turbomaquinas termicas_6-31

7/29/2019 turbomaquinas termicas_6-31

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NOMENCLATURA EMPLEADA

empuje ascensional, seccin, relacin msica aire/combustible; AQ, idem estrictamen- lenecesaria para la combustin ; AP, alia presin.

a Velocidad del sonido.

ai. (Proceso)adiabtieo-isentrpico (= adiabtieo-rcversible).

BP baja presin.C constante. Tuerza centrfuga; C.C., cmara de combustin; Ca, caldera; C,, coellcienle de empuje

ascensional; C, velocidad adiabtico-isentrpica; C, coeficiente de arrastre.

vector velocidad absoluta, calor especifico; cp> c calor especfico a presin y volumenconstante; c., cu, c,. cm, componentes axial, perifrica, radial y meridional de la velocidadabsoluta; c2p , velocidad absoluta de salida del escalonamiento precedente.

consumo especfico de vapor, dimetro, densidad (o peso especifico) relativa; d m, dimetro de lacorona en la mitad del lab.e.

energa, fuerza de empuje, mdulo de Young; e energa cintica total y especfica ; &.se energapotencial gravitatoria lolal y especfica.

eficiencia de la calefaccin; , eficiencia del regenerador; c eficiencia ele la refrige racin; e :.factor de disminucin de trabajo en el TC radial.

fuerza.

caudal tnsico, caudal msico de aire; Gc, caudal msico de combustible; G g, caudal gravimtrieoo en peso.

aceleracin de la gravedad; g, g-, g> prdida de caudal intersticial total, externa e interna.

H poder calorfico del combustible, al tura neta de las turbinas hidrulicas; H[, H podercalorfico inferior, superior; H8, entalpia especfica de un gas referida a JLMol.

h entalpia especifica.

Ic c intensidad trmica de la cmara de combustin.

K Kelvin (temperatura absoluta).

k cantidad de movimiento, coeficiente de influjo del enrejado; coeficiente global de transmisin del calor, rendimiento energtico combinado terico; kf, km, coeficiente de velocidad en lacorona fija y mvil; kc l , k^i, kw1 , ele., etc... coeficientes de velocidad.

L cuerda de un perfil. longitud radial del labe., lu7de uti perfil.

M momento ;Mr, masa molecular relativa {antiguamente llamada masa molecular); MP, media presin.

Ma nmero de Mach.


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Cuadro de unidades de los sistemas internacional y tcnico

(11 igual a 1553164,13 longitudes de onda de la lnaa roja d einecirodei kadrno


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Introduccin

1.1. Clasificacin de las mquinas de fluido. Definicin deturbomquina.

Las turbomquinas constituyen una clase especial dentro de las mquinas de fluido.

Mquinas de fluido son aqullas que absorben energa de un fluido y restituyen generalmenteenerga mecnica en el eje. como en una lurbina de vapor, que acciona un generador; o energapropulsiva en el chorro, como en un turborreactor o un cohete; o bien absorben energa mecnica enel eje \ restituyen energa a un fluido. Los motores Diesel, los motores de explosin, las bombas deembolo, los turbocompresores, etc., etc., son mquinas de fluido.

Fl Huido puede ser un liquido o an gas; el rgano intercambiado 1 de energia mecnica y defluido puede estar dotado de movimiento rotativo o movimiento alternativo: estos y otros factorespueden servir para clasificar las mquinas de fluido. Podemos lograr una clasificacin binariarigurosa si atendemos al principio de funcionamiento.

Segn el principio de funcionamiento las mquinas de fluido se clasifican en turbomquinas ymquinas de desplazamiento positivo.

Las turbomquinas (en abreviatura en este libro TM) se llaman lambin mquinas de corriente omquinas dinmicas. En ellas el intercambio de energa es debido, como estudiaremos en el Cap. 5,a la variacin del momento cintico del fluido en su paso por el rgano intercambiador de energia.dotado de movimiento rotativo, que se llama rodete. La ecuacin de Euler o ecuacin fundamental delas turbomctquinas (vanse las Secs. 5.3 y 5.4), basada en el teorema del momento cintico, es bsicapara el estudio de estas mquinas.

Definicin de turbomquina

TURBOMAQUINA ES AQUELLA MAQUINA DE FLUIDO CUYO FUNCIONAMIENTOSE BASA EN LA ECUACION DE EULER O ECUACION FUNDAMENTAL DE LAS

TURBOMAQUINAS

til segundo grupo de mquinas de fluido incluye no slo las mquinas de mbolo o mquinasalternativas, sino todas aquellas, incluso rotativas (motor Wankef bomba o motor de lbulos o deengranajes), cuyo principio de funcionamiento es el principio de desplazamiento positivo. Segn esteprincipio, en las mquinas de desplazamiento positivo una cierta cantidad de fluido queda positi-vamente retenido durante su paso a travs de la mquina, experimentando cambios de presin alvariar el volumen del recipiente, y tambin por adicin y sustraccin de calor en las mquinastrmicas; pero sin que la variacin del momento cintico del fluido juegue un papel esencia), en la

transformacin de energa. Por eso estas mquinas se llaman tambin estticas.

1 Vase C. MATAIX, Turbomquinas Hidrulicas, Sec. 14.3.


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2 TURBO MAQUINAS TERMICAS

1.2. Primera clasificacin de las turbomquinas

Para clasificar las turbomquinas se pueden seguir criterios diversos. l primero es lacompresibilidad del fluido dentro de la mquina.

Segn este criterio las turbomquinas se clasifican en turbomquinas hidrulicas y turbomquinas

trmicas.Turbomquinas hidrulicas (en abreviatura TMH) no son aquellas en que el fluido intercambiadorde energa o fluido de trabajo es agua (aunque etimolgicamente esto signifique la palabrahidrulica), ni siquiera aquellas en que el fluido es un lquido; sino aquellas en que el fluido

puede considerarse como incompresible, porque su compresibilidad es prcticamente despreciable.

Turbomquina trmica (en abreviatura TMT) es aquella en que el fluido ha de considerarse comocompresible, porque su compresibilidad no es despreciable.

Todos los cuerpos reales, slidos, lquidos y gaseosos,, son -compresibles.. Sin embargo, eldiseo y estudio de una bomba hidrulica, por ejemplo, puede hacerse suponiendo que el agua es

incompresible, o sea, que su densidad o volumen especfico permanece constante a travs de lamquina: la bomba, pues, es una mquina hidrulica. Por el contrario, el diseo de una turbina degas, por ejemplo, no puede hacerse sin tener en cuenta la variacin de! volumen especfico del gas atravs de la turbina: la turbina de gas es, pues, una mquina trmica.

Los gases son ms compresibles que los lquidos. Sin embargo, no todas las mquinas de gasesson mquinas trmicas, Kn efecto, el diseo de un ventilador de aire, por ejemplo, para pequeaspresiones no necesita tener en cuenta la pequea variacin del volumen especfico del aire a travsde la mquina, que es despreciable: el ventilador, pues, es una mquina hidrulica. Por el contrario, eldiseo de un compresor de aire para grandes presiones no puede hacerse sin tener en cuenta lavariacin del volumen especfico a travs de la mquina, que al variar mucho la presin, ya no es

despreciable: el compresor, pues, es una mquina trmica.Ms an, en la frontera del influjo de la compresibilidad, que convencional- mente en los

ventiladores de poca potencia y baja calidad podra establecerse para un incremento de presin en lamquina p:o: 1000 Pa


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4 TURBOMA QUINAS TERMICAS

1.5. Direccin del flujo en el rodete de una turbomquina

Estudiemos la trayectoria absoluta de una partcula de fluido en el rodete, que es el Organoprincipal de una turbomquina, en el cual se intercambia la energa de fluido con energa mecnica oviceversa. La trayectoria de cada partcula se encuentra en una superficie de revolucin, por lo cualser conveniente utilizar un sistema de coordenadas cilindricas a, *p, r; de manera que lacoordenada a se mida segn el eje de la turbomquina, la coordenada y> se mida a partir de un

plano axial de referencia cualquiera y la coordenada / se mida en la direccin radial, perpendicular

al eje de la mquina.

En la figura !-l se ha trazado la trayectoria absoluta de una partcula de fluido en el rodete de unaturbomquina. En un punto A de esta trayectoria se definen los vectores, i, f, k, respectivamente en ladireccin del radio, de la tangente y en la direccin axial, de manera que formen un triedrodextrogiro, como se indica en la figura. Estos tres ejes que varan su orientacin en el espacio,segn el punto considerado, constituyen el triedro intrnseco de una TM. En el caso particular de lafigura (rodete diagonal cnico) la partcula describe su trayectoria en el rodete en un cono. Engeneral la velocidad del fluido en un punto tendr componentes segn los tres vectores unitarios. Enla figura ?es la velocidad absoluta del fluido en el punto A, con sus tres componentes: Cj en ladireccin del radio, en la direccin de la tangente a un paralelo, y c a en la direccin del eje.

1.6. Tercera clasificacin de las turbomquinas

Segn la direccin del flujo en el rodete las turbomquinas se clasifican en radiales, axiales ydiagonales.

En las mquinas radiales cada partcula del fluido se mueve en el rodete en un

Fig. 1-2.Trayectoria absoluta de una partcula en el rodetede una turbomquina radial, y componentes de la velocidadabsoluta de) fluido segn el triedro intrnseco.


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L INTRODUCCION 5

TRAYECTORIAABSOLUTA

Fig. 1-3.'Trayectoria absoluta de una partcula eno) rodoto do una turbo mquina axial, y componentesde la velocidad absoluta del fluido segn el triedrointrnseco.

(1-1)

d-2 )

plano transversa) al eje de la mquina (en un plano i, j). Por lo cual, en todo punto delrodete la velocidad c de una partcula de fluido ser:

7* *C = l Cj+/


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D I R E C C I O N R A O I A L

6 TU REO M A Q UINAS TERMICAS

as radiales y axiales son en realidad casos particulares, en que la superficie de revolucin es unplano transversal al eje de a mquina en las primeras, y un cilindro coaxial con el eje de la mquina enlas segundas). En las mquinas diagonales la velocidad tiene las tres componentes, es decir:

y*C 2i Cr +/ q, + kCa ( 1-3)

La fig. 1-1, corresponde a una mquina diagonal en la cual la superficie de revolucin es un conoy la fig. 1-4 corresponde a una mquina diagonal en a cual la superficie de revolucin no esdesarrollable en un plano. En ambas figuras 1-1 y 1-4 se ha dibujado tambin la llamada componentemeridional de la velocidad, siendo en toda mquina:

Cm = Cr+ k C (1-4)

donde ?Vn - vector que tiene la direccin y el mdulo de la diagonal del paralelo- gramo formadopor c: y ca y se denomina componente meridional.

En las TM radiales, siendo ca = 0:

(1-5)y en las TM axiales, siendo cx = 0:

D I R E C C I ON AX I AL

DIRECCION PERIFERICA

TRAYECTORIA ABSOLUTA DE

UNA PARTICULA

(Fi lamento de corr iente)

Fig. 1-4. -Trayectoria absoluta de una partcula en el rodete de una turbomquina diagonal, ycomponentes de la velocidad absoluta del fluido segn el triedro intrnseco.


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(1-6)

A lo largo de todo el libro se ver siempre que en las TM el caudal se expresa en funcin

de cm (ca en las mquinas axiales, cr en las radiales). Si c rn ~ Q el caudal que atraviesa la

mquina es igual a cero.

Por otra parle la transmisin de la energa se expresa en fundn de cu. Si estacomponente fuera igual a cero en todo el rodete el fluido no intercambiara energa algunaen la mquina.

La obra que iniciamos con la publicacin de este primer volumen est consagrada alestudio de conjunto de todas las turbomquinas: las tres clasificaciones de las TM aducidasen las Secs. 1.2. 1.4 y 1.6, se emplean en esta obra. Utilizando la primera como

clasificacin fundamental hemos dividido la obra en dos volmenes: el presente consagradoa las turbomquinas trmicas, y otro que se consagra al estudio de las turbomquinashidrulicas.

Unas y otras pueden subclasificarse a continuacin, utilizando el segundo criterio (Sec.1.4), en generadoras y motoras. Al grupo de mquinas trmicas generadoras pertenecen losturbocompresores (en abreviatura TC) y al de mquinas motoras las turbinas de vapor (enabreviatura TV) y las turbinas de gas (en abreviatura TG). Cada una de estas tres clases demquinas podra a continuacin volver a clasificarse utilizando el tercer criterio (Sec. 1.6).As podran estudiarse en primer lugar los compresores radiales, luego los diagonales y losaxiales; procediendo a continuacin de la misma manera con las turbinas de vapor, etc. Estemtodo, sin embargo, conducira a excesivas repeticiones. Por esta razn nosotrosestudiaremos en este volumen todas las TMT en conjunto, buscando sus afinidades mutuas,elaborando sntesis, y agrupndolas de maneras diversas en los distintos captulos, segn lasclasificaciones indicadas. Asi', por ejemplo, ciertas caractersticas de las TMT se estudianen conjunto para todas las TV y TG. (Cuando queramos hablar de todas las turbinastrmicas, sin distinguir las TV de las TG utilizaremos la abreviatura TT). Las caractersticasde las mquinas axiales, aplicables a las TV, TG y TC de flujo axial no se estudianseparadamente, sino en conjunto, y as sucesivamente.

El siguiente cuadro resume las clasificaciones indicadas.


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Las TM radiales y diagonales pueden ser centrfugas o cent rpetas. Hn las TMT sloexcepcionalmente son parcialmente centrpetas algunas TV (vase la fig. 13-2).

1.8. Breve descripcin de las turbomquinas trmicas1.8.1. Turbocompresores

Las turbomquinas trmicas generadoras sirven para comprimir gas y se denominan engeneral turbocompresores. Se pueden dividir en dos grupos: soplantes y turbocompresorespropiamente tales.

Tambin hay mquinas hidrulicas generadoras para gas y se denominan ventiladores. Suestudio se hace unto con las restantes TH en el otro tomo de esta obra. Los ventiladores sonmquinas destinadas a producir un incremento de presin toial >pxot pequeo.Convencional.mente se fija el limite de Aplot para ventiladores en 1000 mm. c.a., o sea en unarelacin de compresin 1,1. Si el incremento de presiones no excede el valor indicado lavariacin de volumen especifico del gas a travs de la mquina podra despreciarse en elclculo de la misma. Por eso el ventilador como se ha indicado, es una TMH y su estudio no

pertenece al de las TMT.1*.

Los soplantes o turbosoplantes son mquinas para comprimir gases en que la relacin decompresin es mayor que 1,1 y menor que 2,5 a 3,0 y que no tienen re- frigeracinincorporada y son generalmente, no siempre, de un escalonamento. As por ejemplo, en losconvertidores de los altos hornos el compresor tiene que impulsar aire a una presinequivalente a la resistencia de la conduccin ms la resistencia de la tobera con fa colada.La relacin de compresin necesaria es aproxi-

1.7. Resumen de !a cfasificacin de las turbomquinas


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1. INTRODUCCION

Fig. 1-5. Compresor centrifugo de altapresin hasta 171 bar, partidohorizontalmente de la casa Parsons. Lacarcasa exterior es un cilindro de presin deparedes gruesas con do$ tapas pesadas a losextremos. En el cilindro se encuentran dostoberas de entrada y salida. Las tapasextremas alojan los cierres labernticos deleje, los cojinetes de apoyo y los cojinetes deempuje. La carcasa exterior est formada pordiafragmas acoplados entre s mediantelargos pernos longitudinales. Estosdiafragmas estn partidos por un planohorizontal que pasa por el eje.

rnadamente 3. Para este servicio se

emplean de ordinario soplantes devarios esca- lonam ien tos, en los que el aire no se refrigera, lo cual en conjunto para estetipo de aplicacin es preferible.

Los turbocompresores son mquinas para comprimir gases en que la relacin decompresin es mayor, y como consecuencia tienen incorporada refrigeracin, a no ser quesu destino aconseje lo contrario, como sucede en los TC de las turbinas de gas. Es claro queel lmite en la relacin de compresin para esta clasificacin es convencional y noumversalmente empleado.

Tanto tos turbosoplantcs como los turbocompresores pueden ser radiales, diagonales(semiaxiales o de flujo mixto) y axiales, siendo los primeros y los ltimos los msimportantes.

As por ejemplo, el suministro de aire comprimido a una mina requiere presiones delorden de 6 a 7 bar. Al aumentar la relacin de compresin aumenta la temperatura del aireen la compresin, y entonces resulta necesaria la refrigeracin, ya sea interior, exterior ouna combinacin de ambas. Segn lo dicho, para este servicio se requieren, pues,turbocompresores.

Aunque en el campo de las grandes presiones el compresor alternativo es aninsustituible la evolucin de los TC hace posible su aplicacin a presiones cada da mselevadas, si los caudales son suficientemente elevados, desplazando en estas aplicacionesms y ms a los compresores alternativos. As, por ejemplo, la casa Parsons de Newcastle,Inglaterra los construye ya para caudales hasta 17000 m 3/h y presiones hasta 480 bar (vasefig. 1-5).

En los ltimos arios los turbocompresores han evolucionado extraordinariamente,logrndose mquinas de mayor potencia unitaria y de mejor rendimiento.

Uno de los factores que ms han impulsado la investigacin para lograr mejoresrendimientos en los compresores ha sido el desarrollo espectacular de la turbina de gas enlos ltimos 35 aos, ya que el compresor forma parte integral de dicha m


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1 0 TURBO MA Q UNA S TERMICAS

quina. Si se tiene en cuenta que la potencia neta de una turbina de gas es igual a lapotencia til desarrollada por la turbina menos la potencia absorbida por el compresor(vase la Sec. 4.1). se ver el papel tan importante que ha desempeado la mejora delrendimiento del compresor en el desarrollo de la turbina de gas.

En las turbinas de gas de aviacin o turborreactores el compresor axial en comparacincon el compresor centrfugo ofrece la ventaja de mayor potencia para una misma reatransversal. As tambin, el mismo avin dotado de turborreactor con compresor axial tendrmenor arrastre en igualdad de potencia que el dotado de compresor centrfugo. As seexplica que pocas mquinas hayan conocido un desarrollo tan espectacular como elcompresor axial desde la patente de Parsons en 1901 hasta el compresor axial actual. Elcompresor de Parsons tena un rendimiento de 60 por ciento, y el de los compresoresactuales sobrepasa ya al 90 por ciento, con relaciones de compresin a veces mayores de 30.A este desarrollo contribuyeron principalmente en Inglaterra el Roya! Aircraft Establishment, y

en Suiza la Brown B o veri; recibiendo tambin un impulso grande el compresor axial enAlemania, donde fue seleccionado para el tuborreactor Jumo 004.

1.8.2. Turbinas de vapor

Las turbo mquinas trmicas motoras son las turbinas de vapor y las turbinas de gas.

La prehistoria de la turbina de vapor se remonta hasta el ao 175 a.J. en que Hern deAlejandra hace ya la descripcin de la primera turbina de vapor conocida. La turbina deHern (fig. 1-6) consista en una esfera que poda girar libremente en tomo de un ejediametral, apoyada en los extremos del mismo en dos soportes, por cuyo interior hueco

entraba en la esfera el vapor producido en un caldern. El vapor sala de la esfera por dostubos diametralmente opuestos y acodados en sentidos opuestos. La turbina de Hern, enque la transformacin de presin en velocidad tena lugar totalmente en el elemento mvil(esfera o rodete), era, en la nomenclatura moderna, una turbina pura de reaccin, o de gradode reaccin igual a 1. (Vase Sec. 5.6).

Kig. 1-6.Turbina de Hern.


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/ . INTRODUCCION 1 1

La historia de la turbina de vapor se inici a fines del siglo pasado. Entre los muchosinvestigadores que contribuyeron a su desarrollo mencionaremos slo los dos principales,que fueron los creadores de las turbinas de vapor modernas.

El primero es el genial inventor sueco De Laval (1845-1913), que cre, como

subproducto de su desnatador centrifugo, impulsado por la necesidad de encontrar unaccionamiento de gran v elocidad para el mismo, la turbina de vapor de accin, de un soloescalonarniento. llamada turbina de Laval. De Laval desarroll para su turbina la toberaconvergente-divcrgcnte con velocidad supersnica de salida de vapor y el eje flexible, cuyavelocidad crtica quedaba por debajo de la velocidad de giro de la turbina 30000 rpm.

El segundo es el ingls Parsons (1854-1931), quin en busca de un motor marinoapropiado, desarroll la turbina de vapor de reaccin de varios escalonamien-

tos. El Turbinia, primer barco equipado con turbina de -vapor, fue fletado en 1 895,Parsons resolvi el problema de la marcha atrs mediante un doble rodete, y consiguimejores rendimientos que con las mquinas alternativas de vapor que se utilizaban en aquelentonces.

La propulsin de barcos de gran tonelaje exige potencias imposibles de alcanzar con lasantiguas mquinas alternativas de vapor. llo\ la turbinado vapor compite con el motorDiesel en este campo y es en el de las grandes potencias muchas veces el motor preferido.Ya en el ao 1917 el crucero ingls Ilood de 42000 toneladas, propulsado por turbinas de

\apor, desarrollaba en sus cuatro ejes una potencia total de ms de 150000 kW.

La figura 1-7 representa un esquema dla TV ms sencilla, turbina.de vapor de accin deun solo escalonarniento, que es la turbina primitiva de Laval y que Funden servir paraexplicar el funcionamiento de este motor. Fn la tobera I fija se expansiona el vaporincrementndose su energfa cintica. La velocidad de salida del vapor depende de la presiny temperatura del mismo antes de la tobera, as como de la presin que reine a la salida dela tobera, o sea a la entrada del ro-dete 2. pudindose controlar la velocidad a la salida de la lobera, controlando dichapresin. En otras turbinas la tobera de la figura se sustituye por una corona fija de alabesque realiza el mismo papel. En los alabes mviles del rodete 2 el vapor cede su energa


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1 2 TURfDMAQUINAS TERMICAS

cintica obtenindose energa til en el eje 3 de la mquina. Los labes estn fijos aldisco 4. En las turbinas de reaccin la expansin del vapor se realiza no slo en loslabes fijos sino tambin en los labes mviles del rodete. Este en las turbinas de vapor,como en todas las TM, es el rgano intercambiador entre la energa del vapor y la energa

mecnica. La TV es un motor de combustin externa. La combustin del carbn, fuel-oil.etc. se realiza en la caldera, que es un intcrcambiador externo de calor y los gases decombustin no se mezclan con el fluido de trabajo.

Las TV son mquinas de gran velocidad. Si todo el salto entlpico disponible setransforma en energa cintica en la tobera, como en la figura 1-7, la velocidad del vapor

a la salida de la misma es con frecuencia superior a la velocidad del sonido, y lavelocidad perifrica del rodete u para aprovechar con buen rendimiento esta energapodra llegar a ser superior al lmite de resistencia de los materiales empleados. Elproblema del gran nmero de revoluciones con el que ya se enfrent De Laval en suprimera turbina se resolvi ms larde como veremos aumentando el nmero de lascoronas mviles. En estos ltimos aos el salto trmico disponible de las turbinas ha idoen constante crecimiento, al aumentar por una' parte la presin y temperatura del vaporen la caldera y por otra el vaco en el

Fig. 1-8Pequea turbina de condensacin que acciona un generador que

forma parte de los turbogeneradores marinos de la firma Alien Sons andCompany, Bedford, Inglaterra. Instalacin compacta en que el condensadorse integra en el pedestal de la turbina. Barcos de diferentes naciones,incluyendo Espaa, instalaron estas turbinas con potencias que oscilan de450 a 1500 kW, presiones de entrada alrededor de 40 bar; temperaturasalrededor de 450 C y vacos en el condensador que oscilan entre 92,5 y 97por ciento.


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1. INTRODUCCION 1 3

Fg. 1-9.Corte longitudinal de una TV de la serie G de la casa AEG-Kannis. Carcasa seccionadahorizontalmente para comodidad de revisin. TV de gran nmero de escalonamientos de reaccin, conla primera corona de regulacin de accin. Se construye en potencias de 300 a 30000 kW en nuevetamaos. Regulacin totalmente hidrulica. Rodete de aleacin de acero al CrMoVa. Coronas fijasde acero con 13 por ciento de Cr. Laberintos de acero con lminas

de bronce fosforoso.

Fig. 1-10.Turbina del mismo tipo de la figura 1-9 desmontada. A la izquierda el escalonamien- to deregulacin. El numero de vlvulas de regulacin oscila entre 2 y 5. El nmero de escaJo- namientos de

reaccin en este tipo oscila entre 10 y 40. Rodete de tambor.


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1 4 TURBO MAQUINAS TERMICAS

f'ig. 1-11TV de condensacin de doble flujo en montaje en Jos. talleres de AEG-Kannis, destinada aaccionamiento de un TC a 9000 rpm. Potencia 7,5 kW.

E* ig. 1-12.Turbina marina de contrapresinAlienacoplada a un engranaje epicicloidal. En una bancadacontinua est montada la turbina, la transmisin y el generador. Las potencias de estas turbinas son dealrededor de 500 kW y las condiciones de entrada de unos 40 bar y 500 C, y la presin de salida de

alrededor de 1,3 bar, segn los tipos.

condensador. En la actualidad se construyen calderas que trabajan en condicionessupercrticas por encima de los 250 bar y 600 C. Al mismo tiempo el vaco en elcondensador se acerca cada vez ms al vaco absoluto.

En las figuras 1-8 a 1-12, as como en otras muchas de este libro, pueden verse esquemas


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1. INTRODUCCION 1 5

y fotografas de TV modernas de diversos tipos, que se estudiarn ms adelante.

1.8.3. Turbinas de gas

Con este nmbrese designa un motor que ha experimentado un progreso espectacular en

los ltimos decenios desde poco antes del comienzo de la segunda guerra mundial.La turbina de gas en su esquema ms sencillo (ciclo abierto simple), que se representa en

la figura 1-13, consta de un compresor, una cmara de combustin y de la turbina de gaspropiamente tal. Es decir, se emplea el mismo nombre para el conjunto de Jas tres unidadesmencionadas que en el caso de la figura (cmara de combustin de mezcla) constituye unmotor de combustin interna, y para la turbina sola. Se evitar la ambigedad, cuando seapreciso, empleando la designacin de motor-TG, para el primero, y unidad-TG para lasegunda.

El esquema de la figura 1-13 funciona as: entra aire de la atmsfera al compresor TC, elcual es accionado por la unidad-TG. El aire comprimido en el compresor entre en la cmarade combustin CC, donde se inyecta y quema combustible, elevndose la temperatura delaire, a presin aproximadamente constante. A continuacin el aire mezclado con ios

productos.de combustin, a alta presin y temperatura, entra en la unidad TG que desarrollala potencia necesaria para el accionamiento del compresor y la potencia neta adicional en eleje, al cual puede acoplarse un alternador o cualquier otra mquina receptora (bomba,compresor, etc.). Este circuito sencillo se emplea en los turborreactores de los aviones dereaccin, pero en ellos la potencia en el eje de la unidad TG es igual a la potencia deaccionamiento dcJ TC, y la potencia til es la potencia propulsiva desarrollada por elchorro.

Adems del ciclo abierto sencillo que acabamos de describir existen multitud de ciclos yesquemas de realizacin mucho ms complejos en que se combinan variedad de elementos:

uno o varios compresores, una o varias turbinas, intercambiadores de calor diversos, etc.,anlogamente a como se combinan los transistores, resistencias, condensadores, etc., demltiples maneras en los circuitos electrnicos.

Los primeros motores-l'G de combustin discontinua o continua, proyectados en Francia

Fig. 1-13.Esquema de TG que funciona segn ciclo abierto sencillo: MA motor dearranque; TC compresor; CC cmara de combustin;TG turbina; A acoplamiento paramquina receptora.


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1 6 TURUO M A QUINAS TERMICAS

y Alemania en el primer cuarto de este siglo, presentaban rendimientos muy pobres, a vecesno superior al 3 por ciento, y siempre inferior al 15 por ciento. El rendimiento bajo ha sidoel obstculo principal que ha encontrado la TG para competir con el molor Diesel, la TV yotros motores trmicos. Gracias, sin embargo, a la investigacin realizada y que contina en

marcha, el rendimiento ha mejorado notablemente y se abren nuevos campos de aplicacin ala TG.que aprovechan sus innegables ventajas (precio/kW instalado ms reducido, arranquems rpido, etc.).

El resultado de estas investigaciones ha sido pues, en primer lugar una elevacin drsticadel rendimiento lograda principalmente por dos procedimientos: mejora del rendimiento delcompresor y elevacin de la temperatura de entrada en la tur-

? ) a i 'O IfiH 1/ -k u ni /i jj

Fig. 1-14 TG de/


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/ . INTRODUCCION 1 7

Fig. 1-15 Turbosobrealimentador Hispano- Suiza f-5 400.

bina, conseguida esta ltima gracias a la investigacin metalrgica de materiales para aliastemperaturas. Actualmente la temperatura de entrada del gas en-l'cturbina es superior enmuchos casos a los I000 C, La mejora del rendimiento se ha logrado tambin empleandociclos di\ersos Finalmente se estn ensayando con xito TG que funcionan en circuito

cerrado con combustible slido (polvo de carbn, de hulla, lignito, etc.), lo cual ciertamenteno mejorana el rendimiento, pero si la economa del motor,

Ya a fines de 1967 en liu ropa. USA y Japn i vase la figura 1-1H se hablan contratado las si-guientes TG: 3378 (potencia total 112 MW>de potencia inferiora 750 MW;2585 con potencias de 750 a15000 KW (potencia total 11450 MW) y 556 mquinas con potencia superior .15 IvW (potencia total11850 MW). Desde entonces el merca-do de las l'(i experiment un aumento siempre creciente.

t.a investigacin contina porque subsisten los mismos problemas que, hace aos (aunque algunos seencuentran ya parcialmente resueltos) tales como la corrosin y depsitosde cenizas, que junto con laresistencia, imponen un lmite en la eleccin de elevadas temperaturas. Hoy da las temperaturas de 850a 900 C sin utilizar procedimientos muy elaborados de refrigeracin, son domina bles

Un la actualidad se estiman como combustibles ideales para las TG el gas natural y los com bustibles

ligeros; y no ideales los que contienen una cantidad relativamente grande- de azufre. Ivn particular elgas natural esta prcticamente exento de depsitos, lo que permite mayor elevacin de la temperatura, yconsiguientemente mayor rendimiento, lin cambio con aceites pesados de gran contenido, de azufre ycenizas no es posible elevar la temperatura por encima de los 650 C, par evitar la corrosin por SO 3 yO^.

Citemos algunos de los campos de aplicacin ms importantes de laTG.

1. Histricamente una de las primeras aplicaciones de las TG, y que en la actualidad haadquirido aun mayor importancia es la del turbosobrealimentadorde los motores alternativosde combustin interna. El turbosobreaUmentador es una TG sin cmara de combustin nicompresor propio, que es accionada por los gases de escape del motor de explosin o Diesel.La potencia til de la TG se emplea en accionar un compresor que eleva la presin del aireque entra en el motor. De ah el nombre de turbosobrealimentador con que se le conoce.


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1 8 TURBO MA Q UINA S TERMICAS

La figura 1-15 corresponde al turbosobreaJimcntador H-S 400 construido por la Hispano-Suiza. que en seccin longitudinal puede verse en la figura 1-16, y que se adapta en diferentestamaos a motores Diesel rpidos de unos 500 a 1850 kW. El compresor centrfugo es dealeacin de aluminio y la turbina axial tiene labes de acero refractario.

2. La propulsin aeronutica fu desde el principio y seguir siendo la aplicacin ms importantede las TG.

Fig. 1-16.Corte longitudinal delturbosobrealimentador His- pano-Suua H-S400: 1. carcasa del compresor 2 . rodete

de 1 compresor; 3. difusor; 4. carcasaprincipal; 5. eje; 6 . turbina; 7.distribuidor; 8 . admisin de gases.

La investigacin ingente realizadaen este campo ha repercutido y seguir repercutiendo en el desarrollo de este motor en todos los campos.

Va en J976 la Pratt and Whitney, primera empresa mundial en la construccin de turborreactores deaviacin, dispona de 16 bancos de pruebas: 5 para turborreactores (3 dotados de cmaras de altitud), 9para componentes, etc. A la instrumentacin de estos bancos pertenecan: el sistema Astrodata con 846canales para el banco de turborreactores con cmara de altitud, ms otros 666 canales conectados abancos diversos; el sistema Sigma 8 con 1626 canales para el banco de pruebas de motores de dos ejes

y otros 1800 canales conectados a bancos diversos; el sistema de datos transitorios con ms de 400canales, etc.

La maquinaria auxiliar de estos bancos comprenda: exhaustores (totalizando 18 mquinas: 12 TC

centrfugos y 6 TC axiales) con mltiples conexiones posibles en serie y en paralelo y con alimentacin abancos diversos; 13 compresores; refrigeradores, calentadores; 6 calderas; 6 bombas para agua derefrigeracin etc. etc. En estos ltimos aos se ha ido investigando entre otros muchos en los campossiguientes:

a) Dinmica, esfuerzos, friccin y refrigeracin de diferentes tipos de cojinetes; anlisis y ensayo decojinetes lubricados con gas a presin, etc.

b) Ruido y tcnicas para su eliminacin;sensores e instrumentacin diversa basada en la fsica de',estado slido; absorcin de energa micro-aero dinmica y acstica en tratamientos superficialesdiversos; aplicacin de lser y sistemas pticos coherentes al desarrollo de tcnicas hologrficas para lamedicin de deformaciones, visualizacin del flujo y generacin de sonido; desarrollo de la telemetrapara la trasmisin de datos desde componentes de motores, girando a gran velocidad.


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i INTRODUCCZON 19

e. c) Bsqueda de soluciones analticas y numricas a los problemas de flujo compresible, fenmenos

transitorios, capa limite; problemas Je resistencia de materiales relacionados con la elasticidad,plasticidad, fluencia esfuerzos de cargas peridicas: anlisis tcnnoditimicos y de trasmisin de calor cuflujo subsnico, snico, y supersnico, refrigeracin, fenmenos capilares, etc-.: desarrollo de modelos

matemticos para solucionar ecuaciones diferenciales e integrales; programacin; CAD. CAM, etc.d) Investigacin de la actividad clcetroquimica cataltica y del TiiccanisTno.de la corrosin.e) Desarrollo de nuevas aleaciones de alta temperatura, as como de capas protecLoras contra la

oxidacin; supcTaleaciones y materiales refractarios; desanrollo de refuerzos con fibra para aplicacionesestructurales; tcnicas de difraccin de rayos X para aplicacin a micromec-nica y desarrollo de nuevosmateriales.

O Desarrollo de aleaciones monocristlinas; metalurgia fsica, metalurgia de procesos, tc - picasnuevas de soldadura, forjado y fundicin; estudios sobre la composicin y estructura de materiales.

'Las figuras 1-17 a 1-19 representan tres turborreactores de aviacin de las firmas MTL\Pralt and Whilney \ General Electric. (1>

La figura 1-20 corresponde a un motor turbohklice, El turbohklice es ms econmico que elturborreactor en velocidades inferiores de vuelo. En l el empuje

Pig. 1-17. Motor turbohfTS TYNTi, construido en siete tipos distintos por la fit ina M.T.U.,Alemania. lis el turbohlice de mayor potencia que se construye eu la actualidad (J9K3) en el mundo

occidental. De 2 ejes, con compresor de haja presin de 6 eseal i ma 1 1 ticn los y compresorde alta presin de 9. Cmara anular de combustin con 10 tubos de llama. La turbina consta deun cscalonamienio refrigerado para accionamiento del IC de alta y de una turbina de baja presin de 3escalonamienlos para accionamiento del TC de baja y de la hlice, esla ltima a travs de un engranajeplanetario. Los datos tcnicos del tipo MK 515-101W, el de mayor potencia de la familia, son: Potenciamxima. 4026 kW; empuje residual. 4,74 kN; consumo especifico de combustible, 0,307 kg/kWh; caudalmsico de aire. 21,14 kg/s; relacin de compresin, 13,86; temperatura entrada TG de AP, 1242 K; nhlice, 977 rprn; ri eje RP, I5250rpm;

i -Jvn n eje Al, 18150 rpm.


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20 TUR BOMA Q UINA S TERMICA S

es producido por la hlice fundamentalmente, accionada por la TG por intermedio de unatransmisin y parcialmente tambin por la reaccin del chorro.

La teora de Ja propulsin a chorro y un resumen de las aplicaciones aeronuticas de la TG

se expondrn en la Sec. 1.9.

3.La produccin de energa elctrica. Las TG como unidades de base son econmicamenteinferiores a las TV y a los motores Diesel. Sin embargo, como unidades de punta y grupos deemergencia, se emplean cada da ms y ms y con potencias unitarias cada vez mayores. Enefecto, las TG ofrece estas ventajas: potencia elevada por unidad de peso o de volumen;exigencia mnima de agua de refrigeracin; posibilidad de utilizar combustible ms baratoque el empleado por los motores Diesel: gasto de entretenimiento y revisin reducidos;consumo nfimo de lubricante y tiempo de puesta en marcha mnimo (de 2 a 10 s. de la TGparada a plena carga).

La TG tiene adems menor coste por kW que la TV; aunque, el rendimiento es menor, ypor tanto el gasto de combustible por hora de funcionamiento mayor. Si el nmero de horasde funcionamiento previsto no excede de un cierto lmite

Pig. 1*18.Turbofan con ventilador frontal, diseado y construido por la firrna Pratt andWhitney, con participacin de FIAT y MTU, el tns moderno (1984) de losturborreactores de doble flujo con ventilador frontal. De dos ejes; en el de baja presin,que gira en el interior del eje de alta presin est instalado el ventilador de un soloescalonamiento, el TC de baja de 4 escalonamientos y la TG de baja de cincoescalonamientos. En el de alta presin se halla el TC de alta de 12 escalonamientos,cuyos primeros 5 escalonamientos tienen coronas directrices de alabes orientales y la TGde alta de 2 escalonamientos. Cmara anular con 24 inyectores. Este mot-or se distinguepor su notable bajo consumo especfico de combustible, nivei bajo de ruido, bajacontaminacin, perfiles supercrticos de los alabes dei TC de AP, etc. Con este motor

est equipado el Boeing B757, el Airbus TA -11, etc. Algunos de sus datos tcnicos sonlos siguientes: empuje mximo de arranque, 167 kN; consumo especfico de combustibleen rgimen de crucero, 10,95 g.kN s; caudal de aire en e! despegue, 541 kg/s; relacin

de bay-passen marcha de crucero, 5,8:1.


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I . ZNTROD UCCZON 21

Fig 1-19.Turbofan CF6-80C2 de la General Electric con ventilador frontal. Dos ejes. Con diversostipos de la serio CH6 estn equipados los aviones Airbus A300B2/B4, McDonnell* Douglas DC-10-30 el Boeing 717. etc. Su versin militar es el TFS9,montado enei Lockheed C-5A Galaxia, l.a serieSO de este motor tiene un consumo especfico de combustible 6% menor, un 6% menos de peso ymenor longitud. Kn 19K. -) el 5()%de los motores del Airbus eran ile este tipo. Kn un eje coaxial vanmontados el ventilador \ cl TC de baja presin de 3 escalo* namicntos, accionado por la TG de BPdc 4cscalonamicntos. Tl TC de P de 14 cscalonamicntos es accionado por las TG de AP de 2 escalonanlientos refrigerados. I.as coronas fijas de los 6 primeros escalonamientos del TC de alta presin son de

alabes orientables. La cmara de combustin anular 7>oscc 30 inyectores. Caractersticas tcnicas deltipo 80C: empuje mximo en el despegue, 262,4 kN; empuje mximo en rgimen de crucero. $6 kN;consumo especifico de combustible. 17,02 g/kN s:caudal mximo de aire enei despegue ,66 1kg/s;relacin de by-pass 4,69:1; relacin total de compresin en el despegue. 312:I; relacin decompresin del ventilador en el despegue, 1,72:1; temperatura de entrada en IG de AP, 1306 C. Klmotor CF6-80C2 de la figura ha sido diseado con la tecnologa ms avanzada, segn el programa de laNASA EJ el consum especfico msbajo de lodos los motores de aviacin comercial hasta el presente (1985), destinado

a ser el motor de los aos 80.

Fig. 1-20.-Turbohlice tipo 331 de la firma Garrei, USA construido en diferentes versiones hasta unapotencia de despegue de 780kW .TC centrfugo de 2 escalonamientos de Ti forjado;

turbina axial de 3 escalonamientos.

r79. n


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22 TURBOMAQ UINAS TERMICAS

fig. 1-21 .Central te'rmica de TG Power Pac Duet" de la firma STAL-LAVAL de Suecia con dosturborreactores y una TG libre; (1) turborreactores como generadores de gas; {2) turbina

libre; (3) alternador.

la TG constituye la solucin ms econmica. Para estos grupos de emergencia se utiliza la TGde ciclo sencillo no regenerativo, y modernamente los grupos formados con turborreactores deaviacin convencionales como generadores de gas y una TG libre como suministradora depotencia. El coste por kW de los grupos de TG es en la actualidad el ms bajo de todas lasmquinas trmicas (el precio de las TV por kW viene a ser un I ,5 veces ms elevado).Suponiendo iguales los costes de seivicio, un rendimiento en la TV del orden del 33 porciento y en la TG del 24 al 30 por ciento, y teniendo en cuenta el precio del combustible, esfcil calcular el nmero mximo de horas para el cual los grupos de TG resultarn mseconmicos en cada caso.

El dibujo de la figura 1-21 corresponde al Power Pac Duet construido por la firma Stal - Laval deSuccia. Se trata de una central elctrica monobloc con TG, que consta de dos turborreactores de aviacin(Pratt and Whitney, Rolls-Royce oStal-Laval), que desempean ci papel de generadores de gas y dosunidades TG libre, las cuales accionan un mismo alternador. Estas centrales se ofrecen en potencias hastade 20 MW. Para potencias ms grandes se instalan dos o tres Power Pacs.

La secuencia normal de arranque y carga consiste en que se pone en marcha un generador de gas(turborreactor). Se acopla automticamente al alternador, el cual se acelera hasta !a velocidad desincronismo, y entretanto, unos segundos despus que el primero, se pone en marcha el segundoturborreactor, y se acopla automticamente al otro extremo del alternador, cuando el primer motor hasincronizado. Los niveles de ruido conseguidos son muy bajos y comparables con los que pueden medirseen un restaurante corriente.

Al mismo tiempo los motores TG construidos por un gran nmero de firmas, como la Rover enInglaterra, Solar en USA, etc., encuentran mltiples aplicaciones. As, por ejemplo, la figura 1-22presenta una vista seccionada del grupo MAN Turbo 6012 que se construye en poten -


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23 /. z:\TROiweaaN

Fg. I'22.Pequea turbina degas V/..4. V. Turbo 6012. Se construye en potenciashaslara el accionamiento Je' bombas. etc. 0 difusor Joescape. I. carcasa de la turbina. 2. euroiui directriz de la turbina: 3. cmarade combustin, 4. imcelor 5, perno de sujecin; 6. cojinete de bolas dla

turbina:? carcasa de transmisin; 8. eje de salida. > captadoi de tem-peratura. 70. rodete de la lu bina 1 1 , vlvula de drnaje 12. civjiiiciesderodillos de li turbina. 13, rollete del compresor. 14. deposito de aceiie deengrase. 15, regulador; K bomba del

iirvector*


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24 TUR ROM A QUINAS TERMICAS

Fi~0)c\ barco de guerra ms velo/ del mundo de 225 toneladas estabapropulsado por- un solo motor P and W. F4 en .la marcha a gran velocidad (72,3millas/hora) y fue destinado la batalla submarina P. and VV suminislra T marinas de 3?9 a 22400 kW al freno para barcos

pequeos y glandes


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/.INTRODUCCION 25


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cias pequeas hasta 81 kW mximo. Estos grupo$ son tiles para aplicaciones tales como accionamientode bombas, pequeos grupos electrgenos, etc...; y se ofrecen en mltiples versiones en cuanto a nmerode revoluciones de salida, arranque y regulacin.

4. La propulsin marina, que aprovecha entre otras caractersticas la ventaja de la gran

potencia especfica de la TG, constituye otro interesante campo de aplicacin. ('Vcase fig. 1-23).

5. Las locomotoras con TG. han realizado pruebas satisfactorias en algunos pases y seespera su aplicacin creciente en e futuro.

6. Como motor de automvil, las investigaciones de los aos 70 pronosticaban suutilizacin prxima en autobuses y camiones de transporte; no descallada la posibilidad deutilizacin en los turismos y coches pequeos, donde su ndice bajo de contaminacinatmosfrica lo convierte en principio en un motor muy atractivo (1>.

7. En las refineras de petrleo proceso de destilacin por destruccin (cracking)

utilizando como combustible el carbn depositado en el catalizador, en las acereras, en losgrupos electrgenos mviles, en los gaseoductos para accionamiento de compresores, en lossistemas de energa total (vase la seccin 18.11) y en otros muchos campos surgencontinuamente aplicaciones de esta TM.

8. Vehculo a ero suspendido ( Hovercraft>y).

En este vehculo, cuyo desarrollo se llev a cabo en Inglaterra, Francia, Japn (2>, Canad, Suecia,Rusia y USA, la TG acciona por intermedio de un reductor de velocidad el ventilador que crea laalmohada de aire y a travs de otro reductor ia hlice propulsora del vehculo. Ventajas: gran velocidad;relacin elevada de carga til a peso, elevada capacidad de transporte; posibilidad de funcionamiento en

ros, lagos, corrientes rpidas, en las proximidades de la desembocadura, en alta mar con olas de 1,50 a 3m (segn el tamao del vehculo), en la playa, en tierra, en terreno con capa de hielo, etc....

F.l modelo SRN 4 (fig. 1-24) de la firma inglesa W'cstland Aircraft, con 60 t de carga til y 168 t decarga total, tiene la misma capacidad de transporte a 130 km/h que un gran barco de 3000 t de 210 t decarga til a 37 km/h. Est provisto de 4 motores Proteus de 3130 kW de la Compaa Bristol Siddeley.

La British Hovercraft Corporation dise un buque de cai-ga aerosuspendido de 4000 toneladas,propulsado por 8 turborreactores Olympo a una velocidad en mar tranquilo de 50 nados con carga til de2000 toneladas. Su economa radica en la rapidez, junto con la disminucin del tiempo de carga ydescarga introduciendo la carga en containers. Eos turborreactores Olympo se seleccionaron para todas

l$ fragatas y destructores de la Royal Nvy inglesa de Os aos 70 para las grandes velocidades, y seintrodujeron en los destructores de misiles guiados, as como en unidades de 1a Marina Finlandesa, etc.

.. .9.Acumulacin de energa. La acumulacin de energa para su utilizacin en las cargas

puntas es una moderna aplicacin de los TC: durante la noche son


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/.INTRODUCCION 27

accionados los TC con la energa sobrante en esas horas y en las cargas punta dicho airecomprimido almacenado sirve como aire de combustin para una TG. (Vase la fy 1-25).

1.9. Breve resumen de la propulsin a chorro y de las aplicaciones aeronuticas de la

turbina de gas.

Dejando el estudio detallado de los motores aeronuticos de reaccin para los librosespecializados


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del Ilobby No. 3, que a) igual que los dos anteriores pueden transportar 50 pasajeros a una velocidadmxima de 1 .00 km/h, propulsado por dos htices de paso variable accionadas por una TG de 773 kW. Lamisma compaa desarroll otro vehculo aex-osuspendido para 150 pasajeros.

{ 1 i Vase, por ejemplo, la excelente obra rusa traducida por el autor del presente libro, STrCKN.Teora de tos motores de reaccin, Madrid. Dossat I 964,686 pags.

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