionales de vapor, como en el caso de plantas depapel, donde hay variaciones bruscas en la demanda de vapor por roturas de papel.En el caso de excedente permanente de calor es ms rentable condensar a vaco, puesto que elrendimiento es mucho mayor, del orden del doble. En este caso hay que mantener un mnimo decaudal a condensacin (del orden del 10% del mximo) para asegurar la refrigeracin del cuerpoposterior de turbina.En el caso normal de turbina sobredimensionada, al aumentar la carga de la turbina, por aumento delcaudal de contrapresin, aumenta tambin el rendimiento de la misma.Fig. 13 Esquema de una instalacin de turbina a gas con recuperador de calor 1- Cmara de combustin; 2- Turbina a gas; 3- Recuperador de calor; 4- Compresor de aire.14 15. Inyeccin de vapor en turbinas a gasDescripcinLas turbinas a gas pueden admitir en la mayora de los casos inyeccin de agua o vapor. Esto tiene dosefectos principales: aumenta la potencia y disminuye las emisiones de NOx. Adems de estos efectosbeneficiosos, tiene otros efectos no deseados, a saber, aumenta las emisiones de CO y aumenta loscostos de mantenimiento.En cualquier caso es normalmente ms interesante la inyeccin de vapor, si se dispone del mismo, concalidad y presin suficiente (se requiere una presin parecida a la del combustible). El vapor puedeinyectarse en la cmara de combustin (junto con el combustible o separadamente del mismo), en laltima parte del compresor o en la turbina de potencia. Cuando el objetivo perseguido es sobre todobajar el nivel de NOx, el vapor se inyecta en la cmara de combustin. La tendencia en cualquier casoes no inyectar en la turbina de potencia, puesto que puede producir deterioro prematuro de la turbina.La inyeccin requiere una serie de precauciones relativas a la calidad del vapor, tanto para aseguraruna mnima presencia de sales (con requisitos parecidos a las turbinas de vapor), como para asegurarun nivel mnimo de sobrecalentamiento, y ausencia total de gotas lquidas arrastradas. Es muy aconsejable mantener la inyeccin funcionando continuamente, aunque sea al mnimo, de locontrario existe el riesgo de condensaciones que no se drenan adecuadamente y que son arrastradas alarrancar la inyeccin.Rentabilidad de la inyeccinCuando se inyecta vapor, aumenta la potencia y tambin el rendimiento de la turbina a gas. Estavariacin depende de la temperatura ambiente adems de la turbina a gas y sistema de inyeccin. Enuna turbina de 22 MW, la potencia aumenta unos 2,5 MW a 15C inyectando unos 3 Kg./s de vapor yen una turbina de 40 MW la potencia aumenta unos 5,2 MW inyectando 6,7 Kg./s.En todo caso al aumentar la potencia, aumenta tambin el consumo de combustible. Por supuesto, alinyectar vapor en la turbina, ste se tira a la atmsfera a travs de la turbina y se producen otros dosefectos: aumenta la produccin de la caldera y el consumo de agua desmineralizada para reponer elvapor tirado.De todo lo anterior, puede deducirse que se ha de disear una instalacin de cogeneracin con laflexibilidad suficiente para poder adaptar sus condiciones de funcionamiento a la demanda de energa.Las propulsiones modernas Las aplicaciones de la turbina a gas en la propulsin de navos comerciales son poco numerosas,debido fundamentalmente a dos situaciones:La primera es que la turbina marina debe estar provista de un elemento de marcha atrs que, cuandoest inutilizado en funcionamiento normal, produce prdidas por ventilacin; en la turbina a vaporestas prdidas son pequeas, pues los elementos de marcha atrs giran en un espacio donde reina lapresin del condensador, es decir, prcticamente el vaco; sin embargo no ocurre lo mismo en losgrupos a gas donde estas prdidas son sensibles, ya que las aletas estn, cuando menos, a la presinatmosfrica. No obstante, en algunos casos se puede evitar este inconveniente utilizando hlices depalas orientables.La segunda caracterstica consiste en que la inercia trmica de una turbina a gas de disposicin clsicaes grande, sobre todo cuando la instalacin tiene dos lneas de ejes. En estas condiciones, se facilita laadaptacin del generador de pistones libres, pues este aparato posee una inercia calorfica ymecnica pequea, anloga a la del motor Diesel, y la inercia del turbogrupo a gas que mueve esidntica a la de una turbina a vapor. De esta manera se han equipado un cierto nmero de barcos depequeo tonelaje. 15 16. El aparato propulsor con grupo clsico lleva el generador de gas AP y el turbogrupo BP; la figura 14, acontinuacin, representa un esquema de esta disposicin. Fig. 14Actualmente se utilizan distintas variantes y combinaciones entre los motores Diesel y las turbinas agas como plantas propulsoras de buques, sobre todo en los militares cuando se requieren buenasprestaciones de servicio sin la necesidad de aplicar tecnologa nuclear.Existen programas en plena vigencia, tanto en Estados Unidos como en Gran Bretaa, que tienencomo principal objetivo el mejorar la eficiencia de las turbinas a gas, a travs de la incorporacin delos ciclos ICR, cuya principal caracterstica es la de considerar en el diseo el uso de intercambiadoresde calor entre los estados de compresin y a la salida de la descarga de los gases. En el caso de laturbina diseada por Westinghouse-Rolls Royce, WR-21, cuya primera turbina se encuentra operandoen una unidad de combate Estadounidense desde el ao 2004, previndose una eficiencia trmica del43% promedio para potencias medias y altas, y sobre el 40 % a bajas potencias. Un beneficio adicionalde esta nueva generacin de turbinas a gas tiene relacin con la disminucin de la huella infrarroja,producto de una considerable disminucin de la temperatura de descarga de gases, de 1100 F a 650F.Los motores Diesel modernos presentan muchas caractersticas favorables en cuanto al rendimiento serefiere, siendo el mantenimiento constante del mismo a cualquier potencia demandada y la notableautonoma. Desde el punto de vista estratgico, las emisiones trmicas son de baja energa ya que losgases de escape tienen bajas temperaturas relativas. En detrimento de lo antedicho puede decirse quela relacin peso/potencia no es tan favorable como tampoco lo es la generacin de ruidos cuando seacoplan a la lnea de eje mediante cajas reductoras que no se pueden aislar convenientemente delcasco, produciendo una huella acstica muy marcada.Las turbinas a gas de aplicacin naval, derivadas en muchos casos de las empleadas en la aviacin,han progresado en los ltimos aos mejorando sus caractersticas y pasando a formar parte habitual delas configuraciones de potencia propulsora. Algunas de las ventajas que ofrecen son:- Gran densidad de potencia, con una magnfica relacin volumen y peso respecto a la potenciagenerada.- Mayor reserva de potencia, lo que proporciona una excelente aceleracin.- Buena confiabilidad en funcionamiento.- Excelente desde le punto de vista de la simplicidad de mantenimiento.- Huella acstica reducida.- Mantenimiento de altas potencias durante prolongados periodos de tiempo. 16 17. Algunos de los inconvenientes que presentan, son:- Alto consumo especfico.- Rendimiento bajo, fuera de los entornos prximos a su potencia mxima.- Alta emisin trmica, con gases a altas temperaturas, aunque las nuevas tcnicas de diseo quecontemplan intercambiadores de calor entre el compresor y la zona de descarga de gases, mejora surendimiento y reduce la temperatura de los mismos.Algunas consideraciones sobre el consumoHay que tener en cuenta, como se ha dicho, que una turbina a gas solo se muestra realmente eficienteen entornos cercanos a su mxima potencia, por eso se emplear generalmente en el rango mximo desu capacidad. En esta situacin, el consumo viene a ser de 207 gr. /Kwh. y si desciende al 20% de supotencia, la eficiencia se reduce prcticamente a la mitad. El consumo se dispara a los 400 gr. /Kwh.Por el contrario un motor Diesel consume en la mayora de su espectro de potencia sobre 175 gr./Kwh.y al descender al 20% de su potencia, incrementa el consumo en poco ms de 30 gr./Kwh., lo quesupone un gasto de 200 gr./Kwh. Es decir la mitad que una turbina a gas a esa potencia.Otra cuestin es el de los combustibles, las turbinas de gas, en general, precisan de un combustiblems refinado, el marine fuel oil (MFO) en lugar del heavy fuel oil (HFO) que consume un motorDiesel. Dado el estado actual y futuro de los precios, donde el MFO cuesta el doble que el HFO, elmotor Diesel, tambin se muestra ms econmico en este aspecto.Estas cuestiones, sern decisivas a la hora de implementar las plantas propulsoras, sobre todo enaquellos casos en que los costos del combustible, sean un factor a tener en cuenta.Concepcin de la planta propulsoraEn lo relativo al largo tiempo que las turbinas han permanecido como la principal forma de propulsinen buques de guerra y a las ventajas que en su momento fueron percibidas por la industria naval y queluego fueron reafirmadas por la mayora de las marinas del mundo, cabe sealar, que en la actualidad,las turbinas a gas se presentan como la fuente motriz ms utilizada en buques pertenecientes a la flotaprincipal de las diversas marinas de guerra denominadas Azules, es decir con la capacidad deefectuar operaciones interocenicas.Las actuales configuraciones de las plantas propulsoras de unidades navales, consideran en su mayorala instalacin de turbinas a gas. As se tienen las ms comnmente usadas CODAG y CODOG; comotambin otras de concepcin ms recientes, CODLAG (combinacin Diesel Elctrico y Gas) y laCombinacin de Diesel y Gas con el sistema Water Jet, que se describirn ms adelante.La planta propulsora, debe considerarse como una parte del buque integrada desde el principio delproyecto en el diseo general del buque. Su tamao, su configuracin, la autonoma que proporciona,su confiabilidad, su consumo, su potencia, etc., son parmetros que condicionan y son condicionadospor el resto de los sistemas del buque. Un buque es un elemento de espacio limitado, con unaconfiguracin geomtrica derivada del medio en el que se desplaza. Este espacio, debe serconvenientemente distribuido con el fin de obtener una buena relacin entre las dimensiones de laplanta propulsora y el resto de los sistemas. Por otra parte, acciones y decisiones estratgicas, puedeninfluir en el diseo y las prestaciones de la planta. As, por ejemplo, determinados requisitos deseguridad, de supervivencia, etc. pueden obligar a adoptar una determinada configuracin ydisposicin de los diversos elementos que evidentemente, influir en el resto de sistemas. El impactode algunas de estas decisiones, son observables fcilmente, como es el emplazamiento de laschimeneas en el buque en funcin de la configuracin de la planta o los propios elementos de losescapes que utilizan un espacio considerable que resta habitabilidad y ms, si las pretensiones dereduccin de la emisin trmica, son exigentes.Por otra parte, la propia planta, plantea compromisos claros entre los diferentes parmetros envueltosen su diseo. Flexibilidad frente a complejidad; economa y autonoma frente a velocidad yaceleracin; diseo geomtrico de baja reflexin al radar frente al espacio disponible, etc., sonextremos sobre los que hay que priorizar aquellas caractersticas que se consideran deseables yresponden a las misiones operativas del buque. El costo de la planta, su mantenimiento, su17 18. complejidad y automatizacin y control, son factores a tener en cuenta, ms an en la actualidad,donde los gastos de combustible y de mantenimiento, pueden suponer varias veces el costo del buquea lo largo de su vida operativa.No son menos importantes aquellas relaciones entre los elementos propios de la planta. As, laadecuacin de la fuente de potencia con los propulsores, los sistemas de reduccin, la posibilidad dereversibilidad a decidir mediante CPP (hlices de paso variable) u otro procedimiento y la eficacia conque los elementos propulsores aprovechan las potencias entregadas, son cuestiones fundamentales enla configuracin final de la planta.Configuraciones de potencia con motores Diesel y turbinasComo se desprende del anlisis de los elementos de potencia efectuado anteriormente, se intentacombinar las ventajas de ambos elementos, MD y TG con el fin de conseguir una planta propulsoraequilibrada y que responda a las distintas necesidades operativas con el mximo rendimiento posible.Es evidente que dadas las caractersticas de los MD, de menor potencia pero de mejores prestacionesen cuanto a consumo, se destinen stos a los regimenes de crucero a baja o media velocidad,reservando las TG, de mayor potencia pero alto consumo, para los momentos en que se necesite unapotencia considerable que se traduzca en una importante aceleracin y velocidad. No obstante, endeterminadas ocasiones, tambin se emplean configuraciones con MD exclusivamente, o con TG. Enel primer caso, quedan reservadas a los buques de menor porte que precisan de potencias noexcesivamente exigentes, dado que el peso resultante, impide la utilizacin masiva de este tipo demotores, con lo que esa configuracin, es econmica y proporciona una buena autonoma. En elsegundo caso, se propone en aquellas situaciones en que las necesidades de potencia son elevadas(debido a un alto desplazamiento) y el precio del combustible no es un inconveniente.CODAD (Combined Diesel And Diesel)En esta configuracin, se combinan dos MD mediante una CR (caja reductora) que se aplica a un EP(eje propulsor). La existencia de un E (embrague) a la salida de cada motor, posibilita que la potenciala proporcione un solo motor o bien los dos acoplados. En buques de pequeo porte, dos MD, puedepropulsar un solo EP, o en su caso, si dispone de dos EP, la planta constar de cuatro MD junto condos CR. En velocidades bajas, se puede utilizar uno de los MD, mientras que en caso de necesitarmayor potencia se conectan los dos.Un menor costo de adquisicin, excelente autonoma y una baja emisin infrarroja, son las ventajasque proporciona este sistema. Por el contrario, bajas potencias asociadas a bajas velocidades yaceleraciones, y una fuerte huella acstica, son los inconvenientes.Fig. 15COGOG (Combined Gas Or Gas)En esta configuracin, se emplean dos TG, una para crucero y otra para alta velocidad.18 19. El sistema, permite utilizar una de las dos, pero no simultneamente sumando sus efectos. Los elementos son dos TG, una de baja potencia y alto rendimiento y otra de alta potencia. Existen dos CR a la salida de las TG (una por cada TG) y dos E que permiten la alternancia de ambasturbinas. Una CR acopla las salidas de las CR de las TG al EP.En este caso, se utiliza una TG de baja potencia y alto rendimiento para la velocidad de crucero y sealterna con la de alta potencia en caso de requerir mayores prestaciones.Las ventaja de los sistemas alternantes o sistemas O, es para evitar el empleo de una CR compleja ycostosa que debera realizar diversas tareas de sincronizacin. El elevado tamao necesario para estetipo de CR, tambin representa un inconveniente. Por el contrario, no se puede emplear toda lapotencia instalada de la planta en ningn caso. Fig. 16 COGAG (Combined Gas And Gas)En esta configuracin, se utilizan dos TG, en general de la misma potencia. Se puede emplear una solaTG o las dos simultneamente sumando sus potencias. Consta de dos TG, seguidas de sus dos CR ycorrespondientes ejes propulsores. Se acoplan a la CR del EP. Admite pues, dos configuraciones,utilizando una de ellas para crucero y se acopla la segunda para alta velocidad.Tiene la ventaja de una baja firma acstica y adems, permite el uso alternado de las dos TG, pudiendoutilizar la 1 para crucero y la 2 para alta potencia y viceversa equilibra el desgaste de las turbinas, adiferencia del caso anterior en que la turbina menor, en condiciones normales es la que soporta el pesooperativo en la mayor parte del tiempo. Por el contrario, el rendimiento de la planta no es elevado y sejustifica cuando el tamao de la planta se desea relativamente pequeo y el desplazamiento del buqueobliga a grandes potencias incluso para velocidades de crucero. Son empleadas por los buquesnorteamericanos y diversos portas aeronaves, cuyo desplazamiento supera, las 8.000 TPB. Fig. 17 19 20. Fig. 18 Crucero Clase AEGIS CG-47 Ticonderoga. Obsrvese la disposicin de las chimeneasCODOG (Combined Diesel Or Gas)Con este tipo de plantas combinadas de MD y TG, se entra en configuraciones de mayor complejidadpor la interaccin de elementos de muy diferentes caractersticasEn esta configuracin, se emplea un MD y una TG por EP que trabajarn alternativamente. En estecaso, a la salida de la TG, le sigue su CR y el MD se acopla a la CR del EP, donde integra su CR. DosE, uno por elemento, permiten alternar los dos dispositivos en una transicin adecuada. Utiliza, portanto, el MD para la velocidad de crucero y en caso de necesidad, se desconecta el MD y se conecta laTG.Se aprovecha de esta manera el MD, con menos potencia, para la velocidad de crucero y la TG para lasaceleraciones y velocidades altas. El inconveniente es que no emplea la totalidad de la potenciainstalada. A cambio, la construccin de la CR del propulsor, es independiente de la CR de la TG, loque convierte el diseo en ms sencillo y ms econmico. Dado que suelen los buques montar dos EP,se precisan de dos MD y de dos TG. Con el fin de abaratar costos, se suele instalar MD de potenciamedia, sobre los 5 Mw, esto da una velocidad de crucero algo justa, en algunos casos.En esta configuracin, trabaja la planta propulsora de la F-100, que por requerimientos de la ArmadaEspaola, se han instalado en dos cmaras separadas a lo largo de la eslora. Estas dos cmaras seencuentran separadas a su vez por una intermedia con varios equipos auxiliares, lo que minimiza elriesgo de prdida de la propulsin total por un impacto. Dado que se va a requerir un largo espaciopara la instalacin de las planta, se ha elegido una configuracin en la que el MD y la TG seencuentran del mismo lado, a proa de las CR y del EP. El esquema presentado en esta modalidad,corresponde a la planta de la F-100.20 21. Fig. 19En cada cmara se encuentra una TG GE LM2500 de 17.4 Mw. y un Navantia BRAVO de 4.5 Mw. y lascorrespondientes CR de Royal Schelde, con lo que los equipos reductores se encuentran en cmarasdistintas. Esta configuracin, que aumenta la seguridad de la planta frente a impactos o ataques, ocupa unlargo espacio a lo largo de cruja, con lo que los conductos de escape, tambin forman dos grupos separados.El adelantamiento de la primera cmara hacia proa, causa que la chimenea proel, se encuentre bastanteadelante y prcticamente a continuacin del puente, integrada en parte con l. Esto ha ocasionado que loshumos de la citada chimenea, influyan en las antenas planas del radar SPY-1D, obligando a instalar unsombrerete de material dielctrico con el fin de desviar los gases. A este mismo tipo de configuracinresponden las Zeven Povinzen, holandesas. Posee una configuracin ligeramente distinta que le permiteutilizar una chimenea doble nica, alejada de los sistemas de radar. El proyecto Orizon, franco italiano,parece que contempla tambin una configuracin de este tipo CODOG, con dos GT LM2500Avio de 26 Mw.(algo ms potentes que las norteamericanas) y dos MD SEMT Pielstick de 8 Mw. Esta planta es algo mspotente tanto para velocidad de crucero con 16 Mw. frente a los 9 Mw. de la F-100 y en velocidad punta, con53 Mw. frente a 35 Mw. Aunque hay que tener en cuenta que el desplazamiento es mayor en la Orizon.Fig. 20 Fragata F 100 lvaro de Bazan 21 22. Fig. 21 Buque de Apoyo en Combate. Las chimeneas sobre las timoneras proel ypopel revelan una configuracin de propulsin CODOGCODAG (Combined Diesel And Gas)Este tipo de configuracin, responde a la combinacin de un MD y una TG por EP. La diferencia con el sistemaanterior reside en la posibilidad de utilizar simultneamente los dos elementos. En principio, la apariencia delsistema no es muy diferente al CODOG, pero tiene varias peculiaridades notables.En primer lugar, la CR del propulsor, es de complicado diseo, puesto que debe poderse sincronizar el MD y laTG. Esta sincronizacin, debe producirse en todos los rangos de potencia. Esta dificultad, obliga en ocasiones aemplear una CR ms compleja, tambin, a la salida del MD. Esta CR (two step-gear), utiliza dos relacionesdiferentes. Una para cuando funcionan los MD nicamente y la otra cuando se acopla la TG. As, por ejemplo, lafragata Nansen noruega, pasa de una relacin 1:7 en modo MD, a otra de 1:5 cuando acta en combinacin conla TG.En la primera opcin de configuracin, se emplean un MD y una TG por EP y la combinacin es similar endisposicin a un CODOG, con los elementos reductores separados, excepto en que pueden actuar juntos el MD yla TG. No es la combinacin que ltimamente se est proponiendo.La segunda opcin, consiste en el empleo de dos MD y una TG que se acopla a los dos ejes mediante una CRcruzada. Como el sistema es interesante y lo emplean las ltimas realizaciones como la Nansen noruega y laSachsen alemana, veremos un esquema indicativo con el fin de comprender la flexibilidad de su funcionamientoy tambin la complejidad del esquema reductor. Hay que advertir que el esquema es indicativo, aunque se acercaa las propuestas noruega y alemana y que en general, las CR que aparecen individualizadas en los esquemas, seencontraran integradas en un nico dispositivo. Fig. 22 22 23. En el esquema, se observa la CR de la TG, que enlaza mediante un embrague E, con la CRC (caja reductoracruzada), de cuatro elementos, que al ser pares, originan movimientos contra rotatorios en los ejes extremos desalida. A su vez, los motores diesel, conectan con una CR a su salida y mediante dos E con la segunda CR. Esteconjunto de las dos cajas (en la realidad se encontraran estos elementos en la misma caja) es la que utilizando elembrague adecuado, permite cambiar la relacin de salida final sobre la CRC.Por otra parte, la CRC, permite dos cosas. Una que la TG alimente a los dos EP y otra que exista unacomunicacin mecnica entre cada MD y los dos EP. Esto permitir, que un solo MD, pueda transmitir potenciaa los dos EP.En el esquema, se observa los E a emplear para conseguir las distintas configuraciones de potencia. As, esposible emplear un solo MD, de lados indistintos, los dos MD, la TG y los dos MD ms la TG, en plenapotencia.Fig. 23 Caja reductora para configuracin CODAG (Foto MAAG GEARS AG)La flexibilidad de este sistema es interesante, puesto que permite para velocidad lenta utilizar un solo MD con elahorro de combustible que ello implica. A su vez, en la de crucero, se pueden emplear los dos MD dandovelocidades sobre los 18 nudos. En casos de necesitar una velocidad media y baja huella acstica, como es elcaso de operativos ASW, la TG se ajusta a los dos parmetros concernidos. Y por ltimo, en caso de velocidadpunta, se puede emplear la TG junto con los dos MD.Otros efectos interesantes dignos de notar, son, por una parte, el ahorro de una turbina, lo que para buquesdiseados para operar por debajo de los 30 nudos, no supone un gran inconveniente. Por otra parte, eldiseo, proporciona unos conductos de escape que pueden ser agrupados adecuadamente. La TG realiza suescape por una chimenea central, alejada del puente; y los MD, lo hacen por una pequea chimenea a popa,que ocasiona poco impacto en el buque y cede importante espacio. Este efecto es apreciable en la Nansen. Enla Sachsen, la agrupacin se realiza en el centro con una doble chimenea en Y.23 24. Fig. 24 Fragata SachsenFig. 25 Esquema de la planta propulsora de la fragata Meko 360 Obsrvese las chimeneas dispuestas en YCODAG WARP (Combined Diesel And Gas Water Jet and RefinedPropeller)Este sistema, tambin denominado DAG-HD (Diesel And Gas Hydro Dinamic coupled), es una interesanteopcin que se plantea en las modernas fragatas ligeras y corbetas. El principio, se basa en el acoplamiento de losMD y la TG en el medio acutico en lugar de realizarlo en el interior del buque mediante una tradicional CR. El sistema comprende dos MD con sus CR acopladas entre s y con sus correspondiente E y una TG, situada apopa, que conecta a travs de su CR a un waterjet que trabaja como un tercer EP hidrodinmico. El acoplamientode las dos CR, que trabaja como un sistema CODAD, permite que un solo MD potencie a los dos EP, pudiendoutilizar los dos MD si es necesario. 24 25. Los fundamentos de esta configuracin, se basan en la utilizacin, pues, de tres ejes; dos de hlice tradicionales yun tercer eje sobre cruja, waterjet. Dado que ste es ms compacto que una hlice normal, es posible instalaresta configuracin en corbetas y fragatas. Con ello, se consigue reducir el tamao de las hlices hasta un 70% delas habituales, lo que mejora su rendimiento. Cada eje porta hlice soporta alrededor de un 20% de la potencia,dejando para el waterjet, el 60%, con lo cual, las exigencias mecnicas sobre las hlices y EP, son muchomenores. En esta configuracin se emplean MD de media alta potencia, de manera que con un solo MD, seobtienen velocidades interesantes de crucero. A su vez, el empleo de los dos, permitir alcanzar de 21 a 23nudos. El aadido del waterjet, permite una gran aceleracin y su acoplamiento no es problemtico puesto que sehace de manera independiente sobre los ejes que gobiernan los MD. Por otra parte, el uso exclusivo del waterjet,puede resultar interesante en aquellos casos que se requiera una baja firma acstica y con baja presin dinmica.Existen aspectos favorables en el diseo y operatividad de los buques que montan esta configuracin. As, elhecho de que la TG no se deba acoplar a las CR, permite situarla en popa (en caso contrario se debe situar a proa,por la inclinacin de los ejes). En esta posicin retrasada y cercana al extremo popel del buque, permite, singrandes mermas de espacio, guiar los conductos de escape de la TG y de los MD hacia el espejo de popa,descargando sobre el cubo deflector del waterjet, con la eliminacin siempre interesante de las chimeneas. Si seinstala un sistema adecuado de enfriamiento de gases mediante agua de mar inyectada, se puede reducirextraordinariamente la emisin trmica. Otro efecto positivo de la ausencia de las chimeneas, se observa en laoperacin de los helicpteros, que no se enfrentan a fuertes corrientes trmicas de aire y gas como consecuenciade las altas temperaturas de los gases exhaustados. La colocacin de la TG a popa, tambin librea espacio en elcentro del buque, lo que se traduce en mayor aprovechamiento para otros sistemas. Fig. 26 Fig. 27 Configuracin CODAG-WARP donde se aprecia la refrigeracin de los gases de escape 25 26. Configuraciones de potencia con motores elctricosLa mejora en el tratamiento de la corriente alterna junto con el desarrollo de motores elctricos de modernafactura, ms potentes, menos pesados y de volumen relativamente reducido, ha provocado desde hace ya algunosaos, la introduccin de estos elementos en los diseos de plantas de propulsin en buques en general.Elprincipio bsico de este tipo de planta, consiste en desacoplar mecnicamente la generacin de potencia y suaplicacin posterior a los EP. As, mediante MD o TG, acopladas a alternadores, se obtiene energa elctrica quese almacena y distribuye a motores elctricos que se acoplan a los EP, bien a ejes tradicionales y sus hlices, osituando los ME (motores elctricos) en el exterior del casco en pods especficamente diseados al efecto. El usode ME, presenta numerosas ventajas, ya que las consecuencias del desacople mecnico, proporciona una notableflexibilidad en el diseo de la planta. Veremos las ventajas que supone este tipo de propulsin:- El desacople mencionado, permite eliminar las restricciones espaciales a la hora de ubicar los generadorespudiendo repartirse los mismos en el interior del buque en las zonas ms convenientes.- La eliminacin de CR y EP de gran longitud, simplifica notablemente el sistema, reduciendo la complejidad yliberando espacio extra que puede ser aprovechado por otros sistemas.- Es posible ahora desacoplar los generadores del casco del buque y situarlos en cubiertas superiores, mejorandola huella acstica drsticamente.- El control de los motores elctricos a travs de su frecuencia, permite un rgimen de variacin continuo en lavelocidad de rotacin que permite ajustar la misma a las necesidades operativas, eliminando en casi todacircunstancia los complejos sistemas de hlices de paso controlable (CPP).- La administracin integrada y completa de la energa, permite repartir los recursos entre la propulsin y losservicios del buque, lo que evita a diferencia de las plantas anteriores, la existencia de generadores expresamentedestinados al suministro de energa a los sistemas del buque.- Un mayor ndice de supervivencia, ya que el reparto de la generacin, evita su concentracin y vulnerabilidad.Todas estas ventajas, se han enfrentado hasta ahora a los inconvenientes de motores de bajo rendimiento, grantamao y volumen y a las dificultades del control, almacenamiento y distribucin de la energa elctrica.Superados muchos de estos inconvenientes, aparecen ya motores elctricos de alta potencia, que en un futuro acorto plazo vern reducido su tamao, aumentada su potencia incluso a regmenes bajos y de gran rendimiento.A los motores AIM (Advanced Induction Motor) le seguirn tecnologas en desarrollo, como los conductoresHTS, conductores cermicos refrigerados capaces de conducir 140 veces ms corriente que los tradicionales decobre, lo que incrementar el campo y su vez el par en todos los regmenes del motor.Veamos a continuacin algunas configuraciones.CODLAG (Combined Diesel Electric And Gas)En este tipo de planta, el funcionamiento es idntico a una planta CODAG, salvo que los MD, son sustituidospor motores elctricos en la configuracin de potencia. As, el sistema consta de varios GD (generadores diesel,MD conectados a alternadores) que suministran corriente a una central de distribucin y sta a su vez suministrapotencia a dos ME. Los ME son solidarios con los ejes y a su salida se acopla mediante una CR, una TG quemediante una CRC suministra potencia a los dos ejes en caso necesario. En esta configuracin, la velocidad decrucero la proporcionan los silenciosos ME y para alta velocidad, se acopla la TG.Fig. 2826 27. Esta configuracin, permite, gracias a la CRC instalada, mover los dos EP con un solo ME. Se pueden utilizarlos dos y tambin los dos ME + TG. La potencia de los ME, iguala cualquier sistema COGAG o CODOG confuncionamiento MD. La ventaja es que los cuatro GD, pueden ser distribuidos en plantas superiores, inclusosobre cubierta, desacoplados del casco y resultan silenciosos y prcticamente carentes de vibraciones. Elfuncionamiento en modo ME es sumamente silencioso y esencial a la hora de operativos tcticos. Por otra parte,el consumo en configuracin ME es muy reducido, dado que los GD pueden trabajar a su rgimen de mayorrendimiento y al ser de potencias medio-bajas, el consumo es menor y el costo de adquisicin inferior a dos MDde mayor potencia. La configuracin con la TG, permite que los ME, sean de potencia baja, lo que resultatambin en un importante ahorro ya que los ME de alta potencia, son de costo elevado y rendimiento inferior.Fig. 29FEP (full electric propulsin)Bajo este epgrafe, se encuentran varios conceptos, desde el norteamericano IPS (Integrated Power System) hastale britnico IEP (Integrated Electric Power), pasando por varios conceptos similares pero que varan segn elgrado de integracin y control sobre el total de sistemas del buque.En todos estos casos. GD y TA (turboalternadores. Turbinas de gas conectadas a alternadores) generan la energanecesaria que se distribuye y se aplica a ME exclusivamente. Esto nos lleva a la necesidad de considerar ME depotencia media a alta, en los lmites de la tecnologa actual. As, solo una serie, los Type 45, sern los primerosbuques de combate tipo fragata o destructor que monten esta configuracin.Fig. 30El esquema presentado responde a la configuracin aproximada de la planta propulsora con que contar eldestructor Type 45. En su desarrollo se consideraron varias opciones, pero al final se opt por el materialindicado en el propio esquema. La WR 21, es una moderna turbina con intercooler a la salida del compresor yreinyectado, para mejorar el rendimiento de la TG., un consumo que se presume ms bajo que el resto de lasexistentes en ese momento y muy confiable. Pero no deja de ser una turbina de gran peso, casi 54 T. frente27 28. a 25 T. de una LM2500 o una MT 30 que adems genera ms potencia. Es una TG grande que con el sistemaintercooler instalado ocupa varias plantas en altura. Aunque puede dar los 25 Mw., se la prepar para darlos 21.5 Mw., que es la potencia nominal del alternador Alstom asociado. Junto con estas dos turbinas,cuenta con dos GD Wartsila de 2 Mw. Los ME son tambin dos Alstom AIM de 20 Mw. de 90 T de pesocompletos e instalados. As, la planta cuenta con un peso realmente alto y ocupa un gran espacio que haobligado a una configuracin como la mostrada en el esquema.Como resultado del aumento del desplazamiento por otras causas, la planta ha quedado ms que justa y seha reducido la autonoma desde 10.000 millas a 7.000 millas y la velocidad punta, no rebasar los 27 nudos.En realidad es posible que en series posteriores, se mejore algo la planta, quiz sustituyendo los Wartsila de2 Mw. por otros que ronden los 5 Mw. para dejar algo de margen a las necesidades de los sistemas a bordo.Otra discusin interesante que ha durado varios aos, ha tenido lugar sobre la planta de los nuevosportaaviones CVF de la R. Navy. La configuracin que parece montar al final, ser algo parecido a la figurasiguiente. Con un total de 112 Mw, de los cuales destinar 80 a la propulsin, el resto, 32 Mw. quedar paralo sistemas del buque incluidas las posibles EMCAT.Fig. 31Conclusiones1) Los sistemas que combinan MD y TG junto a CR mecnicas, son todava hoy una opcin que empleanmuchas marinas de guerra. El uso de los MD para bajas velocidades de crucero y la TG para la alta velocidad,son un medio de racionalizar el consumo y proporcionan excelentes resultados para buques de tipo medio.2) El sistema CODAG con dos MD y una TG, se impone al CODOG en prcticamente todos los proyectos enmarcha o recin terminados. La flexibilidad de empleo y las posibilidades combinatorias son su punto fuertejunto al ahorro que supone eliminar una TG. La configuracin CODOG, conserva su gran capacidad desupervivencia al contemplar los sistemas reductores separados.3) Los sistemas waterjet en configuracin CODAG WARP, son sistemas a emplear por corbetas y buques deporte menor, evitando la emisin infrarroja al poder eliminar las chimeneas y conseguir un buen espacio en elcentro del buque para otros sistemas. En misiones donde se precisa huella acstica muy baja, el empleoexclusivo del waterjet, es una excelente eleccin.No se han considerado otras configuraciones interesantes que incluso han sido propuestas para la mejora deplantas existentes, como por ejemplo algn sistema COGDAS, que incluye una TV (turbina a vapor) que trabajacon un intercambiador de calor en el escape de una TG obteniendo rendimiento del calor de los gases de escapeque en lugar de perderse, se aprovecha para el funcionamiento de dicha TV.4) La configuracin mixta CODLAG es una apuesta econmica al estado de la tecnologa actual, que incluyeME. Apoyados por una TG, los ME, pueden ser de una potencia razonable y econmicos. Al mismo tiempo, enel 80% de su vida operativa, utilizar la parte elctrica del sistema. Eso mejora el rendimiento.28 29. Turbina a gas General Electric LM 2500En este apartado vamos a analizar algunos aspectos sobre un modelo de turbina a gas elegida, en particularporque ofrece algunas versiones que presentan caractersticas de mejoras para ampliar todo lo dichoanteriormente. Este modelo se sigue utilizando en distintos tipos de embarcaciones militares y comerciales.Es una mquina que funciona con ciclo simple y su diseo permite realizar varias operaciones de mantenimientodesde el exterior y rpidamente sin desarmar las partes vitales.Fig. 32 Turbina General Electric LM 2500Consta de un compresor de flujo axial de 16 etapas (relacin de compresin 19:1), un combustor o cmara decombustin anular, una turbina de alta presin de dos estaciones cuyos labes estn refrigerados por aire y unaturbina de baja presin de 6 estaciones, todo este conjunto montado sobre el mismo eje, los gases de combustinderivan a un conducto orientador que contribuye aerodinmicamente con el diseo.Es un equipo bastante compacto, an cuando se instala como mdulo de propulsin en su gabinete, adecuadopara minimizar las vibraciones, emisiones acsticas y trmicas [Pesa 22 T (10,5 T la turbina sola), Espacio queocupa: 8225 x 2740 x 3045 (mm)].Fig. 33 Modulo de propulsin marina29 30. Puede funcionar con gas natural, combustible lquido o tambin en forma dual, logrndose mejoras muyinteresantes sobre varios de sus parmetros con la inyeccin de vapor (STIG Steam Injected Gas Turbine).En el siguiente cuadro se pueden observar estos parmetros principales de funcionamiento entre el modelobsico (PE) y el inyectado (PE STIG) que brinda el fabricante en sus catlogos de presentacin.Modelo LM 2500 PE(*) LM 2500 PE STIG (*) (**)Velocidad (rpm)3600 3600Potencia (output generador (KWe) 2280024800Relacin Trmica (Btu/KWe-h)9275 8825Eficiencia Trmica (%)37,6 39,5Caudal Gases de Escape (Kg./s) 6973,1Temp. De Gases de Escape (F) 974935(*) Funcionando con gas natural a 4 pulgadas de columna de agua (10,1 cm. c. a.) y sin prdidas en el escape.(**) Condiciones del vapor de inyeccin: 400 psi, 600F. Fig. 34 Corte longitudinal mostrando las partes internasEl vapor que se inyecta es producido por cogeneracin en el conducto de gases de escape mediante una caldera,con la cual se incrementa el rendimiento del ciclo, aumenta la potencia en el eje y se disminuye la temperatura delos gases de escape, siendo esto ltimo lo deseado desde el punto de vista tctico.Fig. 35 Despiece 30 31. Las configuraciones (CODOG) y (CODAG) de las plantas propulsoras, ofrecen varias ventajas frente a lastradicionales (CODAD) a saber:Bajo peso y reducido espacio de instalacinMayor radio de autonoma comparado con el consumo de combustibleMuy bajo mantenimientoReducida huella acsticaAcceso a la mxima potencia a los 90 segundos desde el arranqueAlta eficiencia trmica y bajo caudal de aire por KW producidoExiste otro modelo mejorado an ms de sta turbina, la LM 2500+, cuyos parmetros comparados con lasmquinas anteriores a igual rgimen de funcionamiento demuestran mejoras, sobre todo en la potencia y elrendimiento con inyeccin de vapor a 25 ppm ModeloLM 2500 + Velocidad (rpm) 3600 Potencia (output generador (KWe) 29560 Eficiencia Trmica (%)40,3 Temp. De Gases de Escape (F)899Fig 36 Turbina LM 2500+ en su mdulo de propulsin marino del transatlntico Queen Mary II.Este buque esta equipado con dos de estos grupos y generan el 42% de la potencia total instalada con un arreglo CODAGCabe decir que ste no es el nico modelo disponible en sta lnea, sino que es uno elegido en funcin de lainformacin disponible, para poder comparar parmetros a iguales condiciones de funcionamiento segn lasvariantes de diseo aplicadas.Existen ms modelos de la misma marca que ofrecen otras alternativas segn los requerimientos de potencia yvelocidad necesarios.Tambin hay otras marcas en el mercado que ofrecen otras alternativas lgicas del avance y desarrollotecnolgico en este campo, que compiten para convencer a los proyectistas con sus productos. En este aspecto sesigue trabajando para lograr an mejores rendimientos, menores consumos, mayores potencias y menorcontaminacin, para satisfacer los futuros proyectos al nivel de exigencia que estos demanden.31 32. Fig. 37 Mdulo compacto de la turbina Rolls Royce MT 30Algunas consideraciones a tener en cuenta para el diseo de turbinas a gasCapacidad de Potencia mxima. Es la capacidad de potencia esperada y garantizada cuando la turbina a gas esoperada a la mxima temperatura de llama permisible, velocidad nominal o bajo otras condiciones limitativasdefinidas por el fabricante y entre el rango de valores del sitio especificados con el empleo del combustibledefinido en las hojas de datos.Ciclo abierto. Es aquel que toma el aire de la atmsfera que rodea a la turbina a gas, lo comprime, lo calienta, loexpande y finalmente lo descarga directa o indirectamente a la atmsfera, a travs del escape o un equiporecuperador de calor. Cuando el medio de trabajo pasa sucesivamente a travs del compresor, la cmara decombustin y la turbina se le llama ciclo simple; cuando los gases de escape de la turbina son usados paraprecalentar el aire de combustin de la descarga del compresor es llamado ciclo regenerativo.Consumo especfico de combustible (heat rate). Es el consumo de combustible de la turbina a gas por cadaunidad de potencia entregada a la salida del eje de la turbina de potencia. Expresado en (kJ/kW-h) en el sistemainternacional (Btu/hp-h) en el sistema ingles, basados en el poder calorfico inferior del combustible.Eficiencia trmica. Es la relacin entre la energa de salida, obtenida en el eje de la turbina de potencia y laenerga de entrada, (suministrada en el valor del poder calorfico inferior del combustible) expresada en lasmismas unidades. Los auxiliares externos no accionados directamente no son incluidos en las prdidas parsitas.En el sistema internacional: t = 3600 / CECDonde.t = Rendimiento trmico.CEC = Consumo Especfico de combustible, en (kJ/kW-h).En el sistema ingles: t = 2545 / CECDonde:CEC = Consumo Especfico de Combustible en (Btu/hp-h).32 33. Flujo estndar. Es el flujo nominal expresado en unidades de flujo volumtrico en m3/h, m3/min o pie cbicoestndar por minuto (scfm) a las siguientes condiciones estndar:Presin: 1.013 bar (14.696 psia)Temperatura 15 C (59 F)Potencia nominal a condiciones ISO. Es la potencia continua desarrollada por la turbina a gas cuando esoperada a la temperatura de flama y velocidad nominal, bajo las siguientes condiciones de operacin estndar.Temperatura de entrada 15 C (59 F)Presin total de entrada 1.0133 bar (14.696 psia)Humedad relativa de entrada 60%Presin de escape 1.0133 bar (14.696 psia)Esta potencia y velocidad son medidas en el eje de salida de la turbina, separada de cualquier engranaje o equipoaccionado. Las condiciones de entrada deben ser medidas en la brida de entrada del generador de gases y lascondiciones de salida en la brida de salida de la turbina de potencia. Estos puntos de medicin deben serutilizados para todas las mediciones de potencia y flujo de gas. La potencia ISO proporciona nicamenteinformacin general del tamao y no debe confundirse con la potencia nominal en sitio.Potencia neta. Es la potencia desarrollada por la turbina a gas a condiciones de sitio, despus de deducirprdidas y consumos por equipos o sistemas auxiliares, tomando como base el combustible con el podercalorfico ms bajo indicado en la hoja de datos. Potencia nominal en sitio. Es la potencia desarrollada por la turbina a gas en el eje de salida cuando es operadaa la temperatura nominal de llama en sitio, velocidad nominal, y condiciones nominales del sitio como son:temperatura de entrada, presin de entrada, presin de escape y consumo normal de gas combustible (con elpoder calorfico ms bajo especificado).Punto de disparo. Valor predefinido de un parmetro medido, en el cual el sistema o equipo paraautomticamente una vez que se alcanza dicho valor.Presin mxima de trabajo permisible. Es la presin mxima continua para la cual el fabricante ha diseado elequipo (o cualquier parte al que este concepto aplique) manejando el fluido especificado a la temperaturaespecificada.Temperatura de llama nominal a condiciones ISO. Es la temperatura total a la entrada de la turbina, indicada(calculada) por el fabricante inmediatamente corriente arriba de la primera etapa de los labes estacionarios, enservicio continuo a la potencia nominal de salida a condiciones ISO.Velocidad critica. Es la velocidad que corresponde a las frecuencias de resonancia del sistema y al fenmeno deaplicacin de fuerzas peridicas. Puede existir una condicin de resonancia si la frecuencia de excitacincoincide con la frecuencia natural del rotor. Si la resonancia existe a una velocidad finita, sa velocidad esllamada velocidad critica.Velocidad de disparo de la turbina. Es la velocidad (en revoluciones por minuto) al cual el dispositivoindependiente de emergencia por sobre velocidad opera para parar la turbina de gas cortando el suministro decombustible.Velocidad nominal. Es la velocidad (en revoluciones por minuto) del eje de salida de la turbina a la cual sedesarrolla la potencia nominal en sitio.Velocidad mxima continua. Es la velocidad (en revoluciones por minuto) al menos igual al 105% de lavelocidad ms alta requerida por cualquiera de las condiciones de operacin especificadas.Velocidad mnima permisible. Es la velocidad ms baja (en revoluciones por minuto) en la cual el diseo delfabricante permitir una operacin continua.Sistema de recuperacin de calorLa implementacin del sistema de recuperacin de calor en la turbina a gas, tiene como objetivo principalaprovechar el calor de los gases de combustin para transferir calor hacia un fluido de trabajo, el cual a su vez seutiliza como medio para transferir calor hacia un fluido de proceso o hacia un fluido de servicio auxiliar y en33 34. consecuencia aumentar la eficiencia del ciclo termodinmico. Debido a lo anterior, existe una interfase, entre eldiseo del recuperador de calor y el diseo del proceso y/o servicio auxiliar de la planta, que requiere unacoordinacin efectiva entre la ingeniera del proveedor de la turbina a gas y la ingeniera del proceso desarrolladapor otros, excepto cuando el proveedor de la turbina a gas tambin desarrolla la ingeniera del proceso y laconstruccin de la planta. A menos que se establezca lo contrario en la orden de compra, la coordinacin debeser compartida entre el proveedor de la turbina a gas y el proveedor de la ingeniera del proceso de la planta.El diseo debe considerar la carga trmica mnima de los gases de escape y en caso de que sta sea menor que lacarga trmica mxima de trabajo requerida por el proceso, el fabricante debe proporcionar un quemador oquemadores adicionales en el sistema de recuperacin de calor para cubrirla. A menos que se indique locontrario en las hojas de datos, el quemador o quemadores adicionales tomarn el oxgeno para la combustin dela corriente de los gases de combustin proveniente de la turbina a gas.Requisitos mnimos de diseo de los componentes de la turbina a gasCarcasas sujetas a presinLos valores de esfuerzo tangencial usados en el diseo de las carcasas sujetas a presin no deben exceder losvalores de esfuerzos mximos permisibles en tensin especificados en la seccin VIII, Divisin 1 del cdigoASME o su equivalente a la temperatura mxima de operacin del material usado.Todas las partes sujetas a presin se deben disear para operar bajo las condiciones de presin y temperatura(simultneas) ms severas especificadas.Se prefieren las carcasas divididas axialmente aunque las carcasas divididas radialmente son aceptables. Losensambles o uniones entre las carcasas deben ser a metal sin empaques. Todas las uniones de las carcasas debenser hermticas a la presin y temperatura de operacin.Las carcasas, los soportes y el patn o base deben disearse para prevenir cualquier distorsin daina causada porla peor combinacin de la temperatura permisible, presin, torque y fuerzas y momentos externos.Los pernos para soporte y alineacin deben ser lo suficientemente rgidos para permitir que la mquina seamovida en forma lateral o axial por el uso de tornillos de nivelacin. El diseo de la unidad tambin debeminimizar el desplazamiento del eje (de salida) entre las posiciones en caliente y fro.El uso de orificios roscados en partes presurizadas debe minimizarse. Cuando sean utilizados y con el fin deprevenir fugas se debe agregar en el fondo del orificio metal adicional suficiente al considerado para corrosin.Cmara de combustin y boquillas de combustibleTodas las cmaras de combustin deben suministrarse con doble encendido. Las cmaras de combustin sintubos de ignicin transversales se deben suministrar con dos encendedores en cada cmara de combustin,excepto donde se use cmara de combustin anular sencilla con quemadores tipo simplex.Las cmaras de combustin sencillas deben tener un sistema piloto del combustible con encendido por chispa.El diseo de las cmaras de combustin y las piezas de transicin deben permitir el control de la distribucincircunferencial y radial de la temperatura de los gases, tal que los componentes calientes cubran los requisitos devida til establecidos. El fabricante debe indicar en su propuesta la variacin de temperatura mxima permisibleen el plano de medicin y definir dicho plano. En ningn caso la temperatura de los gases debe exceder loslmites de sobre temperatura de la turbina especificados por el fabricante. Debe existir al menos un sensor detemperatura por cmara para mquinas con cmaras mltiples y no menos de seis sensores por mquina.Las boquillas de combustible deben ser removibles, sin tener que desmantelar la cmara de combustin. No seadmiten sistemas de combustible en los cuales se tenga que desmontar la turbina, cmara de combustin o ejepara su revisin, calibracin o cualquier actividad de mantenimiento de los inyectores.Para combustible diesel, las boquillas deben disearse para operar sin erosin, sin taponarse y sin carbonizacin,los cuales pueden requerir atencin de servicio entre intervalos de mantenimiento programado.Las cmaras de combustin y las boquillas de combustible deben ser diseadas y calibradas para permitirintercambios aleatorios de boquillas nuevas, sin necesidad de calibracin y ajuste de flujo o cada de presin encampo.Cuando sean utilizadas boquillas de combustible duales, el proveedor debe indicar en la propuesta cualquierrequerimiento de purga o enfriamiento continuo de las boquillas fuera de operacin.EjesLos ejes deben ser diseados y fabricados con capacidad para transmitir el torque mximo que las turbinas a gaspuedan desarrollar bajo cualquier condicin continua o transitoria en todo el rango de operacin.Los ejes deben ser fabricados de una sola pieza, de acero tratado trmicamente y adecuadamente maquinables.Los extremos del eje de carga deben ser conforme al estndar 671 del API o equivalente. Los ejes con el extremoranurado para cua deben ser conforme al ANSI B92.1-1970 o equivalente. Los ejes con extremo de cubointegrado son aceptables.34 35. Las reas de deteccin, para los sensores de vibracin radial y/o de posicin axial del eje deben estar libres depicaduras, marcas o cualquier otra discontinuidad en la superficie en por lo menos al equivalente a un dimetrodel sensor, en cada lado de ste. Estas reas no deben metalizarse, encamisarse o enchaparse. El acabado final dela superficie no debe ser mayor a 1.0 micra (32 micro pulgadas) de la rugosidad media aritmtica (Ra). Estasreas deben ser desmagnetizadas a los niveles indicados en el estndar 670 del API o su equivalente o tratadas deotra manera para que la excentricidad total elctrica y mecnica combinada, relativa a las chumaceras, noexcedan el 25 por ciento de la mxima amplitud de vibracin permisible pico a pico o los valores siguientes,cualquiera que sea menor:Para las reas de deteccin por los sensores de vibracin radial, 5 micras (0.25 milsimas).Para las reas de deteccin por los sensores de posicin axial 10 micras (0.5 milsimas).RotoresEl rotor del generador de gases debe disearse para resistir en forma segura y sin sufrir ningn dao, velocidadesinstantneas de hasta 110 por ciento la velocidad de disparo de la turbina en todo el rango de la temperatura deflama especificado.En caso de que ocurra una prdida momentnea del 100 por ciento de la carga nominal en sitio y de la inercia delequipo accionado, los rotores de la turbina de gas deben ser capaces de operar en forma segura sin que loslabes, discos o eje sufran fracturas o separacin como resultado de la sobre velocidad. Cada rotor debe serclaramente marcado con un nmero de identificacin nico. Este nmero debe estar en un rea accesible y queno este propenso a daarse durante el mantenimiento.Discos y labesLas puntas de los labes rotativos y los laberintos o pasajes cubiertos de los labes rotativos deben ser diseadaspara permitir que la unidad arranque en cualquier momento a las condiciones establecidas. Cuando el diseopermite el roce durante el arranque normal, los componentes deben ser diseados para tolerar el roce y se debeindicar si ste se presentar y en qu partes.Las frecuencias naturales de los labes no deben coincidir con ninguna fuente de excitacin desde el 10 porciento por debajo de la velocidad mnima permisible hasta el 10 por ciento por arriba de la velocidad mximacontinua. Si esto no es factible, los niveles de esfuerzo desarrollados en los labes a cualquier condicin deoperacin del equipo accionado deben ser lo suficientemente bajos para permitir la operacin sin restriccionespara la vida til mnima especificada. Los labes deben disearse para resistir operaciones con frecuenciasresonantes durante el calentamiento normal. Las fuentes de excitacin incluyen: los bsicos y la primerafrecuencia armnica de paso de los labes estacionarios y rotativos atrs y delante de cada hilera de labes, elpaso del gas por divisores, irregularidades en paletas y extremo de boquillas en bridas de carcasas horizontales,las primeras diez velocidades armnicas del rotor, frecuencias de engranes en unidades engranadas y pulsosperidicos causados por la cmara de combustin.El conjunto de labes debe tener al menos 8,000 horas libres de problemas en condiciones similares deoperacin.DinmicaVelocidades crticasLos puntos siguientes son una gua para el desarrollo analtico y el envo de reportes de pruebas.Una frecuencia de excitacin puede ser menor, igual o mayor que la velocidad de rotacin del rotor.Las frecuencias de excitacin consideradas en el diseo del sistema deben incluir pero no estar limitadas por lassiguientes fuentes:a) Desbalanceo en el rotor.b) Inestabilidad de la pelcula de aceite (remolinos).c) Roces internos.d) Frecuencias de paso en labes, venas, boquillas y difusores.e) Engranaje (paso) de los dientes de engranes y caras de las bandas.f) Desalineamiento de acoples.g) Componentes flojos del rotor.h) Histresis y friccin por giro.I) Desprendimiento de la capa lmite del flujo.j) Fuerzas acsticas y aerodinmicas de cruce del acople.k) Giros asncronos.l) Frecuencias de bolas o rodillos y pistas de cojinetes.Las resonancias de los soportes estructurales del sistema pueden afectar desfavorablemente las amplitudes devibracin del rotor. Por lo tanto, las resonancias de los soportes estructurales del sistema que estn dentro delalcance de suministro y que afectan las amplitudes de vibracin del rotor no deben ocurrir dentro del rango de35 36. velocidades de operacin o de los mrgenes de separacin especificados, a menos que las resonancias seancrticamente amortiguadas.Se debe determinar que las velocidades crticas del tren accionador no interactuar con ninguna de lasvelocidades crticas de la maquinaria suministrada y que el tren completo es adecuado para el rango develocidades de operacin especificados, incluyendo cualquier velocidad de arranque del tren. La lista de todoslos rangos de velocidades no permisibles o que deben ser evitados, debe ser puesto a consideracin e incluidosen el manual de operacin.Anlisis lateralSon aceptables los valores de velocidades crticas estndar del fabricante, que previamente han sido obtenidosanalticamente y comprobados mediante pruebas para turbinas de gas fabricadas con anterioridad, del mismotamao y configuracin de rotor/cojinetes que las turbinas de gas propuestas.Anlisis torsionalLas excitaciones de resonancias torsionales pueden provenir de diferentes fuentes, las cuales deben serconsideradas en el anlisis. Estas fuentes deben incluir, pero no estar limitadas, por las siguientes:a) Problemas de engranajes, tales como desbalanceo y excentricidad de la lnea de paso.b) Condiciones de arranquec) Resonancias del accionador hidrulicod) Pulsaciones en la presin de combustibleLas frecuencias naturales de torsin no amortiguadas del tren completo deben ser de al menos 10 por cientoarriba o 10 por ciento abajo de cualquier frecuencia de excitacin dentro del rango de velocidades de operacinespecificadas (desde la velocidad mnima hasta la velocidad mxima continua). Los trenes idnticos para loscuales el proveedor pueda demostrar experiencias libres de problemas por 8000 horas por maquina del mismomodelo, pueden estar exentos de este requisito. Cuando la frecuencia natural torsional no amortiguada caigadentro del 10 por ciento del rango de velocidad especificado, el fabricante debe incluir todos los datos analticosde trenes idnticos para verificacin.El elemento rotativo debe ser dinmicamente balanceado en varios planos durante su ensamble y ste debe serrealizado despus de la adicin de no ms de dos elementos mayores. La correccin del balanceo se debe aplicarnicamente a los elementos adicionados. Correcciones menores de otros elementos pueden ser requeridosdurante el balanceo final del elemento completamente ensamblado. Las medias cuas usadas durante el balanceode los ejes se deben seguir usando hasta que stas sean reemplazadas por la cua correspondiente. Para rotorescon un solo cuero, en el cuero se debe colocar una media cua que llene completamente el espacio del cuero.El peso de todas las medias cuas usadas durante el balanceo final del ensamble debe ser registrado en la hoja detrabajo de balanceo residual. El desbalanceo residual mximo permisible por plano debe calcularse como seindica a continuacin:En el sistema internacional de unidades, (SI): Umax = 6350W/NEn unidades inglesas:Umax = 4W/NDonde:Umax = Desbalanceo residual, en gramos-milmetro (onzas-pulgada)W = Carga esttica del cojinete, en kilogramos (libras)N = Velocidad mxima continua, en revoluciones por minuto.El mtodo de balanceo para los rotores que son ensamblados en forma progresiva como una parte del ensamblede la turbina a gas (el rotor no puede ser removido como una unidad ensamblada) es el siguiente:Todas las partes rotativas deben ser balanceadas.El rotor debe ser ensamblado para una verificacin de balanceo dentro de los lmites especificados. Lascorrecciones al ensamble del rotor no son permitidas. Si una correccin es requerida, el total de los elementosrotativos deben desensamblarse, y el balanceo dinmico de cada una de las partes de los elementos debe repetirsepara conseguir los lmites permisibles del desbalanceo residual.Cojinetes y alojamiento de cojinetesSe prefieren cojinetes radiales y de empuje del tipo hidrodinmico de segmentos mltiples, pero son aceptableslos cojinetes de rodamientos (bolas y/o rodillos). Debe suministrarse el diseo estndar de cojinetes e incluir unadescripcin del tipo de cojinetes suministrados.Los cojinetes deben tener suficiente capacidad de carga para soportar las fuerzas mximas resultantes de fallasde cualquier componente de la turbina a gas que requiera paro inmediato (tal como prdida de un labe o tobera)para prevenir daos secundarios a la turbina.Rodamientos.El diseo y detalles de instalacin para cada cojinete debe estar sustentado en un anlisis de carga vida, el cualcomo mnimo debe considerar lo siguiente:36 37. a) Reacciones del peso del rotor.b) Carga vibratoria.c) Precarga.d) Desalineamiento.e) Carga de engranes.f) Cargas combinadas de empuje y radial.g) Cargas puntuales fuera de diseo.h) Cargas por prdida de labes.i) Carga por oleaje surge.Cojinetes radiales hidrodinmicosLos cojinetes radiales hidrodinmicos deben ser del tipo mangas o zapatas, arreglados para lubricacin continuapresurizada, divididos para facilitar su ensamble, agujereados de precisin, con respaldo de acero, con forros oconchas de babbit reemplazables. Los cojinetes deben ser equipados con seguros anti rotacin y estarasegurados positivamente en la direccin axial.El diseo de los cojinetes debe suprimir las inestabilidades hidrodinmicas y proveer suficiente amortiguamientopor arriba del rango total de los huelgos permisibles de los cojinetes, para limitar las vibraciones del rotor a lasmximas amplitudes especificadas mientras el equipo esta funcionando con carga y sin carga a las velocidadesespecificadas, incluyendo la operacin a cualquier frecuencia critica.Los forros, zapatas o cubiertas deben estar en alojamientos partidos horizontalmente y ser reemplazables sintener que remover la mitad superior de la carcasa de una turbina axialmente dividida, o desensamblar una unidadradialmente partida y sin remover el cubo del acople.Cojinetes de empujeLos cojinetes de empuje deben estar arreglados para permitir el posicionamiento axial de cada rotor, con relacina la carcasa y al ajuste de huelgos o precarga de los cojinetes.Los cojinetes de empuje deben ser dimensionados para operar continuamente bajo las ms severas condicionesde operacin especificadas. El clculo de la fuerza de empuje debe incluir pero no estar limitado a los factoressiguientes:a) Ensuciamiento y variacin en los huelgos del sello, hasta el doble de los huelgos internos de diseo.b) Empuje escalonado de todos los cambios de dimetro.c) Presin diferencial y reaccin por paso.d) Variaciones en las condiciones a la entrada, sangra, inyeccin y escape.e) Cargas externas del equipo accionadoPara acoplamientos del tipo de engranes, las fuerzas externas de empuje deben ser calculadas con la siguienteformula.En el sistema Internacional: F = (0.25) . (9550) .Pr / Nr . DEn el sistema Ingles: F = (0.25) . (63000) .Pr / Nr . DDonde:F = Fuerza externa, en kilonewtons (libras).Pr = Potencia nominal, en kilowatts (hp).Nr = Velocidad nominal, en r.p.m.D = Dimetro de la flecha en el acople, en milmetros, (pulgadas).Cojinetes de empuje hidrodinmicosLos cojinetes de empuje hidrodinmicos deben ser del tipo de segmentos mltiples con babbit y respaldo deacero, diseados para el empuje mximo del lado activo. El cojinete debe ser arreglado para lubricacin continuapresurizada y deben ser del tipo zapatas basculantes, incorporando la caracterstica de auto nivelacin queasegure que cada zapata tenga igual carga compartida de empuje, con la menor variacin en el espesor de lazapata. Cada zapata debe ser diseada y fabricada con dimensiones a precisin que permitan el intercambio oreemplazo individual de las zapatas. Se prefiere que ambos lados del cojinete de empuje el activo y el inactivousen el mismo tamao y tipo de cojinete de zapatas basculantes.Se prefieren collares integrales de empuje para los cojinetes de empuje hidrodinmicos y deben sersuministrados con al menos 3.175 milmetros (1/8 de pulg.) adicionales para permitir el pulido adicional si elcollar es daado. Cuando se suministren collares intercambiables, stos deben asegurarse positivamente al ejepara prevenir el desgaste.Ambas caras del collar de empuje para cojinetes hidrodinmicos de empuje deben tener un acabado en lasuperficie de no ms que 0.5 micras (16 milsimas de pulgada) de rugosidad media aritmtica (Ra), y laexcentricidad axial total de ambas caras no deben exceder 12 micras (0.0005 pulgadas)Los cojinetes de empuje hidrodinmicos deben seleccionarse con no ms del 50 por ciento de la carga ltimanominal del cojinete a la potencia nominal en sitio. La carga ltima nominal es la carga que produce el espesormnimo aceptable de pelcula de aceite sin causar falla durante el servicio continuo o la carga que no exceda el37 38. esfuerzo de cedencia o de arrastre del babbit en la zona de mxima temperatura de la zapata, cualesquiera quesea menor.MaterialesLos materiales de construccin de los componentes bsicos de la turbina a gas deben ser los materiales estndardel fabricante para las condiciones de operacin especificadas, excepto si en la hoja de datos o en laespecificacin se indica lo contrario. Los materiales de construccin de todos los componentes mayores y detodas las partes en contacto con el fluido de trabajo de la turbina a gas y aquellos materiales en contacto conagentes corrosivos, deben ser indicados en las hojas de datos.Los materiales indicados deben ser identificados en la propuesta del proveedor con la designacin y grado deASTM, AISI o sus equivalentes. Cuando la designacin del material no exista, la especificacin del material delproveedor debe ser incluida en la propuesta, indicando las propiedades fsicas, la composicin qumica y losrequisitos de prueba del material propuesto. Cualquier componente o material de recubrimiento en la turbina agas del que no se tenga por lo menos 16,000 horas de experiencia en operacin continua, deben ser identificadosen las hojas de datos y en la propuesta del proveedor.Las partes externas que estn sujetas a movimiento rotativo o de deslizamiento (tales como juntas para evitar lasfugas y mecanismos de ajuste) deben ser de materiales resistentes a la corrosin, para las condiciones del sitio.Cuando las partes hechas de acero inoxidable austentico sean fabricados, endurecidos superficialmente,recubiertas o reparadas por soldadura y expuestas a movimiento, al fluido de proceso o las condicionesambientales que promuevan corrosin nter granular, se debe usar aceros inoxidables de bajo carbono o degrados estabilizados.Donde se usen partes de unin tales como esprragos y tuercas de acero inoxidable del tipo AISI 300 oequivalente o materiales similares con tendencia a pegarse, deben lubricarse con un compuesto que evite que sepeguen, adecuado para la temperatura de operacin y compatible con el fluido de trabajo.Los materiales, caractersticas de las fundiciones y la calidad de cualquier soldadura deben ser como mnimoiguales con los establecidos en la Seccin VIII, Divisin 1 del cdigo ASME o su equivalente.FundicionesLas fundiciones deben ser slidas y estar libres de porosidad y defectos e impurezas (burbujas, rechupes,agrietamientos, corrosin, escorias, etc.). Las superficies fundidas deben limpiarse por chorro de arena, chorro deperdigones, por bao qumico o cualquier otro mtodo establecido en el estndar. Todas las rebabas, y restos dela fundicin deben ser eliminados por esmerilado u otro medio apropiado.Las fundiciones ferrosas no deben ser reparadas por soldadura, martilleo, taponado, horneado o impregnacin,excepto en los dos casos siguientes.Las Fundiciones de acero de grados soldables pueden ser reparadas por soldadura, usando un procedimiento desoldadura calificado que est de acuerdo con la Seccin VIII, Divisin 1, y la Seccin IX, del cdigo ASME oequivalente.Las fundiciones de hierro gris o hierro nodular pueden ser reparadas por taponamiento dentro de los lmitesespecificados en ASTM A278, A395 o A536 o sus equivalentes. Las perforaciones rea