What is a Gas Turbine? (For beginners)

Summary

El script explora las aplicaciones de las turbinas de gas en la industria moderna, destacando las turbinas de gas como generadores eléctricos y compresores turbo. Se describe cómo la turbina de gas convierte la energía química en energía mecánica, alimentando un generador para producir electricidad. Se mencionan componentes clave como la cámara de combustión, el compresor de aire, y la importancia de la mezcla de aire y gas para una combustión eficiente. La transmisión de energía se mejora con transformadores de subida de tensión. Además, se destacan las tecnologías avanzadas y la necesidad de monitoreo constante para garantizar el rendimiento y protección de la turbina.

Takeaways

• 🔧 Los Turbinas de Gas tienen dos aplicaciones comunes en la industria moderna: Generadores de Turbogas y Compresores de Turbogas.
• 🎥 El generador de turbogas (GTG) es un dispositivo que transforma la energía química en energía mecánica, la cual luego se convierte en energía eléctrica.
• 🔋 Para mejorar la eficiencia en la transmisión de energía, es necesario aumentar la tensión del voltaje generado mediante transformadores de subida de tensión.
• 🚀 La turbina de gas funciona bajo el principio de que la combustión de combustible genera gases de escape de alta presión que, al ser dirigidos hacia un conjunto de palas de turbina, transforman la energía mecánica lineal en energía mecánica rotativa.
• 🔥 El 'Triángulo de Combustión' es esencial para comprender cómo se transforma la energía química en energía mecánica en una turbina de gas.
• 🌬 El aire ingresa a la turbina de gas a través de un toma de aire, donde se mezcla con el combustible natural para la combustión.
• 🔊 La calidad de la combustión es crítica y se monitorea mediante la presión y temperatura del aire y gas, así como la relación aire/gas.
• 🛠 El combustible gas es un factor clave en el diseño y operación de una turbina de gas, y su monitoreo es esencial para garantizar el rendimiento.
• 🔊 Las cámaras de combustión son estructuras resistentes al calor que requieren tecnología avanzada para su diseño y construcción.
• 🌡 La temperatura en diferentes puntos de la cámara de combustión se monitorea con sensores como termopares para garantizar la eficiencia y seguridad.
• 🌀 La rotación de la turbina es un proceso crítico que debe ser supervisado constantemente para mantener el rendimiento y proteger la turbina.
• 🛑 La vibración y la velocidad, tanto en el compresor de aire como en la turbina de gas, son factores importantes que deben ser considerados para la operación segura y eficaz.

Q & A

¿Cuáles son las dos aplicaciones más comunes de las turbinas de gas en las industrias modernas?

Las dos aplicaciones más comunes de las turbinas de gas son las turbinas generadoras eléctricas y las compresores turbo.

¿Qué es un Gas Turbo Generador (GTG) y cómo funciona para generar electricidad?

Un GTG es una turbina de gas que utiliza el gas natural o un combustible similar para transformar la energía química en energía mecánica, la cual es luego transferida al eje de un generador eléctrico a través de un transmisor para producir energía eléctrica.

¿Por qué es necesario un transformador de subida de tensión en una central eléctrica de turbina de gas?

Un transformador de subida de tensión es necesario para aumentar la tensión del voltaje generado inicialmente a un nivel más alto, lo que ayuda a reducir las pérdidas de potencia en las líneas de transmisión y a entregar energía al sistema eléctrico.

¿Cómo se compara la turbina de gas con un cohete en términos de transformación de energía?

La turbina de gas se compara con un cohete en la medida en que ambas transforman la energía química del combustible en energía mecánica, pero en lugar de moverse hacia adelante como un cohete, la turbina de gas se fija en una estructura y utiliza la energía del gas de escape para girar un eje de turbina.

¿Cuáles son los ingredientes necesarios para la combustión en una turbina de gas según el Triángulo de la Combustión?

Los ingredientes necesarios para la combustión en una turbina de gas son el combustible, el aire y el calor, que se encuentran en la cámara de combustión de la turbina de gas.

¿Cómo se asegura la mezcla adecuada de aire y gas en la cámara de combustión de una turbina de gas?

La mezcla adecuada de aire y gas se asegura mediante tecnologías específicas de cada fabricante, que incluyen la inyección de combustible en la cámara de combustión desde la circunferencia y en diferentes puntos transversales.

¿Por qué es importante monitorear las temperaturas en diferentes puntos de la cámara de combustión?

Es importante monitorear las temperaturas en diferentes puntos de la cámara de combustión para garantizar una combustión eficiente y para controlar y mantener la temperatura dentro de los límites de diseño de la turbina de gas.

¿Qué es un compresor de aire turbo y cómo funciona en una turbina de gas?

Un compresor de aire turbo es un compresor axial compuesto de múltiples etapas de palas, montadas radialmente en el eje de admisión de la turbina. Incrementa la presión y la temperatura del aire para mejorar la calidad de la combustión en la cámara de combustión.

¿Qué medidas se toman para proteger el sistema de turbina de gas de las partículas no deseadas en el aire de entrada?

Para proteger el sistema de turbina de gas, se implementan filtros de aire y se monitorea la presión de ventilación y la temperatura en el conducto de aire, además de precalentamiento o condicionamiento del aire en entornos adversos.

¿Qué tecnologías se utilizan para diseñar y construir la cámara de combustión de una turbina de gas?

Las cámaras de combustión son estructuras tubulares resistentes al calor, diseñadas y construidas con tecnologías de punta para garantizar una combustión eficiente y segura.

¿Cómo se monitorea el rendimiento y la protección de la turbina de gas durante la operación normal?

Se monitorean las vibraciones (axiales y radiales) y las velocidades tanto en el compresor de aire como en la turbina de gas, y se controla la sobrepresión de la turbina según la carga que esta soporta.

Outlines

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🔧 Funcionamiento básico de la turbina de gas y su aplicación en plantas eléctricas

El primer párrafo introduce las aplicaciones comunes de las turbinas de gas, destacando las turbinas de gas turbogeneradoras y turbocompresoras. Se describe el proceso de transformación de la energía química en energía mecánica mediante la combustión de gas natural en una turbina de gas, y luego en energía eléctrica por medio de un generador. Se menciona la necesidad de transformadores de subida de tensión para gestionar las pérdidas de potencia en las líneas de transmisión. A continuación, se hace una analogía con un cohete para explicar la transferencia de energía mecánica a la turbina, y se introducen los componentes clave de una turbina de gas moderna, incluyendo el triángulo de la combustión y su importancia en la operación de la turbina.

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🛠 Detalles técnicos del funcionamiento interno de una turbina de gas

El segundo párrafo se enfoca en los componentes internos y el funcionamiento detallado de una turbina de gas. Se discute la importancia de la filtración del aire y el monitoreo de la presión y temperatura en el conducto de aire. Se describe el proceso de compresión del aire y la necesidad de una mezcla eficiente de aire y gas para una combustión óptima. Se destaca la importancia de la cámara de combustión y su diseño resistente al calor, así como el monitoreo de temperaturas críticas. Finalmente, se abordan los aspectos de la rotación de la turbina, la importancia de la supervisión de la velocidad y las vibraciones, y se menciona que hay tecnologías exclusivas de los fabricantes que no se incluyeron en el video. El párrafo concluye con una promoción del sitio web realpars.com para aprender programación de PLC.

Keywords

💡Gas Turbines

Los 'Gas Turbines' son máquinas que convierten la energía química del combustible en energía mecánica. Son fundamentales en la industria moderna y se utilizan en aplicaciones como generadores de turbina de gas (GTG) y compresores turbo. En el video, se menciona que el turborreactor es una forma de 'Prime Mover' que permite a un generador crear energía eléctrica.

💡Turbina de Gas

La 'Turbina de Gas' es un componente clave en una planta de energía a gas. Transforma la energía química del combustible en energía mecánica, la cual luego es transferida al generador para producir electricidad. El script destaca cómo la turbina de gas es esencial para la generación de electricidad en una planta de turbina de gas.

💡Generador

El 'Generador' es un dispositivo eléctrico que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. En el contexto del video, el generador necesita un 'Prime Mover', que en este caso es una turbina de gas, para funcionar. El generador se menciona como parte integral de la planta de energía a gas.

💡Transformador de Subida de Tensión

El 'Transformador de Subida de Tensión' es utilizado para aumentar el voltaje de la energía eléctrica producida por el generador. Esto ayuda a reducir las pérdidas de potencia en las líneas de transmisión, permitiendo que la energía eléctrica se transporte de manera eficiente hasta la red. El script lo menciona como un paso necesario después de la generación de electricidad.

💡Combustión

La 'Combustión' es el proceso por el cual la energía química del combustible se transforma en energía térmica y, posteriormente, en energía mecánica. En el video, se describe cómo la combustión en la cámara de combustión de la turbina de gas es esencial para la producción de gas de escape de alta presión.

💡Cámara de Combustión

La 'Cámara de Combustión' es el lugar donde el combustible y el aire se mezclan y se queman para producir el gas de escape de alta presión y temperatura. Es un componente crítico en la turbina de gas y se monitorea cuidadosamente para garantizar una combustión eficiente. El script lo describe como el lugar donde se quema el combustible en la turbina de gas.

💡Compresor de Aire

El 'Compresor de Aire' es una parte del gas turbo que aumenta la presión del aire entrante. Es un compresor axial con múltiples etapas de palas que se montan en el eje de entrada del turborreactor. El script menciona que el compresor de aire es importante para la calidad de la combustión.

💡Gas Natural

El 'Gas Natural' es un tipo de combustible utilizado en las turbinas de gas. Se menciona en el script como el combustible que se quema en la cámara de combustión para producir energía. La calidad y características del gas natural son importantes para el diseño y operación de la turbina de gas.

💡Palas de Turbina

Las 'Palas de Turbina' son componentes que se encuentran en el camino del gas de escape de alta presión. Transforman la energía mecánica lineal del gas en rotación del eje de la turbina, lo que permite al generador producir electricidad. El script describe cómo las palas de turbina son esenciales para la transformación de energía.

💡Monitoreo

El 'Monitoreo' es un proceso crítico en la operación de una turbina de gas, donde se supervisan parámetros como la presión, la temperatura, las vibraciones y la velocidad del rotor. El script resalta la importancia del monitoreo para garantizar el rendimiento y la protección de la turbina.

💡Programación de PLC

La 'Programación de PLC' se menciona al final del script como una habilidad que los espectadores pueden aprender en realpars.com. Aunque no es directamente relacionado con el tema principal del video, indica una área de interés para el público objetivo de los videos de RealPars.

Highlights

Gas Turbines are widely used in industries for applications such as Turbo Generators and Turbo Compressors.

A Gas Turbo Generator (GTG) converts the chemical energy in fuel into mechanical energy, which is then used to generate electricity.

The mechanical energy is transferred to the Generator's shaft through a gearbox.

Electricity generated has a low or medium voltage, requiring step-up transformers to reduce power loss in transmission.

A detailed explanation of the Gas Turbine mechanism is provided, comparing it to a rocket's operation.

The transformation of chemical energy into rotational mechanical energy is key for the turbine to act as a Prime Mover.

The importance of the 'Fire Triangle' in the combustion process of a Gas Turbine is emphasized.

Air intake and filtration are crucial for preventing system contamination and maintaining performance.

The turbine air compressor is a multi-stage axial compressor that increases air pressure and temperature for combustion.

Fuel gas characteristics are essential for the design and operation of a gas turbine, with pressure and temperature being monitored.

Combustion chambers are critical structures where fuel is injected and mixed with air for efficient combustion.

Monitoring the temperature at different locations within the combustion chamber is vital for control and safety.

The high-pressure/high-temperature exhaust gas generated is used to rotate the turbine shaft.

The Gas Turbine rotor's high RPM and load-driven surge are critical for performance and protection.

Vibrations and speeds of both the air compressor and gas turbine must be continuously monitored.

The video acknowledges the complexity of Gas Turbines and the proprietary technologies used by manufacturers.

PLC programming is promoted as a way to advance one's career in the industry.

Transcripts

Two of the most common applications of Gas Turbines in modern industries

are Turbo Generators and Turbo Compressors.

I try to approach a Gas Turbo Generator (GTG) to better feel the subject.

before we get started on today's video

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In a Gas Turbine Power Plant,

there’s a Generator which is an electrical machine.

But to generate electricity

this generator needs a Prime Mover

which for my example is a Gas Turbine.

The Gas Turbine transforms the chemical energy in the fuel

(i.e. natural gas or the similar fuel) into mechanical energy.

The mechanical energy generated by the Turbine exit shaft

is then transferred through a gearbox to the Generator’s shaft.

Now my generator can create electrical energy.

This primitive form of electrical energy normally has a low

or medium level of voltage

and to better manage the power loss in transmission lines,

this voltage should be increased by step-up transformers.

Such transformers give an adequate level of voltage to the electrical energy

to be transmitted through the transmission lines and delivered to the grid.

After this brief overview of a sample Gas Turbine application,

I’m going to dig down into the Gas Turbine mechanism in more detail.

First, imagine a rocket

in which some fuel is going to burn and create a high-pressure exhaust gas.

Based on energy conservation law,

the chemical energy of the fuel is transformed into mechanical energy

in the high-pressure exhaust gas.

When a rocket is fired,

the thrust of this exhaust gas moves the rocket forward.

This amount of rocket science is enough for me

and now suppose I fix the rocket body with a robust mechanical structure

to prevent its movement.

What will happen?

The high-pressure exhaust gas

should be released and it will have no way but backward!

Now keep this structure in mind

and imagine I put a set of turbine blades

in the path of this high-pressure back-fired exhaust.

You see that the release of mechanical energy

which is mostly in a “linear” backward direction

will mostly transform into kind of “rotational” of turbine shaft

and so far I’d say it’s a big success,

i.e. transforming the chemical energy of fuel gas

into rotational mechanical energy of turbine shaft.

Now I have a “Prime Mover” for my generator

in the above power plant example.

Also, this prime mover concept can be used in different applications

like turbo compressors or the likes.

Now that I have the basics of Gas Turbines,

let’s focus on a modern Gas Turbine and its components.

Most likely you know about “Fire Triangle” or “Combustion Triangle”

which illustrates the necessary ingredients of fire or combustion,

i.e. “Fuel”, “Air”, and “Heat”.

To transform the chemical energy of the fuel gas into mechanical energy,

the fuel should be burnt in the “Combustion Chamber” of a gas turbine,

so I need air and heat added to the fuel.

Air is let into the gas turbine through “Air Intake”

and mixed with a proper amount of natural gas.

The Air/Gas ratio is determined based on the specific heating value of the gas

and quality of the air, amount of moisture, altitude from sea level and so on.

Now an ignition system steps in and makes the initial sparks,

whereby heat is provided.

When the fire is established and stabilized in the combustion chamber,

the ignition system will be put out of service.

The most critical process in normal turbine operation

is to manage the combustion

and produce a proper amount of high-pressure exhaust gas.

This exhaust gas is applied to the turbine blades

and after rotating the turbine shaft, conducted to the exhaust stack.

With this quick review of key components of a Gas Turbine,

I think it’s time to decrease the altitude and elaborate on the system further.

As mentioned earlier, air is let into the Gas Turbine through Air Intake.

The air is prone to contaminations or having some unwanted particles

which can harm the system and degrade the overall performance.

The screening and filtration are basic requirements for incoming air.

Also, proper instrumentation is mounted on the Air Duct

to monitor the draft pressure and temperature.

In harsh environments, the air might need to be preheated or conditioned.

Also, differential pressure monitoring of air filters

will warn the turbine operator of filter clogging.

The conditioned air is conducted into the “turbine air compressor”

which is an axial compressor comprised of multi-stages of blades

mounted radially on the turbine inlet shaft.

The discharge pressure and temperature of the air compressor

are monitored to manage the combustion quality at the combustion chamber.

“Fuel gas” is a key factor in the design and operation of a gas turbine.

The manufacturers need to know the details of fuel gas

and only based on its characteristics

can guarantee the performance of their gas turbines.

Also, the pressure and temperature of fuel gas

are monitored during normal operation of a gas turbine.

There are different technologies in properly mixing the air and gas

and making efficient combustion from manufacturer to manufacturer.

Combustion chambers are of some tubular heat resistant structures

and fuel is usually injected into it from the circumference

and at different cross-sectional locations.

The temperatures at different locations of the combustion chamber

are thoroughly monitored by means of proper sensors like thermocouples.

This high-temperature/high-pressure zone in gas turbine structure

is of the highest levels of importance to monitor and control.

Also, the technologies used in the design and construction of the combustion chamber

are of the topmost ones.

Now that the Air/Gas mixing is well managed

and combustion is going on properly,

there is a plenty amount of high-pressure/high-temperature exhaust gas

generated and should be applied to the gas turbine blades

to make turbine exit shaft rotation feasible.

At this stage, the high RPM of Gas Turbine rotor

should be tightly monitored and based on the load driven by the turbine,

the surge of turbine gets the topmost importance

for turbine performance and turbine protection.

Vibrations (axial and radial) and speeds,

both at the air compressor and gas turbine

should be continuously taken into consideration.

This was the simplest way to address major parts of Gas Turbines

and as one of the most sophisticated man-made machines,

a Gas Turbine deserves more elaboration.

Also, there are different technologies which some manufacturers use

as their proprietary technology and were not considered in this video.

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