Investigación de los Ajustes Operacionales, Condiciones Ambientales y Fallos en el Rendimiento de la Turbina de Gas

Resumen Las turbinas de gas son maravillas mecánicas complejas ampliamente empleadas en diversas aplicaciones como embarcaciones marinas, aeronaves, generación de energía e instalaciones de bombeo. Sin embargo, su naturaleza intrincada las hace susceptibles a numerosos fallos operacionales, comprometiendo significativamente su rendimiento y llevando a emisiones excesivas, lo que a su vez incurre en severas multas por parte de los organismos reguladores ambientales. Además, la deterioración del rendimiento de las turbinas de gas se ve agravada por variaciones en las condiciones de trabajo según los ajustes operacionales y las condiciones ambientales. Estudios anteriores se han centrado en ciertas condiciones de trabajo que limitan la efectividad en aplicaciones del mundo real donde los ajustes operacionales y las condiciones ambientales varían durante las operaciones. También es necesario evaluar la influencia de estas condiciones de trabajo en el rendimiento de las turbinas de gas, ya que pueden conducir a diferentes patrones de falla que resultan en mantenimiento no planificado, costos de mantenimiento innecesarios, condiciones inseguras y multas severas. Este estudio utiliza el programa de simulación de turbinas de gas para simular un motor turbofan de alto bypass inspirado en el Pratt & Whitney PW-4056, analizando los efectos combinados de los ajustes operacionales y las condiciones ambientales en el rendimiento del motor, incorporando además simulaciones de fallos comunes de turbinas de gas como el ensuciamiento y la erosión en varias ubicaciones y severidades a lo largo del camino del gas. La precisión del modelo se confirma mediante bajos errores porcentuales absolutos medios de 0.004% de empuje en el punto de referencia del ciclo y 0.15% y 0.28% a altitudes de 2 km y 7 km, respectivamente, demostrando la robustez del modelo en diferentes escenarios operacionales. En conclusión, esta investigación destaca los efectos significativos de los ajustes operacionales y los factores ambientales en el rendimiento de las turbinas de gas, impactando especialmente el consumo específico de combustible y el empuje. El estudio revela que los ajustes operacionales y los factores ambientales impactan significativamente el consumo de combustible y el empuje. Específicamente, el ensuciamiento del compresor y la erosión de la turbina de baja presión aumentan las emisiones de óxido de nitrógeno (NO x ) en un 4.5% y 11.1%, mientras que el ensuciamiento de las palas de guía de boquilla y la erosión de la turbina de alta presión aumentan los hidrocarburos no quemados en un 10.0% y 20.2%, y el monóxido de carbono (CO) en un 3.2% y 5.2%, respectivamente, en comparación con un motor saludable. Estos hallazgos destacan la importancia de la degradación específica de los componentes en la influencia del rendimiento y las emisiones de las turbinas de gas.