tema 1. turbinas de gas
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Tema 1
Turbinas de gas
1.1. CENTRALES TÉRMICAS CON TURBINAS DE GAS.
Las turbinas de gas (TG) son máquinas térmicas de funcionamiento rotativo, y como tal máquina
térmica, es necesario una combustión que aporte el calor a la misma, pudiendo ser ésta interna
o externa. En el primer caso, la TG se denomina de circuito o ciclo abierto y en el segundo caso
se denomina de circuito o ciclo cerrado.
Las TG se emplean en centrales térmicas para la obtención de potencias medianas, y se perfilan
como una competencia a tener en cuenta para la obtención de elevadas potencias en las grandes
centrales.
El principal problema que ha tenido el desarrollo de las TG ha sido sus bajos rendimientos
iniciales (3% < η < 15%); no obstante, los trabajos de Investigación desarrollados han conseguido
elevar mucho el rendimiento en base a:
-
Mejora del rendimiento del compresor
-
Elevación de la temperatura de entrada en la turbina
- Empleo de ciclos de funcionamientos diversos
Por último, Indicar que la utilización de combustibles sólidos (polvo de carbón) si bien no he
aumentado el rendimiento, si ha mejorado mucho la economía.
1.2. DESCRIPCIÓN DE LOS MOTORES DE TURBINAS DE GAS1.2.1. Motores de turbinas de gas de ciclo abierto simple
Un motor TG de circuito abierto, está compuesto por los elementos:
- Compresor de aire
- Cámara de combustión
-
Turbina
-
Dispositivos auxiliares (*)
(*) Dispositivos de lubricación, regulador de velocidad, alimentador de combustible, mecanismode puesta en marcha, etc. etc.
Los conjuntos anteriormente relacionados, pueden observarse en la Fig. 1. El acoplamiento de
todos ellos recibe el nombre de Motor de turbina de gas.
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Fig. 1: Molar do TG de ciclo abierto simple: 1. Motor de arranque; 2. Compresor; 3. Cámara de combustión; 4. Turbina;
5. Acoplamiento do máquina receptora
El funcionamiento es como sigue:
• El aire comprimido, procedente del compresor, pasa a la cámara combustión, donde elcombustible entra a caudal 'constante' y mantiene una llama 'continua'. La Ignición inicial se
obtiene por medio de una chispa. El aire, calentado en la cámara de combustión, expansiona a
través de toberas y adquiere una elevada velocidad.
• La energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes de la turbina. Una fracción de
esta energía es empleada para accionar compresor y el resto para producir trabajo en al eje. La
energía en el eje puede aportarse a cualquier receptor, entre otros a un alternador y producir
así energía eléctrica.
• El aire qua entra en el compresor procede de la atmósfera. El aire caliente junto con los gases
de la combustión después de cederle a la turbina su energía cinética, salen a la atmósfera a lacual ceden la energía térmica quo aún contienen.
1.2.2. Motores de turbinas de gas de ciclo cerrado
En las Instalaciones de turbinas de gas que
funcionan según un ciclo de aire cerrado,
el aire al finalizar su expansión en la
turbina no es expulsado a la atmosfera,
sino que pasa a un intercambiador de
donde cede su energía calorífica,
enfriándose y pasando al compresor paraser de nuevo comprimido. El aire una vez
comprimido se calienta pero este
calentamiento no se realiza en contacto
directo con los gases de la combustión sino
que lo hace en un calentador que viene a
ser como una caldera de aire que recibe el
Fig. 2: Motor de TG en circuito cerrado
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calor de la cámara de combustión externa al motor de TG.
En los motores de TG de ciclo cerrado (Fig. 2), se trabaja con presiones mucho más elevadas que
en los de ciclo abierto, con la consiguiente reducción del volumen de aire y de las dimensiones
de tuberías y máquinas.
1.2.3.
Motores de turbinas de gas de varios ejes o flechas
Los tipos de motores de turbina de gas mencionados en los epígrafes anteriores, están
constituidos por un sólo compresor y una sola turbina unidos por un eje; este eje es por tanto el
eje impulsor o flecha Impulsora. El trabajo que realiza la turbina es mayor que el que requiere
el compresor y la diferencia da lugar a un trabajo neto en la turbina que se transmite al exterior
a través de su eje (única flecha impulsora). El conjunto como se ha indicado en el epígrafe 1.1.1.
se denomina motor de turbina de gas de un solo eje o flecha. Su esquema puede observarse en
la Fig. 3a.
Cuando a la salida del motor de turbina de gas se requiera una velocidad constante, la solución
expuesta es la idónea, pero cuando se requiera un funcionamiento a distintas velocidades elempleo de una solución de flecha única presenta ciertas limitaciones.
Cualquier variación en la velocidad de rotación requerida, si el acoplamiento es de un sólo eje,
afectará a la velocidad de rotación tanto del compresor como de la turbina. Estos elementos
están diseñados para que su rendimiento sea el máximo posible a una determinada velocidad
(velocidad óptima); si la velocidad varía el rendimiento decae mucho, en especial el del
compresor. Es por ello, que se prefiere mantener el compresor y la turbina que lo impulsa a una
velocidad constante, disponiendo una segunda turbina que sea la que proporcione la potencia
requerida en cada momento por el exterior.
Esta última solución se denomina motor de turbina de gas de doble eje o de doble flechaImpulsora y es el que se muestra en la Fig. 3 (b)
Fig. 3aFig. 4b
El funcionamiento de la solución doble flecha (b), es el siguiente:
a) La turbina 3-4, Impulsa únicamente al compresor 1·2.
b) A la salida de la turbina 3-4, el gas tiene aún un alto contenido energético (P 4 >> Patmosférica, t4
>> tatmosférica), este gas se emplea para impulsar una 2ª turbina 5-6 que es la encargada de
suministrar el trabajo requerido en el exterior. Como el fin principal del sistema (Compresor 1·2,
C. de combustión 2-3, Turbina 3-4-5) es producir gas a elevada temperatura, a este conjunto se
le denomina Generador de gas. La turbina 5-6 adicional, tiene como función proporcionar el
trabajo o potencia requerida y es por eso que se le denomina Turbina de potencia.
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1.3. VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LAS TG.
Las principales ventajas de las TG sobre algunas Instalaciones son:
1.3.1. Ventajas sobre las Instalaciones de vapor-
Instalación más compacta
- Menos dispositivos auxiliares
- No necesitan condensador
-
Exigencias mínimas da agua de refrigeración
-
Mayor potencia por unidad de peso o volumen
- Escapes mucho más limpios (no necesitan chimenea)
- Control más fácil
-
Cimentaciones más ligeras
-
Lubricación más simple
1.3.2. Ventajas sobre los motores de émbolo para aviación
- Empleo de keroseno o destilados
-
Menor peligro de Incendios
-
Inexistencia de fuerzas desequilibradas
-
Refrigeración más fácil
- Menor número de piezas en movimiento
- Mayor potencia por unidad de peso
-
Mayor facilidad de Instalación
-
Menor superficie frontal
Como principal desventaja conocida, tenemos su gran consumo específico; no obstante esteproblema se resuelve, como podrá verse posteriormente, con compresiones y expansiones
múltiples, combinadas con la regeneración.
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1.4. PRINCIPALES APLICACIONES DE LAS TG.
Entre las distintas aplicaciones de las TG se pueden citar las siguientes.
1.4.1. Turbosobrealimentadores en motores de Combustión Interna
Estos dispositivos constituyen una TG que no poseecámara de combustión ni compresor propio, y es
accionada por los gases del escape del motor de
explosión. La potencia útil de la TG se emplea en accionar
un compresor, para elevar la presión del fluido que va
camino del cilindro del motor, de esta forma se consigue
que el cílindro se llene de un fluido a mayor presión (más
denso) y de ahí su nombre de turbosobrealimentador.
El funcionamiento es como sigue: Cuando se abre la
válvula de escape, los gases de la combustión, que están
en el interior del cilindro a gran presión, salen con una
velocidad muy elevada, cediendo su energía cinética a los
álabes de la turbina (1) y saliendo al exterior. La turbina
gira como consecuencia de la energía cinética obtenida y
mueve al compresor (2) que toma aire del exterior, lo
comprime y lo Introduce en el cilindro cuando la válvula
de admisión abre.
1.4.2. Producción de energía eléctrica
Con las instalaciones de turbinas de vapor (TV) se obtienen mayores potencias específicas de
salida. Se han construido equipos de vapor hasta de 1500 MW, mientras que las mayores
instalaciones de TG obtienen potencias específicas de salida como máximo de 50 MW; esto hace
que las TG no sean económicamente apropiadas como unidades de base frente a las TV. No
obstante, son muy útiles como unidades punta y como grupos de emergencia. Igualmente se
utilizan para la obtención de potencias especificas comprendidas entre 2 MW < Ne < 50 MW,
debido a su reducido tiempo de arranque y a un menor coste por kW producido. Para menores
potencias son más rentables las instalaciones que funcionan con motores Diesel: y para mayores
potencias, las instalaciones de TV.
1.4.3.
Motor de turbinas de gas pera tracción ferroviaria
Las TG son una buena solución para los diversos procedimientos de tracción ferroviaria, así,
podemos indicar algunas ventajas sobre los hasta ahora más empleados.
a.
Tracción eléctrica. Con las turbinas de gas se evitan los altos costos de electrificación de
líneas (líneas de contacto, subestaciones, líneas de alimentación etc.): costos que son
muy elevados y no harían rentable la electrificación en aquellas líneas con baja densidad
de tráfico.
b. Locomotoras Diesel. Si bien con este procedimiento se tiene un buen rendimiento
térmico (mayor que el de la TG.), el combustible y la máquina son excesivamente caros:
tienen además masas que de forma cíclica se mueven alternativamente (émbolo, biela,
Fig. 5: Turbocompresor de gases de escape:
1.Turbina: 2.Comprosor: 3.Salida de gases al
exterior. 4. Entrada al compresor, 5. Pistón:
6. Biela.
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cigüeñal, etc...), estos movimientos son perjudiciales desde el punto de vista de la
resistencia de las vías (fatiga). Tienen igualmente mayores gastos de mantenimiento.
c.
Locomotoras de vapor. Estas locomotoras tienen los mismos inconvenientes que las
Diesel en cuanto a las masas alternativas, tienen un rendimiento teórico malo y un
consumo excesivo de agua, si el agua es mala daña igualmente a la locomotora.
1.4.4. Motores de turbinas de gas para propulsión marina
Las TG son instalaciones sencillas, con elementos poco voluminosos, no tienen masas en
movimiento alternativo y además poseen una fácil puesta en marcha, todas estas ventajas la
hacen muy apropiada para instalarlas como motores marinos.
1.4.5. Motores de turbinas de gas para aviación
Se trata de una de las mayores aplicaciones de las TG, debido a que tienen una relación potencia-
peso muy favorable. Entre las distintas aplicaciones tenemos:
Fig. 6: Motor TG Turbohélice
a. Turbohélice. Constituyen un motor de TG cuya misión es producir potencia para
impulsar una hélice. Como el motor TG gira a una velocidad superior a la de la hélice, si
se utiliza una solución de una sola flecha impulsora, se necesitará un reductor de
velocidad entre la flecha de salida y la hélice.
Si la hélice gira a una velocidad más baja que el motor TG la solución adoptada puede
ser la de doble flecha en la que, la turbina de potencia impulsa a la hélice.
La solución de turbohélice, se utiliza en aquellos casos en que las velocidades a alcanzar no
superan los 600 km/hora.
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b. Turboventilador. Para velocidades hasta de 1000 km/hora, puede utilizarse la solución
del turboventilador; éste está constituido de la forma siguiente:
Fig. 7: Motor TG Turboventilador
El corazón del motor de TG es un generador de gas. El gas fluye desde el citado generador hastauna turbina de baja presión (Turbina de potencia) y es esta turbina la que produce el movimiento
de un ventilador situado en la parte frontal del motor. El ventilador, con álabes de gran
diámetro, Impulsa al aire (acelerándolo), que se divide en dos corrientes: una de ellas pasa a
través del generador de gas y es la que proporciona el empuje para el vuelo, y la otra fluye a
través de un conducto desviándose del generador de gas; por tanto, no se calienta mediante el
proceso de combustión, a este flujo se te denomina chorro frío. La relación entre el aire del
chorro frío y la que circula por el generador de gas, se denomina relación de desviación (by-
pass). El chorro frio o flujo de by-pass, es el que proporciona empuje durante el despegue.
c.
Turborreactor. El motor turborreactor consta de tres secciones principales: El difusor,
el generador de gas y la tobera. Su funcionamiento es como sigue:
Fig. 8: Motor TG Turborreactor
- El difusor, colocado delante del compresor, toma el aire atmosférico desacelerándolo
antes de que entre en el generador de gas; la desaceleración produce un incremento de
presión conocido como efecto dinámico.
-
El generador de gas, recibe el aire procedente del difusor. En la turbina de dicho
generador se produce únicamente la potencia necesaria para accionar al compresor y
elementos auxiliares.
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- Una tobera, situada a la salida de la turbina del generador, recoge los gases (a mayor
presión y temperatura que la atmosférica) y los expansiona, aumentando
considerablemente su velocidad de descarga en el medio exterior.
La velocidad relativa entre la velocidad de salida de los gases y la del motor, es lo que
proporciona la fuerza propulsora o empuje.
Algunos turborreactores están equipados con post-combustión, esta solución consiste en un
equipo recalentador donde se inyecta combustible adicional a la salida de los gases de la turbina.
Al quemarse este combustible, calienta los gases que alcanzan una elevada temperatura a la
entrada de la tobera, la energía cinética a la salida de la misma se incrementa y aumenta el
empuje.
Cuando la velocidad de la aeronave ha alcanzado valores elevados (v > 750 m/s), en el difusor
se producen incrementos de presión tales que P1/P0 > 10. En estos casos, se podría prescindir
del compresor y por tanto de la turbina, sólo se necesitaría una cámara de combustión para
calentar el aire antes de expandirlo en la tobera y producir así el empuje. Un motor-turbina de
gas, sin compresor ni turbina (sólo difusor + cámara de combustión + tobera), se denomina
motor estatorreactor; es evidente que la nave necesitaría llegar primero a las velocidades altas
para que a partir de ese momento pudiera funcionar el motor estatorreactor.