Turbina de gas

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Turbinas de gas
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Turbinas de gas. Es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos

Contenido

Reseña histórica

El ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C.

Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico Siguiente).

En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos. Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería rotar la carne que estaba asando.

En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor. En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaba vapor de agua para movilizarse.

La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso.

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900.

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia.

La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

Partes

Una turbina de gas consta básicamente de un compresor de aire, una cámara de combustión o combustor, la turbina y, para mejorar el rendimiento, un regenerador.

El compresor

Esta ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Esta pieza, por la disposición de sus aletas, permite que el flujo sea "aspirado" hacia el interior de la turbina. Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad. Para pequeñas turbinas se han usado con éxito compresores centrífugos.

Compresor
Compresor

La cámara de combustión o combustor

Se fabrican de tipo cilíndrico (can type) o en forma de anillo (annular type). Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mínimas diferencias de presión. Generalmente se fabrican metálicos y se enfrían con el aire entrante, pero también se están construyendo de cerámica, para lograr una mayor eficiencia térmica.

Los regeneradores

Transmiten el calor de los gases de escape del aire de los compresores. Aumentan rendimiento pero también volumen, peso y costo. Debido a su gran tamaño, no son aconsejables para la industria aeronáutica.

Las turbinas

Son casi siempre de flujo axial (axial flow), excepto algunas de pequeñas dimensiones que son de flujo radial (radial flow) dirigido hacia el centro.

La tobera del escape

Para favorecer el constante flujo del aire en el interior de la turbina y poder dirigir efectivamente el aire proveniente de su rueda, se utiliza un aditamento cónico. Esta tobera de escape aumenta considerablemente el empuje del motor.

Tobera de escape
Tobera de escape

Accesorios

También posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulación de velocidad, de lubricación, de alimentación, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las características de velocidad y de la relación peso / potencia...

Funcionamiento

Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde se envía aire comprimido a la cámara de combustión (en rojo en la figura) en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua (Las flechas en el dibujo indican la dirección del flujo). La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa (Dispositivo de puesta en marcha). El aire, calentado en la cámara de combustión o combustor, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes o cangilones de la turbina. Una fracción de esta energía se emplea para accionar el compresor y el resto para producir trabajo. En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración).

Combustibles

El gas natural (Los variados tipos de turbinas que se utilizan en la actualidad se obtienen de la combinación de cuatro elementos, tomando de ellos uno, dos, tres o cuatro. una forma primordial del metano) es el combustible ideal para las turbinas de gas. Los aceites ligeros destilados forman un combustible apropiado. Los combustibles con azufre, sal o vanadio pueden provocar corrosión a menos que sean lavados con agua y se traten las superficies con aditivos anti-corrosivos. También se ha utilizado carbón pulverizado pero no se han obtenido resultados satisfactorios.

Ciclos

El ciclo básico de la turbina de gas es el BRAYTON o JOULE. Este consta de 2 isentrópicas (1,2) y (3,4) y dos líneas a presión constante (2,3) (4,1).

  • - 1-2 Compresión Isentrópica
  • - 2-3 Adición de energía a P constante
  • - 3-4 Expansión isentrópica
  • - 4-1 Cese de energía a P constante

Aplicaciones

Aviación militar

Para helicópteros, aviones de combate o caza bombarderos, aviones de despegue vertical (Harrier V/tol y V/stol) En este caso se buscan turbinas con temperaturas de admisión mas elevada para lograr mas altas velocidades y despegues verticales

Aplicaciónes
Aplicaciónes

Aviación comercial

Se utilizan aviones de turbina de chorro (turbo-jet) y de turbina de hélice (turbo-fan). En las aerolíneas de carga se emplean turbinas de gran potencia.

Tuberías para transmisión de gas

Es de las industrias que más utilizan turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas superiores a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz.

Transporte

En barcos, la alta potencia específica de las turbinas de gas permite realizar diseños de altas velocidades. Esto es muy útil para barcos tipo containers, botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. También se usan en ferrocarriles, en locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros, pero solo en los últimos ha representado un cambio significativo.

Aeromodelismo

Actualmente se construyen pequeñas turbinas de gas que impulsan aeromodelos a control remoto. Estas se han vuelto las favoritas de los seguidores de este hobby ya que le brindan al modelo una gran velocidad y potencia, mejorando su rendimiento y versatilidad.

Generación eléctrica

Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque, aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. Se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.

Ventajas

Sobre turbinas de vapor:

  • - Instalaciones más compactas
  • - Menos dispositivos auxiliares
  • - No necesitan condensador
  • - No necesitan agua
  • - Lubricación más simple
  • - Fácil control
  • - Cimientos ligeros
  • - Escape limpio (no necesita chimenea)
  • - Relación peso / potencia mas pequeña
  • - No existen limitaciones impuestas por las características de las hélices.

Fuentes

Textos:

  • - Como funcionan las cosas. Pagina: 66 y 67