Antes de leer este post, es conveniente haberse pasado por el de
regulación en turbinas de gas de eje único.
La regulación de la carga en las turbinas de gas de eje doble con generador de gas y turbina de potencia que gira a régimen constante -por arrastrar un alternador- está basada en la variación del caudal de fluido que el generador de gas entrega a la turbina de potencia. El eje del generador de gas (el exterior en la figura, sacada del programa Gasturb11) modifica su régimen de giro a lo largo de una línea de actuación que depende de la estrategia de regulación empleada, que puede ser con VIGVs (y temperatura de entrada a la turbina del generador de gas constante) o sin VIGVs (y temperatura de entrada a la turbina del generador de gas variable).
Regulación por variación de la temperatura de entrada a la turbina
En este caso, la línea de actuación del generador de gas la impone la igualdad de potencias en el eje libre entre la turbina y el compresor al ir aumentando la potencia de la turbina a base de aumentar el caudal de combustible, lo que tiene por efecto acelerar el eje de manera muy apreciable. Lo deseable es que, si se representa superpuesta sobre el mapa del compresor, la línea de actuación atraviese las curvas de nivel de isorrendimientos no muy lejos de la línea de mínima pendiente (donde las curvas de nivel están más separadas y, por tanto, se modifica menos el rendimiento con la potencia).
En el mapa de la turbina del generador de gas se ve menos clara la aceleración del eje libre...
... porque el efecto queda enmascarado por el aumento en la temperatura de entrada a la turbina, que crece casi linealmente, igual que la relación de compresión del compresor:
En la turbina de potencia, que es la que arrastra al alternador, el régimen de giro es lógicamente el de sincronismo:
y la línea de actuación de la turbina de potencia se aparta poco de N=cte porque la variación de la temperatura de entrada a la turbina de potencia no es tan grande como la del generador de gas:
Al aumentar el régimen del generador de gas aumentan también el caudal másico de aire y, claro está, la potencia de la turbina de potencia:
En todas las gráficas se repite la representación del rendimiento térmico del ciclo, cuya forma se explica por la de las curvas de variación de los rendimientos isentrópicos de las máquinas (dado que las temperaturas y presiones del ciclo varían de forma bastante lineal.
Regulación por VGIVs
En la regulación de potencia en eje doble con geometría variable sucede algo semejante a lo que se acaba de ver en el caso anterior: en su tránsito al regular la carga, la turbina de potencia demanda cada vez un caudal de fluido diferente, que es suministrado por el generador de gas modificando su punto de trabajo a lo largo de su línea de actuación. Se puede programar la simulación en Gasturb11 de manera que el cierre progresivo de los VIGVs vaya restringiendo el caudal de aire que atraviesa el turbocompresor y, al mismo tiempo, se conserve constante la temperatura de entrada a la turbina de alta presión.
Al igual que lo que sucede con geometría fija, el eje del generador de gas es libre de hacer deslizar su régimen de giro pero, en este caso, el régimen varía mucho menos porque el caudal que se entrega a la turbina de potencia cambia más por causa de la variación del ángulo de los VGIVs que por la del régimen de giro. Se aprecia como la variación de la potencia es consecuencia de la del caudal de aire que pasa por el motor.
Como ya pasaba en la regulación por VIGVs en las turbinas de eje único, que se estudió aquí, cada punto de funcionamiento del eje libre tiene un mapa del compresor diferente (y un rendimiento diferente para cada posición de los IGVs), como se puede apreciar en la figura.
La turbina del generador de gas tiene una línea de actuación consecuencia de la constancia de la temperatura de entrada a la turbina y de la pequeña variación del régimen de giro:
En el mapa de la turbina de potencia ahora si se aprecia perfectamente la constancia del régimen de giro, ya que su temperatura de entrada es constante.
Muy interesante el acoplamiento en doble eje. Permítame que le plantee la duda con la que he llegado a este artículo de su blog. Tal vez le resulte interesante analizar el problema. En el arranque de los motores principales de los aviones, estos son alimentados con aire a presión de la unidad auxiliar de la cola del avión. Este compresor de presión auxiliar comparte con un grupo compresor de alta-turbina, un eje que gira a revoluciones constantes con el objeto de alimentar también un generador eléctrico. Además el compresor de presión auxiliar tiene a la entrada alabes guía variables. Finalmente, a la salida de este compresor, antes de los motores principales, se halla una válvula de sangrado que se abre en el instante anterior a que el compresor de presión auxiliar entre en pérdida, liberando parte del gasto inicialmente destinado a los motores al exterior. Mi pregunta es: ¿Cómo se reflejaría gráficamente el efecto de las aperturas y cierres de esta válvula?
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ResponderEliminarHola Dani. Tenía el blog algo abandonado y ha pasado más de un año desde que dejaste tu comentario, así que no sé si leerás mi respuesta. De todos modos, no sé si he entendido bien lo que preguntas. Cuando se abren las válvulas de sangrado aumenta el caudal que pasa por los primeros escalonamientos del compresor, lo que alivia los problemas de bombeo que pueda haber en esos escalonamientos, sobre todo a bajo régimen. Los últimos escalonamientos, en cambio, se alejan del bloqueo. No tengo totalmente claro cual de los dos efectos predomina pero supongo que globalmente lo que sucede es que el compresor aumenta el caudal trasegado a expensas de una disminución de la relación de compresión. Gráficamente eso se reflejaría en un desplazamiento hacia la derecha del punto de funcionamiento del motor sobre una línea de N/sqtrt(T1) constante del compresor. A altas vueltas sucedería lo mismo, pero ahora con el peligro de que entren en bombeo los últimos escalonamientos