TURBINA DE GASTURBINA DE GAS

INTRODUCCIONINTRODUCCION

Es importante para el ingeniero mecánico el Es importante para el ingeniero mecánico el conocer profundamente el funcionamiento y los conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia de equipos. Por esto, es de vital importancia conocer los conceptos básicos de estas conocer los conceptos básicos de estas maquinas de combustión. Se hará un breve maquinas de combustión. Se hará un breve recuento de la historia, los conceptos básicos y recuento de la historia, los conceptos básicos y los ciclos de funcionamiento más importantes.los ciclos de funcionamiento más importantes.

HISTORIA DE LA TURBINA DE HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS GAS

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

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

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

CONCEPTOS BASICOS DE UNA TURBINA A GASCONCEPTOS BASICOS DE UNA TURBINA A GAS

Una turbina de gas simple está compuesta de tres Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales:secciones principales:Un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.un dispositivo mecánico, etc.

CICLO DE BRAYTONCICLO DE BRAYTON  

En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.

 

CICLO DE UNA TURBINA DE GAS CICLO DE UNA TURBINA DE GAS

SIMPLEMENTE CON REGENERADORSIMPLEMENTE CON REGENERADOR Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.presiones.

Una variación del sistema de turbina Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. trabajan con bajas presiones.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. van aumentando.

CICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GASCICLO TERMODINAMICO DE LAS TURBINAS DE GAS Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajotransferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajoEl ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos:por cuatro procesos:1-2. Compresión isentrópica en un compresor.1-2. Compresión isentrópica en un compresor.2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión.intercambiador de calor o una cámara de combustión.3-4. Expansión isentrópica en una turbina.3-4. Expansión isentrópica en una turbina.4-5. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en 4-5. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera. un intercambiador de calor o en la atmósfera. 

CICLO ABIERTO Y CERRADOCICLO ABIERTO Y CERRADO

CICLO CON ENFRIAMIENTO DEL AIRECICLO CON ENFRIAMIENTO DEL AIRE

Esta modificación se logra comprimiendo el fluido de trabajo (aire) Esta modificación se logra comprimiendo el fluido de trabajo (aire) en dos etapas e instalando un enfriador entre ellas para remover en dos etapas e instalando un enfriador entre ellas para remover

parte del calor producido en la etapa de compresión.parte del calor producido en la etapa de compresión.

CICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIOCICLO CON RECALENTAMIENTO INTERMEDIO

En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cámara de combustión a la salida de la turbina de alta cámara de combustión a la salida de la turbina de alta presión para elevar la temperatura de los gases que presión para elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de baja presión. entran a la turbina de baja presión.

CICLO REGENERATIVOCICLO REGENERATIVOCiclo regenerativo.Ciclo regenerativo.En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbina en un ciclo de Brayton simple es mayor que la salida de la turbina en un ciclo de Brayton simple es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor. El ciclo regenerativo temperatura del aire a la salida del compresor. El ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de temperaturas para transferir en un aprovecha esta diferencia de temperaturas para transferir en un regenerador o intercambiador de calor, energía térmica de los regenerador o intercambiador de calor, energía térmica de los gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor.gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor.    

TURBINAS DE IMPULSOTURBINAS DE IMPULSO

También conocida como turbina de acción, aprovecha la También conocida como turbina de acción, aprovecha la energía cinética del fluido (vapor o gases calientes a alta energía cinética del fluido (vapor o gases calientes a alta presión) para producir trabajo. Dependiendo de su presión) para producir trabajo. Dependiendo de su diseño las turbinas constan de una o varias etapas y diseño las turbinas constan de una o varias etapas y

cada una de ellas constituida por un estator y un rotorcada una de ellas constituida por un estator y un rotor . . 

                                                                                         

ALABES: superficie aerodinámico cuya función es imprimir o recibir ALABES: superficie aerodinámico cuya función es imprimir o recibir energía de un fluido, o simplemente cambiar la dirección del mismo.energía de un fluido, o simplemente cambiar la dirección del mismo.

ETAPA: Es la pareja conformada por un conjunto de toberas o alabes ETAPA: Es la pareja conformada por un conjunto de toberas o alabes fijos y un conjunto de alabes móviles.fijos y un conjunto de alabes móviles.

ROTOR: Es el conjunto de alabes móviles que forman parte de una ROTOR: Es el conjunto de alabes móviles que forman parte de una turbina o de un compreso axial o radial. Dependiendo de la turbina o de un compreso axial o radial. Dependiendo de la configuración de la maquina varios rotores pueden estar acoplados a configuración de la maquina varios rotores pueden estar acoplados a un mismo eje.un mismo eje.

ESTATOR: Esta conformado por un conjunto de alabes o toberas que ESTATOR: Esta conformado por un conjunto de alabes o toberas que están estáticas en el sistema y generalmente esta unidos al cuerpo o están estáticas en el sistema y generalmente esta unidos al cuerpo o carcaza de la maquina .carcaza de la maquina .

  

TURBINAS DE IMPULSO CON MULTIPLES TURBINAS DE IMPULSO CON MULTIPLES ETAPASETAPAS

En las turbinas de múltiples etapas de presión, la caída de En las turbinas de múltiples etapas de presión, la caída de entalpía y presión ocurre en varias etapas, cada una entalpía y presión ocurre en varias etapas, cada una compuesta por una fila de álabes fijos que actúan como compuesta por una fila de álabes fijos que actúan como toberas y una fila de álabes móviles de impulso.toberas y una fila de álabes móviles de impulso.Este tipo de turbinas tiene un mayor uso en la industria por Este tipo de turbinas tiene un mayor uso en la industria por su capacidad de producir potencias superiores a las su capacidad de producir potencias superiores a las turbinas de etapa simple. El número de etapas puede turbinas de etapa simple. El número de etapas puede oscilar entre 4 y 40 .oscilar entre 4 y 40 .Como se describe en la sección de toberas, el flujo que Como se describe en la sección de toberas, el flujo que pasa por estas sufre una caída de presión y entalpía pasa por estas sufre una caída de presión y entalpía mientras se incrementa su energía cinética. La energía mientras se incrementa su energía cinética. La energía cinética del flujo que sale de las toberas es aprovechada cinética del flujo que sale de las toberas es aprovechada por los álabes de impulso que la transforman en energía por los álabes de impulso que la transforman en energía mecánica al eje de la turbina, disminuyéndose en mecánica al eje de la turbina, disminuyéndose en consecuencia la velocidad del flujo mientras la presión y consecuencia la velocidad del flujo mientras la presión y entalpía permanecen constantes.entalpía permanecen constantes.

CAMARAS DE COMBUSTIÓNCAMARAS DE COMBUSTIÓN

La cámara de combustión es el elemento dentro del cual una La cámara de combustión es el elemento dentro del cual una mezcla de combustible y aire a alta presión se quema. Los gases mezcla de combustible y aire a alta presión se quema. Los gases que resultan del proceso de combustión pasan a la turbina con una que resultan del proceso de combustión pasan a la turbina con una temperatura uniforme .Para que el proceso de combustión se temperatura uniforme .Para que el proceso de combustión se desarrolle correcta y eficientemente en una turbina de gas, la desarrolle correcta y eficientemente en una turbina de gas, la cámara de combustión debe cumplir con las siguientes funciones:cámara de combustión debe cumplir con las siguientes funciones:

Proporcionar los medios necesarios para una adecuada mezcla del Proporcionar los medios necesarios para una adecuada mezcla del aire a alta presión y el combustible.aire a alta presión y el combustible.

Quemar eficientemente la mezcla de aire y combustible.Quemar eficientemente la mezcla de aire y combustible.

Entregar a la turbina los gases con una temperatura uniforme que Entregar a la turbina los gases con una temperatura uniforme que no sobrepase los límites de resistencia de los materiales con los no sobrepase los límites de resistencia de los materiales con los cuales están construidos los álabes del rotor y estator.cuales están construidos los álabes del rotor y estator.

Cámara de combustión tipo CanCámara de combustión tipo CanEste tipo de cámara de combustión fue comúnmente empleado en Este tipo de cámara de combustión fue comúnmente empleado en los primeros diseños de turbinas de gas. Dependiendo del diseño los primeros diseños de turbinas de gas. Dependiendo del diseño del motor, un sistema de combustión puede tener una o varias del motor, un sistema de combustión puede tener una o varias cámaras tipo can, cada una conformada por un inyector de cámaras tipo can, cada una conformada por un inyector de combustible, una pared perforada en forma cilíndrica o tubular combustible, una pared perforada en forma cilíndrica o tubular (liner) y una cubierta individual que la contiene. Las cámaras están (liner) y una cubierta individual que la contiene. Las cámaras están interconectadas por pequeños tubos de propagación de llama que interconectadas por pequeños tubos de propagación de llama que permiten que la combustión iniciada por las bujías en dos de las permiten que la combustión iniciada por las bujías en dos de las

cámaras se propague a las demás. cámaras se propague a las demás. 

Cámara de combustión tipo Can-annularCámara de combustión tipo Can-annularEste tipo de cámaras de combustión es ampliamente usado en los Este tipo de cámaras de combustión es ampliamente usado en los motores de turbina de gas modernos. Consta de una cubierta motores de turbina de gas modernos. Consta de una cubierta exterior anular que contiene varias paredes cilíndricas perforadas, exterior anular que contiene varias paredes cilíndricas perforadas, cada una con un inyector de combustible e interconectadas entre sí cada una con un inyector de combustible e interconectadas entre sí por pequeños tubos de propagación de llama. por pequeños tubos de propagación de llama.

Debido a que una sola cubierta contiene las paredes cilíndricas Debido a que una sola cubierta contiene las paredes cilíndricas perforadas o liners, se ahorra peso por la menor cantidad de metal perforadas o liners, se ahorra peso por la menor cantidad de metal empleado y se obtiene un mejor aprovechamiento del espacio.empleado y se obtiene un mejor aprovechamiento del espacio.

Cámara de combustión tipo AnnularCámara de combustión tipo AnnularEste tipo de cámara de combustión está reemplazando a los tipo Este tipo de cámara de combustión está reemplazando a los tipo can-annular en los motores más modernos. Consiste en una pared can-annular en los motores más modernos. Consiste en una pared perforada o liner y una cubierta dispuestas en forma anular. Varios perforada o liner y una cubierta dispuestas en forma anular. Varios inyectores se instalan a lo largo de la circunferencia de la cámara inyectores se instalan a lo largo de la circunferencia de la cámara de combustión para suministrar el combustible necesario y dos de combustión para suministrar el combustible necesario y dos bujías proporcionan la energía para la ignición de la mezcla.bujías proporcionan la energía para la ignición de la mezcla.

Tengan mejores características en cuanto a eficiencia térmica, peso Tengan mejores características en cuanto a eficiencia térmica, peso y longitud. La menor superficie metálica requerida para contener el y longitud. La menor superficie metálica requerida para contener el flujo de gases hace que se requiera menos aire para su flujo de gases hace que se requiera menos aire para su

enfriamientoenfriamiento