Tarea #3

Centrales Eléctricas

René de Jesús Guzmán Mondragón

4 – 5 pm

Turbina de Gas

Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas.

Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de

gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas de gas

por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado

gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos

términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio

cuando se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y

en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a

los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya

que éstos sonturborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas,

contienen una turbina de gas.

La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor, excepto

que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera fluye a través

de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se añade energía

dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo que la combustión

genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta temperatura y presión entra a

una turbina, donde se expande disminuyendo la presión de salida, produciendo el

movimiento del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es

mover el compresor y otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden

estar acoplados. La energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases,

por lo cual tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad. El propósito de la

turbina determina el diseño que maximiza esta forma de energía. Las turbinas de

gas se usan para dar potencia a aeronaves, trenes, barcos, generadores

eléctricos, e incluso tanques.

Fig Esquema de un ciclo

Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a la

turbina.

Causas del éxito de las turbinas de gas

En los últimos años se han eliminado muchas centrales de vapor destinadas a la producción de energía eléctrica y se han reemplazado por turbinas de gas o por ciclos combinados. La causa de este fenómeno es económica. Los rendimientos del ciclo Brayton son sensiblemente superiores a los del ciclo Rankine de vapor de agua. La causa reside en el hecho de que el ciclo Brayton opera a temperaturas mayores que el Rankine

En esta ecuación Wmáx representa el trabajo teórico máximo que puede realizar un ciclo de potencia reversible que opera entre las temperaturas extremas T y T0, siendo T0 la temperatura del medio ambiente, intercambiando calor Q con el medio ambiente. Es evidente que cuanto mayor sea el valor de T tanto mayor será Wmáx. Por otra parte, en el ciclo Brayton no hay intercambio de calor, porque a diferencia del ciclo Rankine de vapor, que es una máquina de combustión externa, el de la turbina de gas es una máquina de combustión interna y no hay intercambio de calor entre los gases calientes de la combustión y el fluido de trabajo. El único intercambio de calor ocurre en el regenerador, pero esto es después de que el fluido de trabajo haya producido la mayor parte del trabajo útil en la turbina. Puesto que constantemente se experimenta con nuevos revestimientos de turbina que permitirían operar con temperaturas aún mayores, es de esperar que la brecha que separa los rendimientos de ambos ciclos se agrande mas en el

futuro.

Comparación de esquemas

Esquema de Turbina de propulsión a chorro

Esquema de Turbina de gas

Principio de funcionamiento de una turbina de gas

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.

La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella.

El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.

Las pérdidas de energía se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energía aportada.

Principio de funcionamiento de una Turbina de propulsión a chorro

Procedimiento por el que se impulsa hacia delante un objeto como reacción a la expulsión hacia atrás de una corriente de líquido o gas a gran velocidad.

Un ejemplo sencillo de propulsión a chorro es el movimiento de un globo hinchado cuando se deja salir el aire repentinamente. Mientras se mantiene cerrada la abertura, la presión del aire en el interior del globo es igual en todas direcciones; cuando se suelta la boca, la presión interna que experimenta el globo es menor en el extremo abierto que en el extremo opuesto, lo que hace que el globo salga despedido hacia adelante.

Un motor a reacción no funciona de forma tan sencilla como un globo, aunque el principio básico es el mismo. Más importante que la diferencia de presiones resulta la aceleración a altas velocidades del chorro que sale del motor. Esto se consigue en el motor mediante fuerzas que permiten al gas fluir hacia atrás formando un chorro. La segunda ley de Newton demuestra que estas fuerzas son proporcionales al incremento del momento lineal del gas por unidad de tiempo. En un motor a reacción, este incremento está relacionado con el flujo de masa multiplicado por la velocidad de salida del chorro. La tercera ley de Newton, que afirma que toda fuerza genera una reacción igual y opuesta, exige que la fuerza hacia atrás esté equilibrada por una reacción hacia adelante, conocida como empuje. Este empuje es similar al retroceso de un arma de fuego, que aumenta cuando se incrementa la masa del proyectil, su velocidad inicial, o ambas. Por ello, los motores de gran empuje requieren un elevado flujo de masa y unas altas velocidades de salida del chorro. Esto sólo puede conseguirse aumentando las presiones internas del motor e incrementando el volumen del gas por medio de la combustión.

Los dispositivos de propulsión a chorro se emplean sobre todo en aviones de alta velocidad y gran altitud, en misiles o en cohetes y naves espaciales. La fuente de potencia es un combustible de alta energía que se quema a grandes presiones para producir el elevado volumen de gas necesario para una alta velocidad de salida del chorro. El oxidante necesario para la combustión puede ser el oxígeno del aire, que se fuerza a entrar en el reactor y posteriormente se comprime; también puede transportarse el oxidante en el vehículo, de forma que el reactor no tenga que estar rodeado por una atmósfera. Entre los motores que dependen de la atmósfera para el suministro de oxígeno están los turborreactores, los turboventiladores, las turbohélices, los estatorreactores y los pulsorreactores. Los motores no atmosféricos suelen llamarse motores cohete.

4. PARTES PRINCIPALES DE LA TURBINA DE GAS.

Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisión de aire, el compresor, la cámara de combustión, la turbina de expansión y el rotor. A continuación se detallan las principales características de cada uno de estos elementos.

Figura 9: Turbina de gas. Partes principales.

4.1 Admisión de aire

El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.

4.2 Compresor de aire

La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.

El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante. 

Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin.

4.3 Cámara de combustión

En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.

Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes 

4.4 Turbina de expansión

En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor.

 Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).