Qué es un turbogenerador : Funcionamiento y sus aplicaciones

El turbo, como su nombre indica, utiliza una turbina para generar electricidad. El primer turbogenerador conocido como generador eléctrico se accionaba mediante una turbina de agua. Un ingeniero llamado "Charles Algernon Parsons" demostró en el año 1887 un turbogenerador de corriente continua alimentado por una dinamo. Posteriormente, el primer gran turbogenerador industrial de corriente alterna fue suministrado con megavatios de potencia a una central nuclear en el año 1901, en Elberfeld, Alemania.

El turbogenerador se utiliza como fuente de energía en las locomotoras de vapor para la iluminación de los vagones y las bombas de agua utilizadas para los sistemas de calefacción. Este artículo presenta una visión general de un turbogenerador y su funcionamiento con aplicaciones.

¿Qué es un turbogenerador?

Un generador eléctrico que se conecta al eje de una turbina de gas o vapor para generar energía eléctrica se conoce como turbogenerador. Los turbogeneradores con una gran potencia de vapor proporcionan principalmente electricidad en todo el mundo. Estos generadores también se utilizan en los barcos turboeléctricos de vapor. Los pequeños turbogeneradores accionados mediante turbinas de gas se utilizan con frecuencia como APU (unidades de potencia auxiliar), especialmente en los aviones. A continuación se muestra la imagen de un turbogenerador.

Principio de funcionamiento

El turbogenerador funciona según el principio de inducción electromagnética. Una vez que esta turbina se conecta al generador eléctrico, la energía cinética (K.E) del vapor se opone a las palas del ventilador de la turbina, por lo que el rotor del generador eléctrico girará y generará electricidad.

Construcción del turbogenerador

La construcción de un turbogenerador puede realizarse utilizando diferentes componentes como el estator, el bastidor del estator, el núcleo del estator, el bobinado del estator, el buje, el sistema de excitación, el sistema de refrigeración, el rotor, el eje del rotor, el bobinado del rotor, el anillo de retención, las cuñas del rotor y el ventilador del rotor. El piezas del turbogenerador se comentan a continuación.

Estator y bastidor del estator

El estator es una parte estacionaria del generador, mientras que el bastidor del estator es la parte más pesada del generador. El cuerpo del estator está completamente rodeado de gas y su estructura está formada por acero austenítico y acero dulce de alta calidad. Este bastidor se utiliza para reducir las vibraciones y soportar la presión del gas térmico.

Núcleo del estator

El núcleo del estator incluye una lámina fina en la que cada lámina está hecha con un número de segmento individual. Las principales características de los núcleos de estator son que dan soporte mecánico y transportan el flujo magnético de forma eficiente. En este caso, las laminaciones finas se utilizan para disminuir las corrientes parásitas.

Bobinado del estator

El devanado del estator tiene tres fases y un devanado de doble capa con un paso, por lo que podemos ajustar para disminuir los armónicos 5º y 7º.

Casquillo

La apertura y el final de los devanados trifásicos se separan del bastidor del estator mediante casquillos para proporcionar un aislamiento de alta tensión. Estos casquillos se conectan al bastidor del estator en el extremo del excitador.

Eje del rotor

El eje del rotor es una pieza única y sólida, diseñada a partir de acero fundido al vacío en la que se disponen las ranuras. El borde del cuerpo del rotor está provisto de un 60% de ranuras longitudinales con bobinado de campo.

Cuñas del rotor

El rotor es una parte giratoria del turbogenerador, por lo que protege el bobinado de los efectos de la fuerza centrífuga y se protege con cuñas de ranura del rotor. Estas cuñas están diseñadas con una aleación de cobre.

Ventilador del rotor

El aire de refrigeración dentro del turbogenerador se dispersa a través de ventiladores axiales que se colocan en el eje del rotor. Por ejemplo, en el tipo de rotor de 250 MW, se utilizan dos ventiladores de flujo axial tanto en el extremo de la excitación como en la turbina, mientras que en los 500 MW los ventiladores axiales se utilizan principalmente sólo en el extremo de la turbina.

Conjunto del turbogenerador

Una vez fabricados el rotor y el estator, todas estas piezas se conectan sobre la bancada de montaje.

Sistema de excitación

La excitación es el procedimiento de generación de un campo magnético mediante una corriente eléctrica. El turbogenerador es una máquina especialmente excitadora. El sistema de excitación proporciona la corriente de campo de corriente continua adecuada al devanado de campo.

Excitador sin escobillas

El excitador sin escobillas incluye dos partes esenciales como un excitador principal trifásico y un excitador piloto magnético permanente.

Sistema de refrigeración

El sistema de refrigeración del turbogenerador se utiliza principalmente para disolver el calor generado a través de diferentes pérdidas y para prolongar la vida del material aislante. Este sistema se divide en tres partes: refrigeración por aire, por hidrógeno y por agua.

La velocidad de un turbogenerador suele ser de 1500 rpm o 3000 rpm incluyendo dos o cuatro polos a una frecuencia de 50 Hz y de 1800 rpm o 3600 rpm incluyendo dos o cuatro polos a una frecuencia de 60 Hz. Las piezas giratorias de este generador pueden provocar grandes tensiones mecánicas debido a la velocidad máxima de funcionamiento. En los turbogeneradores, el rotor se suele forjar utilizando aleaciones y acero macizo para que sea resistente mecánicamente.

Tipos de turbogeneradores

Los turbogeneradores están disponibles en tres tipos que son los siguientes

• Turbogenerador refrigerado por aire
• Turbogenerador refrigerado por hidrógeno
• Turbogenerador refrigerado por agua

Turbogenerador refrigerado por aire

Los turbogeneradores refrigerados por aire se utilizan para proporcionar una solución moderna y de alta calidad para el funcionamiento de las cargas en diferentes centrales eléctricas con un mantenimiento sencillo y económico. Los turbogeneradores refrigerados por aire son fiables, robustos y de fácil mantenimiento. Estos turbogeneradores son muy flexibles para utilizarlos con otras turbinas, como las de vapor y las de gas, en configuraciones de varios o un solo eje. Estos turbogeneradores son muy útiles en las aplicaciones geotérmicas porque debido a algunas condiciones ambientales severas como la humedad y el sulfuro de hidrógeno en la atmósfera.

Estos turbogeneradores incluyen devanados de estator refrigerados indirectamente y devanados de rotor refrigerados directamente. Estos generadores se ventilan de forma independiente dentro de un circuito cerrado mediante refrigeradores aire-agua.
El kit de presurización permite ampliar la potencia. El reducido impacto de los sistemas auxiliares simplifica la gestión de la unidad y reduce el coste de las piezas de recambio.

Turbogenerador refrigerado por hidrógeno

Un turbogenerador refrigerado por hidrógeno utiliza hidrógeno gaseoso como refrigerante. Estos tipos de turbogeneradores están diseñados principalmente para proporcionar un entorno de baja resistencia, refrigeración para aplicaciones de un eje y de ciclo combinado en combinación con turbinas de vapor. Por ello, este generador es el más utilizado en diferentes campos debido a sus altas propiedades térmicas y de hidrógeno gaseoso.

Las características de un turbogenerador refrigerado por hidrógeno son su larga vida útil y su alto rendimiento. El hidrógeno en este generador aumenta su rendimiento, eficiencia y proporciona bajas pérdidas por fricción. Hay diferentes modelos de turbogeneradores disponibles en el mercado, como la fiabilidad óptima, la buena calidad y el alto rendimiento. Estos generadores son fuertes, consistentes y de fácil mantenimiento.

Este turbogenerador está sellado herméticamente para evitar la fuga de gas hidrógeno. La falta de oxígeno (O2) en el ambiente disminuye significativamente el daño del aislamiento de los devanados. El gas hidrógeno (H2) se dispersa en el campo del rotor y se enfría mediante un intercambiador de calor de gas a agua.

Turbogenerador refrigerado por agua

Los turbogeneradores refrigerados por agua son la mejor solución para los rangos de potencia máxima. Se utilizan en grandes centrales eléctricas gracias a su sólido diseño. Los turbogeneradores refrigerados por agua cumplen la normativa PED y ATEX para ofrecer un funcionamiento seguro cuando se dispone de gas H2.

Todos los generadores, incluidos los devanados del estator refrigerados por agua, se fijan mediante placas de prensa laminadas para disminuir las diferentes pérdidas y también para eliminar los puntos calientes.

Ventajas y desventajas

El ventajas de los turbogeneradores son las siguientes

• Alta fiabilidad
• La respuesta del control es alta
• La eficiencia es alta
• Larga vida útil.
• No depende de la temperatura del aire.
• Fácil de incorporar mediante un equipo accesible.
• Fácil de montar en el aparejo.

El desventajas de los turbogeneradores incluyen las siguientes.

• Incluye pequeños componentes
• Su mantenimiento es difícil debido a la naturaleza intrincada de los componentes.
• Utiliza la velocidad muy baja del aire para retrasar el rendimiento.
• El tamaño es grande
• Peso pesado
• Caro

¿Dónde se utilizan los turbogeneradores/aplicaciones?

El aplicaciones de los turbogeneradores incluyen las siguientes.

• Un turbogenerador se utiliza para generar energía eléctrica conectándolo al eje de una turbina de vapor o de gas.
• Los grandes turbogeneradores basados en el vapor proporcionan la electricidad
• Estas turbinas son utilizadas por los barcos turboeléctricos impulsados por la corriente.
• Los pequeños turbogeneradores funcionan mediante turbinas de gas, por lo que se utilizan frecuentemente como APU (unidades de potencia auxiliar).
• Los turbogeneradores pueden utilizarse como unidades de potencia auxiliar.
• Se trata de generadores de motor que utilizan combustible diésel para controlar el motor in situ.
• Estos generadores se utilizan cuando se necesita energía de emergencia y de reserva cuando se produce un fallo en la red eléctrica.
• Los turbogeneradores se utilizan en los hospitales en caso de pérdida de energía.
• Se utiliza en diferentes centrales eléctricas como las solares, las térmicas, las hidroeléctricas, etc.

¿Puede el aluminio alimentar un generador?

Sí, debido a su densidad energética, su capacidad máxima teórica, su bajo coste, su abundancia en la tierra, su rápida recarga, etc.

¿Cuáles son los métodos de carga de los turbogeneradores?

Un turbogenerador puede cargarse mediante un único método, conectando un generador de energía eléctrica al eje de la turbina de expansión.

¿Por qué los turboalternadores funcionan a altas velocidades?

Los turboalternadores no son más que alternadores de alta velocidad y la velocidad de estos alternadores oscila entre 1500 y 3000 rpm. Estos alternadores funcionan a alta velocidad para reducir el diámetro del rotor y poder aumentar la longitud del axial.

¿Cuál es la diferencia entre generador y alternador?

La principal diferencia entre generador y alternador es que, en el alternador, el inducido está inactivo y el sistema de campo gira, mientras que en el generador, el inducido gira y el campo es extremadamente inactivo.

¿Por qué necesitamos un generador de carga?

El generador de carga se utiliza principalmente para generar carga en el servidor y comprobar su escalabilidad y rendimiento.

Por lo tanto, se trata de una visión general de un turbogenerador y su funcionamiento con aplicaciones. Este generador se utiliza para cambiar la energía de mecánica a eléctrica utilizando combustibles externos como el viento, el vapor, la energía solar, los combustibles fósiles, etc. En este turbogenerador, se conecta un generador a una turbina para suministrar energía mecánica al generador, de modo que la energía mecánica se pueda convertir en eléctrica. Esta conversión de energía puede realizarse mediante la ley de inducción electromagnética de Faraday. El turbogenerador necesita algunos combustibles externos para desarrollar la energía. He aquí una pregunta para ti, ¿cuál es el papel de un turbogenerador en una central térmica?