Cap1 Cohen Saravanamuttoo(1)

TEORÍA DE TURBINAS DE GAS

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AGRADECIMIENTO

1. JOSE RENTERIA2. SOFIA ABAD3. LUIS VILLAR4. ROMAN PEREZ5. RICARDO TALLEDO6. CARLOS SAENZ7. CARLOS VALDIVIEZO8. EDGAR AVILA9. MANUEL FERNANDEZ10. EDER SOCOLA11. CHICHO URIOL12. DANIEL HERRERA13. DANIEL SANCHEZ14. RAUL BURNEO15. MIGUEL CASTILLO16. CRISTHIAN BRIONES17. ERICK MARTINEZ18. JAVIER CASTRO19. VICTOR ALBUJAR20. DANIEL HERRERA21. JACK YAGUANA22. KORY ROSALES23. PAUL SERRANO24. JULIO MALCA


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CAPITULO 1: INTRODUCCION

De los diversos medios de producción de energía mecánica, la turbina es en muchos aspectos lamás satisfactoria. La ausencia de los miembros de movimiento alternativo y rozamiento significaque los problemas de desequilibrio son pocos, que el consumo de aceite lubricante esexcepcionalmente bajo, y que la fiabilidad puede ser alta. Las ventajas inherentes de la turbina serealizaron primero empleando agua como fluido de trabajo, y la energía hidroeléctrica siguesiendo un importante contribuyente a los recursos energéticos del mundo. Alrededor de la vueltadel siglo XX, la turbina de vapor comenzó su carrera y, al margen de su amplio uso como unaplanta de energía, se ha convertido en la fuerza motriz más importante para la generación deelectricidad. Ahora se están utilizando vapor planta de turbina de producción de más de 1000 MWde potencia en el eje con una eficiencia del 40 por ciento

A pesar de su éxito en el desarrollo, la turbina de vapor tiene una desventaja inherente. Se tratade que la producción de vapor de alta presión de alta temperatura consista en la instalación deequipos de producciones de vapor, voluminosas y caras, ya se trate de una caldera convencional oreactor nuclear. La característica importante es que los gases calientes producidos en el horno dela caldera o núcleo del reactor nunca llegan a la turbina, sino que se utilizan meramenteindirectamente para producir un fluido intermedio, es decir, vapor de agua. Una planta de energíamucho más compacta resulta cuando el agua al paso de vapor es eliminado y los gases calientes así mismos se utilizan para accionar la turbina. El Desarrollo de la turbina de gas no siempre seinició antes de la Segunda Guerra Mundial, con la potencia del eje en la mente, pero la atenciónfue rápidamente trasladada al turborreactor para la propulsión de aeronaves.

La turbina de gas comenzó a competir con éxito en otros campos sólo a mediados de los añoscincuenta, pero desde entonces se han hecho progresivamente y provocando mayor impacto enuna gran variedad de aplicaciones.

Con el fin de producir una expansión a través de una turbina de una relación de presión debe serproporcionada, y por lo tanto el primer paso necesario en el ciclo de una planta de turbina de gasdebe ser de compresión del fluido de trabajo. Si después de la compresión del fluido de trabajo seampliara directamente en la turbina, y no existiera pérdidas en cualquiera de los componentes, lapotencia desarrollada por la turbina sería exactamente igual que la absorbida por el compresor.Así, si los dos se acoplaron juntos la combinación podría hacer otra cosa que girar alrededor de símismo. Sin embargo, la potencia desarrollada por la turbina se puede aumentar mediante laadición de energía para elevar la temperatura del fluido de trabajo antes de la expansión. Cuandoel fluido de trabajo es un aire muy conveniente de hacer esto es mediante la combustión decombustible en el aire que se ha comprimido. La expansión del fluido de trabajo caliente acontinuación, produce una mayor potencia de salida de la turbina, por lo que es capaz deproporcionar una salida útil, además de accionar el compresor. Esto representa la turbina de gas oturbinas de combustión interna en su forma más simple. Los tres componentes principales son uncompresor, cámara de combustión y la turbina, conectados entre sí como se muestraesquemáticamente en la figura. 1.1.

En la práctica, las pérdidas se producen tanto en el compresor y la turbina que aumentan lapotencia absorbida por el compresor y disminuir la salida de potencia de la turbina. Una adiciónseguro que la energía del fluido de trabajo, y por lo tanto un cierto suministro de combustible, porlo tanto será necesario antes de que el uno de los componentes pueda conducir a la otra. Estecombustible no produce potencia útil, por lo que las pérdidas de componentes contribuyen a una


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disminución de la eficiencia de la máquina. La adición adicional de combustible tendrá comoresultado una potencia de salida útil, aunque para un flujo de aire dado que hay un límite a lavelocidad a la cual el combustible puede ser suministrado y por lo tanto a la potencia de salidaneta. La relación máxima de combustible / aire que puede ser utilizado se rige por la temperaturade trabajo de los álabes de la turbina sometidos a grandes esfuerzos, que la temperatura no sedebe permitir que exceder un cierto valor crítico. Este valor depende de la resistencia a la fluenciade los materiales utilizados en la construcción de la turbina y la vida de trabajo requerido.

Estos son, pues, los dos factores principales que afectan el rendimiento de las turbinas de gas: laeficiencia de los componentes y la temperatura de trabajo de la turbina. Cuanto más alto sepueden hacer, mejor será el rendimiento general de la planta. Era, de hecho, bajo la eficiencia dela turbina y materiales pobres que provocó el fallo de un número de los primeros intentos deconstruir un motor de turbina de gas. Por ejemplo, en 1904 dos ingenieros franceses, Armengaudy Lemale, construyeron una unidad que poco hizo más que girar sobre sí mismo: la eficiencia delcompresor era probablemente no más de 60 por ciento y la temperatura máxima de gas quepodría ser utilizado era sobre 740 K.

Se muestra en el Capítulo 2 que la eficiencia global del ciclo de la turbina de gas también dependede la relación de presión del compresor. La dificultad de obtener una relación de sufficently de altapresión con una eficiencia suficiente del compresor no se resolvió hasta que la ciencia de laaerodinámica podría aplicarse al problema. El desarrollo de la turbina de gas se ha ido de la manocon el desarrollo de esta ciencia, y el de la metalurgia, con el resultado de que ahora es posibleencontrar motores avanzados utilizando relaciones de compresión de hasta 35:1, la eficiencia decomponentes de 85 - 90 por ciento, y de la turbina temperaturas de entrada superiores a 1650 K.


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En los primeros días de la turbina de gas, se propusieron dos posibles sistemas de combustión: unaa presión constante, el otro a volumen constante. Teóricamente, la eficiencia térmica del ciclo devolumen constante es mayor que la del ciclo de presión constante, pero las dificultades mecánicasson muy mucho mayor. Con la adición de calor a volumen constante, las válvulas son necesariaspara aislar la cámara de combustión desde el compresor y la turbina. La combustión es tantointermitente, lo que perjudica el buen funcionamiento de la máquina. Es difícil diseñar una turbinapara operar de manera eficiente en tales condiciones y, a pesar de varios intentos bastante éxitose hicieron en Alemania durante el período de 1908-1930 para la construcción de turbinas de gasque operan en este sistema, el desarrollo del tipo de volumen constante ha sido descontinuado.En la turbina de gas a presión constante, la combustión es un proceso continuo en el que lasválvulas son innecesarias y que pronto se aceptó que el ciclo de presión constante tenía lasmayores posibilidades de desarrollo futuro.

Es importante darse cuenta de que la turbina de gas en el proceso de compresión, combustión y laexpansión no se produce en un solo componente como lo hacen en un motor alternativo. Seproducen en los componentes que están separados en el sentido de que pueden ser diseñadas,probadas y desarrolladas de forma individual, y estos componentes pueden ser unidos entre sípara formar una unidad de turbina de gas en una variedad de maneras. El número posible decomponentes no se limita a los tres ya mencionados. Otros compresores y turbinas se puedenañadir, con refrigeradores intermedios entre los compresores, y recalentar cámaras decombustión entre las turbinas. Un intercambiador de calor que utiliza parte de la energía en el gasde escape de la turbina para precalentar el aire que entra en la cámara de combustión tambiénpuede ser introducido. Estos refinamientos se pueden utilizar para aumentar la salida de potenciay la eficiencia de la planta a expensas de la complejidad añadida, peso y costo. La manera en laque estos componentes están unidos entre sí no sólo afecta a la eficiencia térmica global máximo,sino también la variación de la eficiencia con la salida de potencia y de par de salida con velocidadde rotación. Una disposición puede ser adecuada para la conducción de un alternador bajo cargavariable a una velocidad constante, mientras que otro puede ser más adecuado para la conducciónde la hélice de un barco, donde la potencia varía como el cubo de la velocidad.

Además de las variaciones del ciclo simple obtenida por la adición de estos otros componentes, sedebe prestar atención a dos sistemas se distinguen por el uso de ciclos de apertura y cerrado. En laapertura de la turbina de gas de ciclo mucho más común que hemos considerado hasta estepunto, el aire atmosférico fresco se introduce en el circuito de forma continua y se añade energíapor la combustión de combustible en el fluido de trabajo en sí. En este caso los productos de lacombustión se expanden a través de la turbina y descargado a la atmósfera. En el ciclo cerradoalternativa que se muestra en la figura. 1.2 el mismo fluido de trabajo, ya sea aire o algún otro gas,se hace circular repetidamente a través de la máquina. Es evidente que en este tipo de plantas elcombustible no puede ser quemado en el fluido de trabajo y la energía necesaria se debe agregaren un calentador o "caldera de gas-'en el que el combustible se quema en una corriente de aireseparada suministrado por un ventilador auxiliar. El ciclo cerrado es más parecido al de la plantade turbina de vapor en el que los gases de combustión no a sí mismos pasan a través de la turbina.En la turbina de gas el 'condensador' toma la forma de un pre-enfriador para la refrigeración delgas antes de que vuelva a entrar en el compresor.


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Aunque se usado poco, numerosas ventajas son reclamados para el ciclo cerrado y estos seránpresentadas en sección 1.3.

Por último, se han propuesto varios ciclos combinados de gas y vapor, con el escape de la turbinade gas suministro de energía a la caldera de vapor. La Figura 1.3 muestra tal sistema. Se hace elmejor uso del calor comparativamente de bajo grado mediante el empleo de un ciclo de vapor dedoble presión. Esto es similar a la utilizada en las centrales de energía nucleares alimentados conuranio natural, que también operan a una temperatura comparativamente baja.Alternativamente, debido a que el oxígeno no utilizado en el gas de escape de la turbina, esposible quemar el combustible adicional en la caldera de vapor. Esto permite el uso de un ciclo depresión-vapor solo, pero en la cara de la complejidad añadida de un sistema de combustión en lacaldera. Con el aumento de las temperaturas del ciclo de los gases de escape entra en la caldera eslo suficientemente caliente como para permitir el uso de un ciclo de vapor de triple presión de laincorporación de una etapa de recalentamiento. A pesar de que las características compactas de laturbina de gas son sacrificadas en una planta de ciclo binario (dual), la mayor eficiencia es muchomás factible de alcanzar con plantas con ciclo simple y que son más usadas en las centralesgeneradoras de energía eléctrica.


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La turbina de gas ha demostrado ser una fuente de energía extremadamente adaptable y se hautilizado para una amplia variedad de funciones, siendo la más usada en la generación de energíaeléctrica y propulsión a chorro para el suministro de aire comprimido y calor a un proceso, y elresto de la introducción está destinado a enfatizar dicha adaptabilidad.

Comenzaremos, sin embargo, analizando las diversas formas en la que los componentes puedenser vinculados entre si, cuando el objeto es la producción de potencia en el eje.

En otras palabras, debemos tener en mente a las turbinas de gas para generación de energíaeléctrica, unidades de bombeo para gaseoductos ya sean transportados por mar o por tierra.

La gran mayoría de turbinas de gas en tierra son usadas para esas aplicaciones, aplicaciones detransporte terrestre y marítimo se encuentran todavía no tan desarrolladas, aunque la turbinas degas son usadas ampliamente en aplicaciones navales.

1.1 Dispociciones en ciclo abierto de un solo eje o eje compartido

Si la turbina de gas requiere operar a una determinada velocidad y condiciones de cargaComo en los sistemas de generacion de energia esquematizados, el arreglo de un solo ejemostrado en la Fig 1.1 es el mas adecuado.Flexibilidad de operación, i.e la rapidez con que lamaquina puede acomodarse a cambios de carga y velocidad de rotacion, no es de importacia enesta aplicación. En efecto la alta inercia efectiva es una ventaja ya que reduce el peligro de excesode velocidad en caso de perdidas electricas de carga.Un intercambiador de calor puede ser agregado como en la Fig1.4(a) para mejorar la eficienciatermica, aunque por el tamaño de la planta , la potencia de salida se podria reducir hasta en 10porciento debido a la perdida de presion en el intercambiador de calor.Como podremos ver en el capitulo 2, un intercambiador de calor es esencial para obtener altaseficiencias cuando la relacion de presion en el ciclo es baja, pero llega a ser menos ventajoso amedida que aumenta la relacion de compresion.

Desarrollos aerodinámicos en el diseño de compresor han permitido el uso de tales proporcionesde alta presión que las eficiencias de más del 40 por ciento ahora se pueden lograr con el ciclosimple. El ciclo de intercambio de calor básica rara vez se considera para los diseños actuales deturbina de gas.


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La figura 1.4 (b) muestra una forma modificada propuesta para su uso cuando el combustible, porejemplo, carbón pulverizado, es tal que los productos de la combustión contienen constituyentesque corroen o erosionan los álabes de la turbina. Es mucho menos eficiente que el ciclo normaldebido a que el intercambiador de calor, inevitablemente imperfecto, toma gran parte de laenergía de transferencia total en la entrada.

Este ciclo se considera sólo si el suministro de combustible "sucio" estaba disponible a un costomuy bajo. Se hizo un gran esfuerzo para desarrollar una turbina de gas de combustión de carbónen los primeros años cincuenta, pero con poco éxito. Más éxito se ha logrado con aceite residual, ysiempre que la temperatura máxima se mantiene a un nivel suficientemente bajo, el ciclo sencillose puede utilizar.

La flexibilidad en la operación es de suma importancia, por ejemplo, cuando manejamos una cargade velocidad variable tal como un compresor de tuberías, hélice marina o vehículo de carretera, esdeseable el uso de un mecanismo independiente turbina de potencia (o libre). En esta disposiciónde doble eje, la figura. 1.5, la turbina de alta presión impulsa el compresor y la combinación actúacomo un generador de gas para la turbina de potencia de baja presión. Sistemas de doble ejepueden ser utilizados para las unidades generadoras de electricidad, con la turbina de potenciadiseñado para funcionar a la velocidad del alternador sin la necesidad de un reductor caro, éstosnormalmente se derivan de los motores a reacción, con el tubo de escape ampliado a través deuna turbina de potencia en lugar de la boquilla de escape original. Una ventaja significativa es quela unidad de arranque sólo tiene que estar dimensionado para girar sobre el generador de gas. Elmotor de arranque puede ser eléctrico, un motor hidráulico, una turbina de expansión operadadesde un suministro de tubería de gas o incluso una turbina de vapor o diesel. Una desventaja deuna turbina de potencia separada, sin embargo, es que un derramamiento de carga eléctricapuede conducir a un rápido exceso de velocidad de la turbina, y el sistema de control debe estardiseñado para evitar esto.

Variación de la energía para ambas unidades individuales-y de doble eje se obtiene mediante elcontrol del flujo de combustible suministrado a la cámara de combustión. A pesar de que secomportan bien en diferentes formas, como se explicará en el capítulo 8, en ambos casos larelación de presión del ciclo y una disminución máxima de temperatura que la potencia se reducea partir del valor de diseño con el resultado de que el rendimiento térmico se deterioraconsiderablemente a carga parcial.

FIG. 1.5 Turbina de gas separada de la turbina de poder.


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El rendimiento de una turbina de gas puede ser mejorada sustancialmente mediante la reduccióndel trabajo de compresión y / o aumentando el trabajo de expansión. Para cualquier relación decompresión dada, la potencia necesaria por unidad de cantidad de fluido de trabajo esdirectamente proporcional a la temperatura de entrada. Si por lo tanto, el proceso de compresiónse lleva a cabo en dos o más etapas con refrigeración intermedia, se reducirá el trabajo decompresión. Del mismo modo, la salida de la turbina se puede aumentar mediante la división de laexpansión en dos o más etapas, y recalentar el gas a la temperatura máxima admisible entre lasetapas. aunque se mejora la salida de potencia en el costo de combustible adicional será pesada amenos que también se emplea un intercambiador de calor. Una disposición de una planta queincorpora refrigeración intermedia, de intercambio de calor y calentar es mostrar en la figura. 1.6.Ciclos complejos de este tipo ofrecen la posibilidad de variar la potencia de salida mediante elcontrol del suministro de combustible a la cámara de recalentamiento, dejando el generador degas de funcionamiento más cerca de sus condiciones óptimas. ciclos complejos se propusieron enlos primeros días de las turbinas de gas, cuando eran necesarios para obtener una eficienciatérmica razonable a las bajas temperaturas de la turbina y las relaciones de presión entoncesposibles. Se puede ver fácilmente, sin embargo, que la simplicidad inherente y la compacidad de laturbina de gas se han visto perdieron. En muchas aplicaciones de bajo costo de capital y elpequeño tamaño son más importantes que la eficiencia térmica (por ejemplo eléctrica en horaspico, con pocas horas de funcionamiento), y es significativo que la turbina de gas no empezó a serampliamente utilizado (aparte de las aplicaciones de aeronaves) hasta más altas temperaturas deentrada de la turbina y las relaciones de presión hacen el ciclo simple económicamente viable. labúsqueda de una mayor eficiencia de aquí para allá como turbina de gas a ser más ampliamenteutilizado en aplicaciones de carga base ha llevado a un renovado interés por los ciclos máscomplejos en los mediados de los años noventa. Un ejemplo es la re-introducción del ciclo derecalentamiento, con una relación de compresión muy alto ciclo sin refrigeración intermedia o deintercambio de calor, lo que puede dar una eficiencia térmica de aproximadamente 36 por ciento.el uso de recalentamiento también da como resultado una temperatura del gas de escape superiora 600 ° C, que le permitirán el uso de recalentar los ciclos de vapor que puede resultar en unaeficiencia de ciclo combinado acercarse a 60 por ciento. Otro ejemplo es el ciclo regenerativointercooler (ICR), propuesto para la propulsión naval, dando a la vez una alta eficiencia térmica enel punto de diseño y excelente eficiencia con carga parcial, una característica muy importante paralos buques que navegan en general a niveles de potencia mucho menores que el valor de diseño.

1.2 Arreglos en el multicarrete


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Para obtener una alta eficiencia térmica y sin el uso de un intercambiador de calor, una altarelación de presión es esencial. Una cierta dificultad que surge entonces es que se deriva de lanaturaleza del proceso de compresión.

Debido a las altas tasas de flujo de masa de aire que participan, compresores de desplazamientono positivo siempre se utilizan en turbinas de gas. Aunque el compresor multietapas centrífuga escapaz de producir una alta relación de presión para potencias moderadas, su eficiencia esapreciablemente menor que la del compresor de flujo axial. Por esta razón, el compresor axial seprefiere normalmente, en particular para unidades de gran tamaño.

Desafortunadamente, este tipo de compresor es más propenso a la inestabilidad cuando se operaen condiciones ampliamente retirados de su punto de funcionamiento de diseño. Cuando uncompresor de tales opera a velocidades de rotación muy por debajo del valor de diseño, ladensidad del aire en las últimas etapas es demasiado bajo, la velocidad de flujo axial se convierteen excesiva, y el puesto de cuchillas. La región inestable, que se manifiesta por la vibraciónviolenta aerodinámico, es probable que se encuentren cuando una turbina de gas se pone enmarcha o funcionamiento a baja potencia.

El problema es particularmente grave si se hace un intento de obtener una relación de presión demás de aproximadamente 8:1 en un compresor. Una forma de superar esta dificultad es dividir elcompresor en dos o más secciones. En este contexto, significa la división de separación mecánica,permitiendo cada sección para funcionar a una velocidad de rotación diferente, a diferencia delcompresor intercooler se muestra en la figura 1.6.

Cuando los compresores son mecánicamente independientes, cada uno requiere su propiaturbina, una disposición adecuada que se muestra en la figura 1.7. El compresor de baja presión esimpulsado por la turbina de baja presión y el compresor de alta presión de la turbina de altapresión. La alimentación se toma normalmente ya sea desde el eje de la turbina de baja presión, ode una turbina de la energía libre adicional. La configuración que se muestra en la figura 1.7 serefiere generalmente como un motor de doble bobina. Cabe señalar que, aunque los dos carretesson mecánicamente independientes, sus velocidades están relacionadas aerodinámicamente yesto se discutirá con más detalle en el capítulo 9.

El diseño de doble carrete fue desarrollado principalmente para los motores de los avionesdiscutidos en la sección 1.4, pero hay muchos ejemplos de ejes de potencia derivados de éstos;una turbina libre es común, pero también es posible utilizar la turbina de baja presión paraconducir tanto el compresor de baja presión y la carga de los controladores. En algunos casos,especialmente con los motores de flujo de aire pequeña, el compresor de alta presión es del tipocentrífugo, esto es debido a que las altas presiones que intervienen la tasa de flujo de volumenson bajas y el perfilado del requerido para un compresor axial sería demasiado pequeño para


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buena eficiencia. Unidades de doble carrete se introdujeron por primera vez en una relación depresión de aproximadamente 10:1 y son adecuados para la relación de presión del ciclo de almenos 35:1. Arreglos de triple carrete también se pueden utilizar en los motores deturboventilador grandes, donde hay un requisito, tanto para la relación de muy alta presión y debaja velocidad de rotación para el ventilador.

Como una alternativa a múltiples carretes, una alta relación de presión se puede emplear deforma segura con un único compresor, si se utilizan varias etapas de álabes del estator variables.Este enfoque fue iniciado por General Electric y relaciones de presión en exceso de 20:1 se hanobtenido de esta manera. También puede ser necesario el uso de válvulas de purga en puntosintermedios en el compresor para manejar el gran desequilibrio de flujoproducido durante elarranque. El compresor de geometría variable de un solo carrete se utiliza casi universalmente enlas grandes unidades de generación de energía eléctrica.

Motores de tecnología avanzada suelen emplear combinaciones de múltiples bobinas, válvulas depurga y estatores variables. Esto es particularmente cierto para los motores turboventiladoresmotores de alta relación de derivación discutidos en la sección 1.4

1.3 ciclos cerrados

Destacan de entre las muchas ventajas para el ciclo cerrado la posibilidad de utilizar una presiónalta (y por lo tanto una densidad alta de gas) durante todo el ciclo, lo que resultaría en unareducción del tamaño de turbo maquinaria para una salida dada y permitir que la salida depotencia sea alterado por un cambio de nivel de presión en el circuito. Esta forma de controlsignifica que una amplia gama de carga puede ser acomodada sin alternancia de la temperaturamáxima del ciclo y por lo tanto con poca variación de la eficiencia global. La principal desventajadel ciclo cerrado es la necesidad de un sistema de calentamiento externo, lo que implica el uso deun ciclo auxiliar e introduce una diferencia de temperatura entre los gases de combustión y elfluido de trabajo. Por tanto, la temperatura de trabajo admisible de las superficies en el calentadorva a imponer un límite superior en la temperatura máxima del ciclo principal. Una disposicióntípica de una turbina de gas de ciclo cerrado se muestra en la figura. 1.8. El ciclo incluye unrefrigerado por agua pre-refrigerada para el fluido del ciclo principal entre el intercambiador decalor y el compresor. En esta disposición particular, el calentador de gas forma parte del ciclo deun conjunto de turbina de gas auxiliar, y la potencia se controla por medio de una válvula deescape y un suministro auxiliar de gas comprimido tal como se muestra.Además de las ventajas de un compresor y de la turbina más pequeña, y el control eficiente, elciclo cerrado también evita la erosión de los álabes de turbina y otros efectos perjudiciales debidoa los productos de la combustión. Además, la necesidad para la filtración del aire de entrada, quees un grave problema en el uso de unidades de ciclo abierto que operan en ambientescontaminados, se elimina. La alta densidad del fluido de trabajo mejora la transferencia de calor,de modo que el intercambio de calor más eficaz es posible.


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Por último, el circuito cerrado abre campo para el uso de gases distintos del aire que tienepropiedades térmicas más deseables. Como se verá en el siguiente capítulo, la marcada diferenciaen los valores de los calores específicos para el aire y un gas monoatómico tal como el helio noafecta a la eficiencia tanto como se podría suponer. Pero, a mayores velocidades de fluido puedenser utilizados con helio y la relación óptima de los ciclos de presión son más bajos, por lo que apesar de la menor densidad de la turbomaquinaria no puede ser mucho mayor. En el lado decrédito, las mejores características de transferencia de calor de helio significan que el tamaño delintercambiador de calor y pre-enfriador puede ser aproximadamente la mitad de las unidadesdiseñadas para su uso con el aire. Por tanto, el costo de capital de la planta debe ser menorcuando el helio es el fluido de trabajo.

En el momento de escribir sólo un pequeño número de plantas de ciclo cerrado se han construido,en su mayoría por Escher-Wyss, y pocos están todavía en servicio. Estaban dentro de la gama depotencia 2-20 MW. Todo el aire como fluido de trabajo utilizado, con una variedad decombustibles como el carbón, gas natural, gas de alto horno, y el aceite. Una planta piloto de 25MW utilizando helio fue construido en Alemania, y se pensó que este fluido de trabajo congrandes conjuntos de hasta 250 MW sería factible. Puede ser que hayan sido necesarios para suuso en la planta de energía nuclear, si los esfuerzos para desarrollar un reactor capaz de funcionara una temperatura suficientemente alta habían tenido éxito. Ventaja considerable cuando seacumula el fluido de trabajo del ciclo de potencia se puede pasar directamente a través del núcleodel reactor, porque Ya no se requieren las bombas de circulación de refrigerante del reactory lacaída de temperatura no deseados asociados con un fluido intermedio (por ejemplo CO2 latemperatura a la temperatura de vapor) se elimina. El helio es un fluido de trabajoparticularmente adecuada en esta aplicación, ya que absorbe neutrones sólo débilmente (es decir,tiene una sección transversal de baja absorción de neutrones). Los intentos para desarrollar elreactor de alta temperatura (HTR) se han suspendido, sin embargo, y los reactores nuclearesconvencionales operan mucho a una temperatura demasiada baja para ser una posible fuente decalor para una turbina de gas. De ello se desprende que las turbinas de gas son poco probable paraser utilizado en cualquier planta de energía nuclear en el futuro previsible.


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Una variedad de pequeñas turbinas de gas de ciclo cerrado (de 20-100 kW de potencia eléctrica)han sido consideradas para el uso en aplicaciones aeroespaciales y bajo el agua.

Las posibles fuentes de calor incluyen un isótopo radiactivo tal como el plutonio 238, lacombustión de hidrógeno, y la radiación solar. Hasta la fecha, ninguno ha sido construido.

1.4 Aeronaves de propulsión

Sin ninguna duda, el mayor impacto de la turbina de gas ha estado en el campo de la propulsiónde aeronaves. El hito más importante en este desarrollo fue el primer motor experimental Whittleen 1937. Desde entonces, la turbina de gas ha sustituido por completo el motor de intercambio,para todos, pero sobretodo en aviones, debido a su relación potencia / peso superior. El ciclopara el simple turborreactor es virtualmente el que se muestra en la figura. 11.1, excepto que laturbina está diseñada para producir sólo el poder suficiente para accionar el compresor. El gas deescape se expande a continuación, a la presión atmosférica en una tobera de propulsión paraproducir un chorro de alta velocidad. La figura 1.9 muestra una vista en sección de un motor areacción Olympus Rolls-Royce. Este motor tiene una importancia histórica, por ser el primer motorde doble bobina de la producción, las primeras versiones fueron utilizadas en el bombarderoVulcan y el derivado avanzado muestra se utiliza para alimentar el transporte supersónicoConcorde. (La Olympus también se ha utilizado ampliamente como un generador de gas paraimpulsar una turbina de energía, tanto para la generación de electricidad y la propulsión debarcos.)

Para las aeronaves de baja velocidad una combinación de hélice y el chorro de escapeproporcionan la mejor eficiencia de propulsión. Figura 1.10 muestra un motor de turbohélice deun solo eje (Rolls-Royce Dart) elegido para ilustrar el uso de un compresor centrífugo (dos etapas)y "puede" haber tipos de cámaras de combustión. Es de destacar que este motor entró en serviciode línea aérea hacia 1953 a una potencia de unos 800 kW, y todavía estaba en producción en1985, con la versión más reciente producción de aproximadamente 2.500 kW, con una mejora enel consumo específico de combustible de alrededor de 20 por ciento.


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Turbopropulsores son también diseñados con una turbina libre de conducción con propulsor o uncompresor propulsor plus LP. “The Pratt” and “Whitney Canada PT-6”, mostrados en la figura 1.11usan a una turbina libre, el uso de la combinación de un compresor axial-centrífugo y de unacámara de combustión de flujo reversible también puede ser apreciada. Este diseño es apropiadopara un rango de potencias entre 450-1200 KW para aeronaves que pueden estar en un rango detamaños desde aeronaves pequeñas para entrenamiento con un solo motor hasta aeronaves detransportes STOL con 4 motores. Otras variantes del uso de la turbina libre es el diseño de turbo-eje para uso en helicópteros, en este caso la turbina entrega potencia al helicóptero y a los rotoresde la cola a través de una compleja caja de cambios y frecuentemente dos motores son acopladosa un solo rotor.

A grandes velocidades subsónicas se expende un chorro propulsor de pequeño flujos de masapero se requieren altas velocidades. Esto en un inicio ocurría en el diseño de turbo-eje, peroposteriormente fue sustituido por el diseño de turbo-ventilador (o bypass) en el cual parte del aireliberado por un compresor LP o un ventilador pasa por el núcleo de la máquina (compresor HP,cámara de combustión y turbinas) para formar un chorro compensador de aire frio que rodea alchorro caliente. Esto da como resultado un chorro de baja velocidad promedio que permite unamejor eficiencia en la propulsión así como una reducción significativa del ruido. La figura 1.12 (a)es un ejemplo de una pequeña máquina con turbo-ventilador (el Pratt and Whitney Canada JT-15D). Esto es un diseño mecánico extremadamente simple con un buen desempeño destinadopara pequeñas aeronaves comerciales donde el criterio del costo es importante. Una disposicióndoble cola se vuelve a utilizar con un compresor centrífugo HP y una cámara de combustión anularde flujo inverso. La cámara de combustión de flujo inverso es muy adecuada para usar con elcompresor centrífugo donde el flujo debe ser difundido desde una muy alta velocidad tangencialhasta bajas velocidades axiales a la entrada del de la cámara de combustión y esta configuraciónes muy ampliamente usada. La figura 1.12 (b) muestra la máquina V2500 diseñada por unconsorcio de 5 naciones y es un diseño avanzado de turbo-ventilador empleado en grandesaeronaves civiles. En estas aplicaciones el consumo de combustible es un parámetro muyimportante, empleando altos radios de derivación así como también altos radios de presión. Sepuede deducir que todo lo que hace referencia a turbo máquinas es del tipo axial y se usa unadirección hasta la cámara de combustión.

Los intercambiadores de calor aún no han sido incorporados en las aeronaves por razones devolumen y peso. A pesar de ello aun es factible su aplicación en motores de turbo-hélice. Esto esfactible porque con gran parte de la salida de potencia neta suministrada a la hélice, la velocidaddel gas expulsad por la turbina es relativamente bajo y la presión perdida por fricción no


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necesariamente es potencialmente alta en un intercambiador de calor de tamaño aceptable.Alrededor de los años 1965 Allison desarrolló una tubo-hélice regenerativa para la marina de losEstados Unidos con la finalidad de obtener un motor con un consumo de combustible específicoexcepcionalmente bajo para su uso en largas patrullas largas antisubmarinos de resistencia. Eneste tipo de aplicaciones es el peso del motor más el peso total del combustible que esfundamental y se observo que el peso del intercambiador de calor queda más que compensadocon el bajo consumo de combustible. Se propuso que el intercambiador de calor debedespreciarse en el despegue para obtener la máxima potencia. El motor no entró enfuncionamiento, pero no es imposible que las unidades de regeneración aparezcan en el futuro, talvez en forma de motores turbo-eje para helicópteros de resistencia a largas distancias.


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1.5 Aplicaciones industriales

En algún momento de este libro vamos a encontrar que es necesario usar los términos distintivo"turbina de gas de aviones"" y "turbinas industriales de gas". El primer término se explica por símismo, mientras que el segundo pretende incluir todas las turbinas de gas no incluidas en laprimera categoría. Esta distinción general tiene que ser hecha por tres razones principales. Enprimer lugar, la vida que requiere una planta industrial es del orden de 100 000 horas sin grandesreparaciones, mientras esto no se espera de una turbina de gas de avión. En segundo lugar,limitaciones de tamaño y peso de una planta de aeronaves es más importante que en el caso de lamayoría de las otras aplicaciones de la turbina de gas. En tercer lugar, la planta de energía deaeronave puede hacer uso de la energía cinética de los gases que salen de la turbina, mientras quese en otros tipos se desperdician y por consiguiente deben mantenerse tan bajos como seaposible. Estas tres diferencias en los requisitos pueden tener un efecto considerable en el diseño ya pesar del hecho de que la teoría fundamental se aplica a ambas categorías, esta será necesariapara hacer la distinción de vez en cuando. La maquinaria de turbinas de gas diseñadasespecíficamente para fines industriales tiende a parecerse mecánicamente más a la de las turbinasde vapor tradicionales que a las construcciones de turbinas ligeras utilizadas en la práctica deaeronaves. La figura 1.13 muestra la construcción robusta empleada en la Tornado Rustondiseñada para una larga vida y para operar con combustible líquido o gaseoso, una turbina depotencia separada se utiliza y las dos cargas variables y fijas de velocidad se pueden acomodar.Figura 1.14 muestra una máquina de un solo eje grande, la Siemens V94, diseñadaespecíficamente para la conducción de un generador de velocidad constante. Esta máquina escapaz de dar alrededor de 150 MW, y utiliza dos grandes cámaras de combustión fuera deltablero.

Cuando las turbinas de gas se propusieron originalmente para aplicaciones industriales, lostamaños de las unidades tendían a ser de 10 MW o menos y aún con intercambiadores de calor, la


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eficiencia del ciclo era de sólo alrededor de 28 a 29 por ciento. La disponibilidad de los motores delos aviones completamente desarrollados ofrecen la posibilidad atractiva de potencias más altas,el hecho de que una gran parte de la costosa investigación y desarrollo se soportan por unpresupuesto militar en lugar de un usuario industrial, dio una ventaja significativa para losfabricantes de motores de aviación. Los primeros motores aero-derivados, producidos mediante lasustitución de una turbina de potencia por la tobera de escape, produjeron cerca de 15 MW, conuna eficiencia de ciclo de alrededor de un 25 por ciento. En las modificaciones requeridas seincluye el fortalecimiento de los rodamientos, los cambios en el sistema de combustión parapermitir que se queme el gas natural o combustible diesel, la adición de una turbina de potencia yuna reducción de potencia del motor para darle una vida más larga y en algunos casos una caja dereducción de cambios se requiere para que coincida con la velocidad de la turbina de potenciacon la de la carga accionada, por ejemplo, una hélice marina. Para otros tipos de carga, tal como elalternador o compresores de tuberías, la turbina de potencia podría ser diseñada para conducir lacarga directamente. La Olympus, por ejemplo, tenía una turbina de potencia de una sola etapapara aplicaciones navales que resulta en un diseño muy compacto y ligero. Para la generación deenergía eléctrica turbinas de potencia de gran diámetro de dos o tres-etapas funcionando a 3 000o 3 600 revoluciones por minuto fueron directamente conectadas al generador, lo que requiere unaumento de la longitud de los conductos entre las dos turbinas para permitir el cambio dediámetro. Figura 1.15 muestra una instalación típica para una estación de pequeña potenciautilizando una sola turbina de gas-derivado; hay que señalar que la entrada de aire está muy porencima del nivel del suelo, para evitar la ingestión de desechos en el motor.


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Las versiones de aviones e industrial de la Rolls-Royce Trent se muestran en la figura 1.6 el Trentes un gran turboventilador de tres bobinas con el ventilador de una sola etapa impulsado por unaturbina de baja presión de cinco etapas. La versión industrial, diseñada para impulsar generador,reemplaza el ventilador con un compresor de dos etapas de la relación de presión similar, pero deflujo mucho menor, y como resultado, la turbina de baja presión de leva de proporcionar un granexceso de energía que puede ser utilizado para impulsar al generador. La velocidad del rotor debaja presión del motor de la aeronave (aircraft) está restringido por la velocidad de la punta delventilador de 3600 rpm, esto permite que el eje de la versión industrial pase a ser directamenteconectado a un generador de 60 HZ, evitando la necesidad de una caja de cambios. La versiónindustrial de la Trent es capaz de 50MW a una eficiencia térmica del 42 por ciento, lo que resultade la relación de alta presión y la temperatura de entrada de la turbina. Figura 1.16 tambiénmuestra los cambios importantes en el diseño del sistema de combustión; la versión de los aviones(aircraft) utiliza una cámara de combustión anular totalmente convencional, mientras que elmotor industrial utiliza latas radiales separadas. Este cambio radical se debe a la necesidad de unabaja emisión de óxidos de nitrógeno, que se tratarán con más detalle en el capítulo 6.

Las aplicaciones más amplias de la turbina de gas aero-derivados han sido en el bombeo deconjuntos de tuberías de gas y generación de electricidad aceite de la transmisión y propulsiónnaval. En el caso de tuberías de gas natural, las turbinas utilizan el fluido que está siendobombeado como combustible y una tubería típica pueden consumir 7-10 por ciento delrendimiento para los propósitos de compresión. En los últimos años el valor del gas se haincrementado dramáticamente y esto ha dado lugar a una demanda de unidades de bombeo dealta eficiencia. Un importante oleoducto podría haber tanto como 1.500 MW de potenciainstalada y las facturas de combustible son comparables a los de una línea aérea de tamañomediano. Las estaciones de bombeo pueden ser unos 100 km aparte y las turbinas de gasutilizadas en la gama de potencia de 5 a 25 MW. Muchas estaciones de compresión se encuentranen lugares remotos y unidades derivadas de aviones de 15 a 25 MW se utilizan ampliamente.Otros operadores pueden preferir el uso de turbinas de gas industriales y en los últimos años unaserie de intercambiadores de calor han sido modificados a las unidades de ciclo simple. Conoleoductos el aceite a menudo no es adecuado para la grabación de las Naciones Unidas unaturbina de gas de combustible sin tratamiento costoso y se hace necesario llevar un combustiblelíquido adecuado en por carretera.

El uso de turbinas de gas para la generación de energía eléctrica ha cambiado dramáticamente enlos últimos años. En los años setenta, la turbina de gas (especialmente en Gran Bretaña y Américadel Norte) se utiliza principalmente para horas pico y las aplicaciones de emergencia, las unidadesaero-derivados con una turbina de alta resistencia se utilizan ampliamente. Una de las ventajasdestacadas de este tipo era es la capacidad para producir la máxima potencia del frío en menos dedos minutos, aunque esta capacidad sólo se debe utilizar en caso de emergencia debido a cambiosbruscos de temperatura se reducirá considerablemente el tiempo entre revisiones. En la mente losaños sesenta, un importante apagón de la costa este de los EE.UU. como resultado de la inversiónen la turbina de gas capaz de empezar 'negro', es decir, completamente independiente de la redeléctrica. En Gran Bretaña, se ha instalado más de 3.000 MW de la planta de emergencia y decarga punta basada en el Rolls-Royce Avon y motores de Olympus, los cuales forman una parteesencial de todo el sistema de generación de electricidad, pero sólo duró un número muy reducidode horas.


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Figura 1.16 comparación entre versiones turboventilador e industriales de R-R Trent (cortesíaRolls-Royce Motores de turbinas de gas (Canadá)).

Plantas similares fueron construidos en gran número en América del Norte mediante el Pratt andWhitney FT-4. Las unidades aero-derivados tuvieron una calificación máxima de alrededor de 35MW: su eficiencia fue de aproximadamente 28 por ciento y se quema el combustible caro, por loque no fueron considerados para aplicaciones que implican horas de larga ejecución.

En marcado contraste, países como Arabia Saudita, con un sistema eléctrico muy rápida expansióny combustible barato abundan, utilizan turbinas de gas de gran potencia para la base ¬ debercarga, una ventaja particular de la turbina de gas en las condiciones del desierto es la ausencia decualquier necesidad de agua de refrigeración. Inicialmente, las calificaciones de las unidades aero-derivados y pesados fueron similares, pero en condiciones de ciclo mejorados en los últimos años,los diseñadores de turbinas de gas industriales fueron capaces de ampliar sus diseños para darmucha más potencia. Los principales fabricantes son ABB, General Electric, Siemens yWestinghouse, todos ellos de diseño de motores de un eje, que son capaces de entregar más de200 MW por unidad, el límite máximo se fija por consideraciones tales como el tamaño del discode la forja y el ancho máximo para permitir el transporte por ferrocarril. A diferencia de lasturbinas de vapor, turbinas de gas, a menudo no se erigió en el lugar, pero se entregan enpaquetes completos y listo para funcionar. Unidades de un eje que funcionan a 3.000 y 3.600 rpm,respectivamente, pueden conducir 50 o 60 Hz generadores directamente sin la necesidad de unacaja de cambios costosos. Diseños de compresores adecuados para operar a estas velocidadesresultan en máquinas de 60 Hz de alrededor de 150 MW y 50 máquinas Hz de alrededor 225 MW,con el poder en gran parte determinada por el flujo de aire, América del Norte está estandarizadoen 60 Hz, mientras que Europa y gran parte de Asia funciona a 50 Hz. Máquinas más pequeñaspueden ser diseñados para funcionar a alrededor de 5 a 6000 rpm con puntuaciones de alrededorde 50-60 MW, con cajas de cambios capaces de ya sea 3000 o 3600 rpm velocidades de salida parasatisfacer los requisitos del mercado. Muchas unidades de servicio pesado se han quedado muypor encima de 150.000 horas y un número importante han superado las 200 000 horas.

Otro mercado importante para la generación de energía eléctrica es el suministro de energía paralas plataformas off-shore, donde se utilizan turbinas de gas para proporcionar energía de cargabase. Muchas unidades solares y Ruston de 1-5 MW se han utilizado, pero para potencias más


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grandes aero-derivados tales como el Rolls-Royce RB-211 y General Electric LM 2500 se haninstalado en las calificaciones de 20-25 MW; una gran plataforma puede requerir hasta 125 MW yambos superficie y el volumen son un bien escaso. El peso instalado también es de vitalimportancia debido a los requisitos Cranage, y un ahorro considerable si se acumulan propiasgrúas del equipo de perforación puede manejar el paquete completo de maquinaria. Elaeroderivados domina este mercado debido a su carácter compacto.

La disponibilidad de las turbinas de gas con una potencia de 100-200 MW ha hecho gran planta deciclo combinado un factor importante en la generación de energía térmica. Japón, por su totaldependencia del combustible importado, fue el primer usuario a gran escala de los cicloscombinados, la construcción de varias estaciones MW 2000 ardientes importado gas naturallicuado (GNL). Una instalación típica puede estar compuesta de "bloques" que consta de dosturbinas de gas con sus propias calderas de calor residual y una única turbina de vapor, en general,el uso de una caldera sin cocer la potencia de la turbina de vapor es aproximadamente la mitad dela turbina de gas. Por lo tanto, un solo bloque de dos turbinas de gas de 200 MW MW y unaturbina de vapor 200 proporciona 600 MW; una estación completa puede usar tres o cuatrobloques.

En el momento de escribir varias plantas de 200 MW han sido construidas, dando eficiencias dealrededor del 55%, y la más grande con una potencia de 2.800 MW.

La privatización del suministro eléctrico en Gran Bretaña conlleva a la instalación de un grannúmero de plantas de ciclo combinado de 225-1850 MW quemando gas natural. A más largoplazo, es posible que las unidades de gas natural pudieran ser convertidas a gas obtenido de lagasificación del carbón.

Las estaciones de potencia de las turbinas de gas son remarcablemente compactas Figura 1.17(a)nos muestra una comparación de tamaños entre una estación de turbina de vapor de la era de1950 de 128MW. Y una planta de turbina de gas peak-load de 160MW que se muestra encerrada;la última usando 8 unidades Olympus de 20MW. Las plantas de vapor requieren de 3 torres deenfriamiento para hacer frente al calor rechazado por los condensadores. Esta planta en laactualidad ha sido dada de baja y reemplazada por una planta de ciclo combinado de carga basede 700 MW, mostrada en la figura 1.17 (b), La nueva planta consiste en 3 bloques, quecomprenden un compresor Siemens V.94, una turbina de gas de 150MW y una caldera de pérdidade calor, y una sola turbina de vapor de 250MW. Un condensador enfriado por aire es usado enlugar de las 3 torres de enfriamiento, por las restricciones en el uso del agua de enfriamientoprocedente del rio, el condensador es la estructura rectangular más grande que se muestra al ladoizquierdo de la imagen, y puede ser visto menos intrusivo a la vista que las torres de enfriamiento.Es pagada una pequeña penalidad en el desempeño, porque la temperatura del condensador (ypor lo tanto la contrapresión en la turbina de vapor) es más alta que la obtenida con elcondensador enfriada por el rio. La estación, sin embargo, tiene una eficiencia térmica de 51%,que es mucho más alta que una planta convencional de turbina de vapor.

Las turbinas de gas eran usadas con éxito en algunos barcos de contenedores de alta velocidad,pero el rápido incremento en los precios de los combustibles a mediados de los setenta conllevo aque estos barcos sean cambiados a diesel; esta conversión que los barcos sufrieron causaron unapérdida mayor en la velocidad y la capacidad de carga, pero la alta velocidad ya no podía serjustificada. La imagen con respecto a las operaciones navales es un poco diferente, sin embargo, ymuchas instituciones armadas (por ejemplo: Gran Bretaña, EE.UU, Canadá, Países Bajos) tienen


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acumulado ahora una gran experiencia en turbinas de gas. Una turbina de gas fue usada porprimera vez en un barco cañonero en 1947, y en un motor de tipo aéreo (Rolls-Royce Proteus) quefue usada en embarcaciones rápidas de patrulla en 1958. El potencial de los motores aero-derivativos para la propulsión principal de los barcos de guerra fue realizado en el Canadienseclase DDH-280 fue la primera embarcación armada totalmente impulsada por una turbina de gasen occidente, usando una combinación de Pratt y Whitney FT-4 para la potencia de “impulso” y elFT-12 para el “modo crucero”. La marina Real selecciono los Olympus como motores de impulsióny los Rolls-Royce Tyne para la tarea de crucero; Esta configuraciñon también fue seleccionada porla marina de Países Bajos. El Olympus y el Tyne son las únicas turbinas de gas militares probadasen batalla, operando con gran éxito en la guerra de Falklands. La marina de EE.UU. adopto los GELM 2500, que derivó del Turbofan avanzado TF39, y este motor fue usado ampliamente alrededordel mundo. Con el incremento de las necesidades eléctricas de las embarcaciones bélicas, y laausencia del vapor en el uso de los turbogeneradores, las turbinas de gas que manejaban losgeneradores también ofrecían una fuente de electricidad compacta.


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La mayor desventaja de las turbinas de gas en el uso en las embarcaciones es su deficienteconsumo de combustible a carga parcial. Si consideramos un buque de marina que tiene unavelocidad máxima de, digamos, 36 knots (nudos) y una velocidad crucero de 18 knots, con unapotencia requerida proporcional al cubo de la velocidad, la potencia del crucero será sólo unoctavo de la potencia máxima, de hecho, mucho tiempo se pasó en una velocidad de menos de 18nudos. Para superar este problema, se combinan las plantas de energía que consta de turbinas degas que han utilizado. Estos llevan por nombres COSAG, CODOG, COGOG, COGAG, etc. CO significa"combinado", S, D, G para "vapor", "diesel" y "Turbina de gas" respectivamente, la letra final A o Spara "y "," o ". La "o" requiere una explicación. El primer dispositivo usado por la Royal NavyfueCOSAG, donde el eje de la nave fue impulsado tanto por turbinas de vapor y gas, o ambas. Lasturbinas de gas estaban destinadas originalmente sólo para fines de impulso o para arranquesrápidos, pero en la práctica resultó ser tan versátil y popular entre los operadores que seacostumbraron a su uso durante mucho más tiempo. Otra alternativa es la combinación de unaturbina de gas con un motor diesel de botas de crucero, en este caso la energía diesel es tanpequeña en relación con la turbina de gas que hay pocas ventajas en la adición de la potencia. Porlo tanto, el buque funciona tanto en el modo de turbina de gas como diesel o CODOG. Para el usonaval el motor diesel tiene la ventaja de un muy buen consumo de combustible de crucero, con lasdesventajas de gran volumen para la potencia disponible y un nivel de ruido fuerte bajo el agua.La disposición COGOG, con una pequeña turbina de gas de crucero y una gran turbina de gas deimpulso, ha sido ampliamente utilizada, el objetivo es mantener cualquier turbina de gasfuncionando cerca de su potencia plena, donde la eficiencia es máxima.Las pequeñas turbinas degas de crucero (4-5 MW), sin embargo, no son competitivos con los motores diesel sobre elconsumo específico de combustible y parece ser una tendencia a alejarse de COGOG a CODOG. Ladisposición COGAG, utilizando turbinas de gas del mismo tamaño, han sido utilizado por la Marinade los EE.UU., con cuatro LM 2500 motores en grandes destructores; esta medida también se hautilizado en la Royal Navy con cuatro motores de Olympus en la clase Invincible de avionesportadores.

Durante muchos años la turbina de gas se ha considerado para el transporte por carretera yferrocarril, sin hacer ningún impacto real. UnionPacifica ha operado con éxito grandes trenes demercancías con la potencia de la turbina de gas de alrededor de 1955 por 15 - 20 años, pero estosahora han dado paso a diesel. Varios trenes de pasajeros de alta velocidad se construyeronutilizando turbinas de gas de tipo helicóptero, pero sólo con éxito limitado, el de mayor éxitofueron los construidos por los franceses, como el TGV (Train à Grand Vitesse) que tiene traccióneléctrica de alta velocidad. Una cantidad considerable de trabajos se llevó a cabo para las turbinasde gas de camiones largos de transporte con motores de 200 -300 KW que se están desarrollando.Todos utilizaron el ciclo de relación de baja presión con un compresor centrífugo, turbina tipohelicópteros e intercambiador de calor. Esfuerzos similares se gastaron en las turbinas de gas deautomóviles y aunque éstos continúan bajo el patrocinio del gobierno de los EE.UU, la turbina degas de automóviles todavía parece estar muy lejos en el horizonte y nunca puede aparecer. No hayduda de que el coste de la turbina de gas podría reducirse significativamente si se construyeron ennúmeros que se aproximan a las de los motores de pistón. El principal problema sigue siendo el deconsumo de combustible a carga parcial. El gran avance logrado por la turbina de gas es suelección para la propulsión del tanque M1 construido para el Ejército de los EE.UU., pero todavíano se ha probado que la turbina de gas es superior al diesel en esta aplicación. Tanques M1obtenido una experiencia considerable en campo de batalla en las condiciones del desierto en laguerra del Golfo, y parece que tuvo bastante éxito. El hecho es, sin embargo, que ninguna otra


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nación ha elegido la propulsión de la turbina de gas para la generación más reciente de lostanques.

Otro concepto de creciente importancia es el de la producción combinada de calor y electricidad,que es muy conocido como cogeneración o instalaciones de cogeneración. La turbina de gasacciona un generador y los gases de escape se utilizan como una fuente de calor a bajo grado. Serequiere calor a una temperatura relativamente baja para la construcción de sistemas decalefacción y aire acondicionado que operan. También es necesario en muchos procesos desecado industrias de papel, por ejemplo. Química industrial a menudo necesitan grandescantidades de gas caliente que contiene una alta proporción de oxígeno libre a una presiónsuficiente para superar la pérdida de presión en los reactores químicos. La limitación de latemperatura en el ciclo de la turbina de gas significa que se deben emplear altas relaciones derelaciones de aire/combustible lo que resulta con una gran proporción de oxígeno no utilizado enel escape. Por tanto, el escape de un Turbina de gas es a menudo adecuado. La unidad puede estardiseñada para cumplir con el requisito de gas caliente, con o sin potencia en el eje para otros fines,y, a veces para quemar un combustible, que es un subproducto del proceso químico. La figura 1.18ilustra la aplicación de una planta de cogeneración con turbinas de gas Ruston.

Se proporciona el conjunto de la electricidad, vapor de proceso, vapor de calefacción, y el aguaenfriada se requiere para una fábrica.

El uso de 8 turbinas de gas que alimentan cuatro calderas de calor residual como combustibleauxiliar permite el cambio de energía y el calor que demandan durante el día que se debencumplir al ejecutar un número necesario de unidades sustancialmente en plena carga y por lotanto, con la máxima eficiencia.

1.6 Temas ambientales

La primera aplicación importante de la turbina de gas fue de propulsión a reacción para avionesmilitares, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial. El motor de reacción produce mayoresvelocidades en los aviones, y lo más importante fueron las graves deficiencias en el consumo decombustible y la vida útil del motor pueden ser ignorado; el chorro de escape era ruidoso, peroesto importaba poco en aplicaciones militares. Cuando se consideraron los reactores para su usoen aviones de transporte civil, tanto el consumo de combustible y una vida más larga delreacondicionamiento se convirtió en gran importancia, aunque el ruido no era entonces unproblema. La aparición de un número significativo de aeronaves impulsados a chorro en losaeropuertos civiles a finales de los años cincuenta resultando ruidosos convirtiéndose en unproblema que pudo afectar gravemente el crecimiento del transporte aéreo. La necesidad dereducir el ruido del motor fue originalmente con la adición de silenciadores, que no eran muyeficaces y causaron graves pérdidas de rendimiento, estaba claro que el ruido del motor tuvo queser bien entendida y que el diseño del motor tuvo que atender a la reducción del ruido desde elinicio de un proyecto d diseño de la aeronave. Los matemáticos han deducido que el ruido del jetera proporcional a (velocidad del chorro) para que el requisito básico fue inmediatamentereconocido como provisión de la orientación necesaria a la velocidad del chorro reducido por elconsiguiente aumento en el flujo de aire. Esto fue precisamente lo que se hizo en elturboventilador para obtener una alta eficiencia de propulsión.


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Fue afortunado que la búsqueda de una mayor eficiencia también dio lugar a un menor ruido. Larelación de derivación en los primeros turboventiladores estaba restringido por la falta deconocimiento del efecto tridimensional del flujo en las aspas del ventilador más largas y problemasde instalación, en particular para motores instalados en el ala, que fue el advenimiento del motormontado en una vaina que permite conseguir mayores BPR. A mayores BPR se encontró que lasaltas velocidades de fluido en las puntas de las paletas son otra fuente de ruido que eraparticularmente problemático durante la aproximación para el aterrizaje, con el ruido propagado através de una zona muy amplia. Este problema fue atacado por el uso de materiales que absorbenel sonido en el conducto de admisión y elección cuidadosa de separación entre las palas del rotor yel estator. La reducción del ruido de los aviones ha requerido una gran cantidad de investigación ygastos de capital, pero con seguridad se puede decir que los diseños actuales y futuras de losmotores para aviones buscarán reducir en gran medida el ruido en el aeropuerto. Los gases deescape de las turbinas de gas industriales salen a una velocidad baja y se descargan a través deuna chimenea, por lo que la principal fuente de ruido que ocurre en el motor a reacción esevitada. Además de su carácter compacto y facilidad de instalación, las turbinas de gas puedenestar ubicados cerca de las zonas industriales que especifican por ley un bajo nivel de ruido, elrequisito puede cumplirse mediante el tratamiento acústico del sistema de admisión y deflectoresen el conducto de escape.

Cuando las turbinas de gas se consideraron en primer lugar para aplicaciones que no sean deaeronaves, la combinación de la rotación de la maquinaria de combustión con flujo constante ygrandes cantidades de exceso de aire parecía ofrecer una planta de potencia de combustiónrelativamente limpia. A finales de los años sesenta, se descubrió que gran cantidad de smog habíaen Los Ángeles causado por una reacción fotoquímica entre la luz solar y los óxidos de nitrógenoproducido por el escape de los automóviles. Esto llevó a los principales programas de investigaciónpara reducir los óxidos de nitrógeno (conocidos como NOx) y los hidrocarburos no quemados(UHC) para motores de combustión. Cuando las turbinas de gas comenzaron a entrar en elmercado en aplicaciones como tuberías, generación de electricidad y las unidades mecánicas,pronto se convirtieron en objeto de estudio para limitar las emisiones de los motores de losaviones. Será evidente a partir de la sección 6.7, donde se describen los métodos de reducción delas emisiones, que se utilizan distintos enfoques para la planta industrial y motores de aeronavesdebido a la variación en los requisitos operacionales. Los óxidos de nitrógeno se producen atemperaturas muy altas de combustión, y también aumentan con la temperatura de entrada decombustión, en otras palabras, los mismos factores necesarios para alta causa la eficienciaaumentaron la formación de NOx. A principios de los años noventa el diseño de los sistemas decombustión de bajo NOx fue uno de los factores clave en la producción de turbinas de gascompetitivos. El método más sencillo para la planta industrial fue utilizar agua o inyección devapor para reducir la temperatura de combustión máxima, pero introdujo una serie de otrosproblemas y costos relacionados con la durabilidad del motor y el suministro de agua tratada. Sehizo hincapié en el desarrollo de sistemas secos de bajo NOx, y los principales fabricantes handesarrollado diversas soluciones que entraron en servicio a mediados de los años noventa. Debidoa la gran cantidad de exceso de aire utilizado en la combustión, la producción de UHC era menoscrítica, pero todavía tenía muchas restricciones. El producto principal de combustión de cualquierhidrocarburo es el dióxido de carbono, que se cree que contribuyen significativamente alcalentamiento global debido al efecto invernadero.

Las emisiones de CO2 pueden reducirse sólo mediante la mejora de la eficiencia del motor demodo que menos combustible se quema, o mediante el desarrollo de fuentes de energía que no


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implican la quema de combustibles fósiles. Para fomentar esto, algunos países, especialmente enlos países escandinavos, han introducido un impuesto sobre el CO2.Con el abordaje exitoso de los problemas de ruido y de emisiones, la turbina de gas, una vez másofrece la misma promesa de una planta de energía ambientalmente benigno. La figura 1.19muestra una instalación de una planta carga-base de ciclo combinado de 70 MW que se encuentraentre dos hospitales y adyacentes a una zona residencial privilegiada.

1.7 Algunas posibilidades futurasLa creciente escasez y por tanto coste de los combustibles fósiles de alta calidad requerirán un usomás amplio de la mala calidad del carbón y el combustible de petróleo pesado con un altocontenido de azufre. Dicho combustible puede ser quemado en centrales eléctricas de vapor, perosólo con caro mantenimiento de la caldera y la costosa limpieza de los gases de chimenea paracumplir las normativas contra la contaminación cada vez más estrictas. Existen otros dos enfoquesmuy diferentes, tanto que implica el uso de turbinas de gas. El primero hace uso de la idea de lacombustión en lecho fluidizado, y la segunda consiste en la transformación del combustible sólidoo líquido de baja calidad en un combustible gaseoso limpio.

Un quemador de lecho fluido consiste esencialmente en un ladrillo refractario revestido cilindroque contiene partículas refractarias de tamaño de arena mantenido en suspensión por un flujoascendente de aire. Cuando se utiliza en conjunto con una turbina de gas, el aire requerido sepuede purgar el compresor. si se está quemando carbón, los óxidos de azufre formados quedanatrapados en la ceniza, y si el petróleo es el combustible que pueden ser atrapados por laspartículas de piedra caliza o dolomita en el lecho. en la figura se muestra un esquema posible. Sehace uso del hecho de que el calor se transfiere entre un lecho fluido y cualquier superficie sólidasumergida en él con coeficientes de transferencia de calor muy alto. En este esquema, la mayorparte del aire del compresor se calienta en un intercambiador de calor tubular en el lecho, y sólo la


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pequeña cantidad de aire purgado de fluidización necesita ser limpiado de polvo en separadoresde ciclón antes de pasar a la turbina. La corrosión y problemas de erosión están retrasando eldesarrollo, pero si se pueden superar el quemador de lecho fluido se abre la posibilidad de laquema de carbón extraído por métodos de control remoto, o incluso el material en la mina decarbón residuos. En este último caso no sólo sería potencia útil la que se desarrolló a partir decombustible no utilizable hasta la fecha, pero la tierra valiosa sería recuperada.

Un prototipo de central de ciclo combinado con combustión en lecho fluido se puso en servicio enSuecia en 1991. Fue construida para proporcionar tanto energía y calor con una capacidad de 135MW de potencia y una carga de calefacción urbana de 224 MW. Dos turbinas de gas generan 34MW de potencia, el saldo lo suministra la turbina de vapor. Este diseño no hizo uso de unintercambiador de calor en el lecho como se muestra en la figura, y todo el compresor de aire pasaa través del sistema de combustión antes de ser limpiado en separadores de ciclón antes de laentrada a la turbina.

Antes de abandonar el tema de la combustión en lecho fluido vale la pena mencionar otra posibleaplicación: la incineración de los residuos municipales. los residuos es materiales recuperablestriturados y útiles (de acero, estaño, aluminio, etc.) son separados utilizando técnicas magnéticas yde flotación, y las pantallas de vibración.

El resto, alrededor del 85 por ciento, se quema en la cámara de combustión de lecho fluidizado. Lacombustión de los residuos mantiene la temperatura en algún lugar entre 700 ° C y 820 ° C, la cuales lo suficientemente alto como para consumir el material sin causar la cama a aglomerarse.Quemadores de aceite suplementarios se proporcionan para arrancar la unidad. Los gasescalientes pasan a través de varias etapas de limpieza para evitar la erosión de la turbina y parasatisfacer las normas de contaminación del aire. Ingresos de la electricidad generada y se esperaque la venta de los materiales reciclables para reducir sustancialmente el coste de la eliminaciónde residuos en comparación con el método de la descarga en vertederos convencionales. Debehacerse hincapié en que la temperatura máxima que se puede utilizar en un lecho fluidizado espoco probable que sea muy alta por lo que la eficiencia de la turbina de gas será baja. Cámaras de


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combustión de lecho fluidizado son susceptibles de ser utilizados sólo para la quema decombustibles baratos o de otro modo inutilizables.

El segundo enfoque para el problema de la utilización de mala calidad del carbón o aceite pesadoes su transformación en un combustible gaseoso limpio. Figura 1.21 ilustra un posible esquema enel que una planta de gasificación está integrado con un ciclo combinado. El proceso de gasificaciónelimina vanadio y sodio impurezas problemáticas que causan la corrosión en la turbina, y tambiénel azufre que produce óxidos de contaminantes en los gases de chimenea. El aire comprimidonecesario para el proceso se purga desde el compresor de la turbina de gas. Para superar lapérdida de presión en la planta de gasificación de la presión es impulsado en un compresorindependiente impulsado por una turbina de vapor. Este sería utilizar una parte del vapor de lacaldera de calor residual, la fracción principal suministro de la turbina de vapor de potencia. El gasproducido por dicha planta tendría un muy bajo valor calorífico quizá sólo 5000 KJ/m3 encomparación con cerca de 39 000 KJ/m3 para el gas natural. Esto es debido a la dilución por elnitrógeno en el aire suministrado por el gasificador. Los valores de bajo poder calorífico lleva penade poco, sin embargo, porque todas las turbinas de gas operan con una mezcla débil para limitar latemperatura de entrada de la turbina.

Fig 1.21 Planta de gasificación con ciclo combinado.

Otra posible futura aplicación de la turbina de gas debe ser mencionado: su uso como undispositivo de almacenamiento de energía. La eficiencia global del sistema de generación deelectricidad de un país se puede mejorar si se proporciona suficiente capacidad dealmacenamiento de energía para permitir que las estaciones de base de carga más eficiente paraejecutar noche y día en condiciones que producen la máxima eficiencia. Esta disposición será departicular importancia ya que la contribución de los de capital intensivo de energía nuclearestaciones aumenta. Hasta ahora planta hidroeléctrica de almacenamiento se han construidopara satisfacer la necesidad, pero los sitios adecuados en Gran Bretaña ha sido utilizadoprácticamente todo. Una posible alternativa se ilustra en la figura. 1.22. Aquí un motor reversible /generador está acoplado ya sea para el compresor o turbina. Durante la noche, fuera de hablar de


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alimentación se utiliza para accionar el compresor que suministra aire a una caverna subterránea através de un "lecho de bolas" regenerador. El regenerador almacena el calor en los guijarros dealúmina o sílice. Durante el día, el aire comprimido se libera a través del regenerador, recogiendola energía almacenada en su camino hacia la turbina. Para satisfacer la demanda pico puederesultar deseable también para quemar un poco de combustible en una cámara de combustiónpara compensar las pérdidas de calor en el regenerador. Si la caverna es lo suficientementepequeño como para que tal sistema económico, la presión debe ser alto - tal vez tan alto como100 bar. Esto implica una entrega de alta temperatura del compresor de alrededor de 900 C. Alenfriar el aire en el regenerador el volumen se reduce aún más, y al mismo tiempo las paredes dela caverna están protegidas de la alta temperatura. Se han propuesto cavernas de sal excavadaspor lavado, y las explotaciones mineras en desuso son otra posibilidad, si los medios económicosse pueden encontrar de sellar adecuadamente.

La primera planta de turbina de gas de aire de almacenamiento fue construida por Brown Boveri ypuesto en marcha en Alemania en 1978. No tiene regenerador, pero tiene incorporado unintercambiador de calor y tiene la compresión de dos etapas con refrigeración intermedia. Unrefrigerador posterior protege las paredes de la caverna de sal de alta temperatura. La planta espara la generación de carga pico y produce hasta 290 MW para períodos de 1-1,5 horas tres vecesal día, usando alrededor de 12 horas para el bombeo del depósito a la presión.

1.8 Procedimiento de diseño de la turbina de gas

Hay que destacar que este libro ofrece una introducción a la teoría de la turbina de gas, y no aldiseño de turbinas de gas. Para colocar el contenido del libro en la perspectiva correcta, undiagrama esquemático representando un procedimiento completo de diseño es mostrado en laFig. 1.23. Esto da una idea de las interrelaciones entre termodinámica, aerodinámica, mecánica ydiseño de sistemas de control y se hace hincapié en la necesidad de intercambio de informaciónentre los diversos especialistas. Las líneas punteadas encierran las áreas expuestas en lossiguientes capítulos: donde ellos cortan un bloque indica que el tema ha recibido atención, perosólo a manera superficial. Por lo tanto cuando se trata con la teoría de termodinámica yaerodinámica los cuales forman la esencia de este libro, el lector debe recordar sólo los aspectosmecánicos que interactúan con ella.


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El proceso de diseño muestra cómo a partir de una especificación (presupuesto), ya sea comoresultado de la investigación de mercado para un requisito de cliente. El desarrollo de una turbinade gas de alto rendimiento es extremadamente costoso, y tan caro que los más grandes ingeniosde aviación se desarrollan por consorcios multinacionales. Hay muy pocos clientes quienes son losuficientemente potentes para tener una máquina construida para su requerimiento, y laespecificación usualmente resulta del estudio del mercado. Las máquinas exitosas son aquellasque encuentran una variedad de aplicaciones, y sus ciclos de vida desde el diseño hasta el usoservicio final de uso puede ser superior a los 50 años. Cuando la primera edición de este libro fueescrito en 1950, los Rolls-Royce Dart estuvieron en la etapa de diseño y continuaron enproducción hasta 1986; A finales de 1993 hubieron aún cerca de 2000 Darts en servicio y lamáquina sin duda se espera que continúe en el siglo XXI.

La especificación es raramente una simple declaración de requerimiento de potencia y eficiencia.Otros factores de mayor importancia, los cuales varían con la aplicación, incluyen peso, costo,volumen, vida y ruido, y muchos de esos criterios de acto en oposición. Por ejemplo, alta eficienciainevitablemente incurre en un alto costo de capital, y una simple máquina de más baja eficienciapuede ser perfectamente aceptable si las horas de servicio son bajas. Una importante decisión queenfrenta el diseñador es la elección del ciclo, y este aspecto será estudiado en los capítulos 2 y 3.Es esencial tener en cuenta en una fase temprana qué tipo de turbomáquina usar, y esto en granmedida dependerá de la medida de la máquina: diseño de turbomáquina y combustor serántratados en los Capítulos 4-7. El diseño de la máquina debe ser también considerada, por ejemplo,ya sea una única o multiejes de diseño se debe utilizar, y el comportamiento de estos diferentestipos de máquinas serán estudiados en los Capítulos 8 y 9.

El primer paso del mayor diseño es llevar a cabo puntos de estudios termodinámicos de diseño.Éstos son cálculos detallados teniendo en cuenta todos los factores importantes, como laeficiencia de los componentes esperados, aire comprimido, propiedades de fluido variable ypérdidas de presión, y serían llevados a cabo alrededor de un rango de relación de presión yturbina y temperatura de entrada de la turbina. Un valor para la salida específica( por ejemplopotencia por unidad de masa de flujo de aire) y un consumo específico de combustible serádeterminado por varios valores de parámetros de ciclo mencionados anteriormente. Aunque en laindustria estos cálculos serían hechos en una computadora digital, sería claramente entendido queno hay una definición matemáticamente óptima.


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Por ejemplo, a una temperatura de entrada de la turbina dado un gran aumento de la relación depresión puede dar una mejora mínima en Eficiencia a térmica, pero la máquina resultante seríademasiado compleja y cara, lo cual resulta poco práctico.

Una vez que el diseñador se decide por una elección adecuada de los parámetros del ciclo, puedehacer uso de los resultados específicos de determinar el flujo de aire requerido para dar lapotencia especificada.

Se debe entender claramente que la elección de los parámetros del ciclo está fuertementeinfluenciada por el tamaño del motor, y, en particular, por el flujo de aire requerido. La turbina demotor de 500KW, por ejemplo tendría muy pequeñas cuchillas que no podrían ser enfriadasdebido a la complejidad de fabricación y el costo; la relación de presión sería restringida paralograr que los álabes sean de un tamaño razonable, y puede ser que sea necesario el uso de uncompresor centrífugo de un tanto reducción de la eficiencia.. una unidad de 50MW, por otra parte, el uso de sofisticadas cuchillas refrigeradas por de aire frío y operar a una temperatura entradade la turbina de más de 1500 K, algunos 300K más alto que el turbina de no refrigerado en elunidad grande del motor.los 500KW también se lograrían utilizando un compresor axial de lapizca una relación de presión que podrían ser tan alta como 30:1.

Conociendo el flujo de aire, relación de presión y temperatura de entrada de la turbina, laatención se puede girar para el diseño aerodinámico de la turbomaquinaria. Ahora es posible paradeterminar las dimensiones de la corona circular, velocidades de rotación y el número de etapas.En este punto también se puede encontrar que surgen Dificultades que pueden hacer que elaerodinamista consulte con el termodinámico para ver si hay un cambio en el punto de diseñoque se podría considerar, tal vez un ligero aumento de la temperatura o la disminución de larelación de presión. El diseño aerodinámico de la turbomaquinaria tener en cuenta la viabilidad defabricación desde el principio. En el caso de un impulsor centrífugo para un pequeño motor, porejemplo, el espacio requerido para las fresas entre conductos adyacentes es de primordialimportancia. En grandes ventiladores turbo, en contraste, el peso de las cuchillas del ventilador yel desequilibrio causado por la pérdida de la cuchilla juega un papel importante en el diseño delsistema de soporte de cojinete y la estructura requerida para la contención del ventilador.

El diseño mecánico puede empezar sólo después de que la aerodinámica y diseñostermodinámicos están muy avanzados. A continuación, se encuentra muy probable que losproblemas de esfuerzo o la vibración pueden dar lugar a nuevos cambios, los requisitos de lapresión y los grupos de la aerodinámica a menudo están en oposición .A continuación, seencuentra muy probable que los problemas de estrés o la vibración pueden dar lugar a nuevoscambios, los requisitos de la tensión y los grupos de la aerodinámica a menudo están en oposición.Al mismo tiempo que estos estudios están llevando a cabo, el rendimiento del diseño y el diseñodel sistema de control debe ser considerada, la operación diseño off incluirá los efectos de variarlas condiciones ambientales, así como la reducción de energía en funcionamiento. Al diseñar unsistema de control para asegurar la operación y automática del motor, es necesario poderpredecir los niveles de presión y temperatura en todo el motor y para seleccionar algunos de estosy usarlos como parámetros de control.

Una vez que el motor ha entrado en servicio, habrá demandas de los clientes para las versionesmás potentes y más eficientes, lo que lleva al desarrollo de motores mejorados. En efecto, talesdemandas pueden surgir a menudo antes de que el proceso de diseño se haya completado.Cuando los motores tienen que ser optimizados, el diseñador debe tener en cuenta métodos tales


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como el aumento del flujo de masa, la temperatura de entrada de la turbina y la eficiencia de loscomponentes, manteniendo al mismo tiempo el mismo diseño básico del motor. Un motor deéxito puede triplicó triplicar su potencia durante un largo ciclo de desarrollo.

Sin embargo a la larga el motor cumplirá su fecha y se volverá no competitivo. Elmomento de la decisión para iniciar un nuevo diseño es de vital importancia para elbienestar económico de los fabricantes. Las referencias (1) y (2) describen la elección deldiseño de una turbina de gas industrial, mientras las referencias (3) y (4) alas turbohélicerespectivamente, siguiendo con la evolución del diseño de turbinas de gas industrial serealizado durante un período prolongado, actualmente se muestra que la energía y laeficiencia se han mejorado continuamente por el aumento del cociente entre la presión,temperatura de entrada de la turbina y el flujo de aire. La evolución de la turbina de gasWestinghouse 501 (desde 1968 hasta 1993) se describen en la Ref. (4), la tabla de abajomuestra cómo la potencia aumentó de 42 a 160 (MW). El desarrollo de la aerodinámica hapermitido que la relación de presión se eleve de 7,5 a 14,6, mientras que las mejoras enlos materiales de la hoja de refrigeración han permitido un aumento importante detemperatura del ciclo; el resultado neto fue una mejora de la eficiencia térmica de 27,1 a35,6 por ciento. El motor de 1968 tenía sólo la primera fila inyector refrigerado por aire,mientras que la versión de 1993 necesita una refrigeración de seis filas. El constanteaumento de temperatura de los gases de escape debe ser observado, porque este es unfactor importante para obtener alta eficiencia térmica en una aplicación de ciclocombinadoAño 1968 1971 1973 1975 1981 1993Potencia (MW) 42 60 80 95 107 160Eficiencia Térmica (%) 27.1 29.4 30.5 31.2 33.2 35.6Relación de presión 7.5 10.5 11.2 12.6 14.0 14.6Temperatura de EntradaEn la Turbina. (K)

1153 1161 1266 1369 1406 1533Flujo de Aire (kg/s) 249 337 338 354 354 435Temperatura de escape delgas (°C) 474 426 486 528 531 584N° de etapas delcompresor 17 17 17 19 19 16N° de etapas de la Turbina 4 4 4 4 4 4N° de filas refrigeradas 1 1 3 4 4 6Lo anterior debería dar al lector una visión total, pero de ser superficial, ver el proceso dediseño y se puede llevar a la realización que la industria de la turbina de gas puedeproporcionar una emocionante y provechosa carrera técnica para una amplia variedad deingenieros muy expertos.

Cap1 Cohen Saravanamuttoo(1)

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