TURBINAS DE GAS
HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS
El ejemplo más antiguo de la propulsión
por gas puede ser
encontrado en un egipcio llamado Hero en 150
A.C.
Hero inventó un juguete que rotaba en la parte
superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor
caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de
manera radial en un sólo sentido (Ver Gráfico
Siguiente).
En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a
los soldados enemigos.
Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó
un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los
gases
calientes que subían por una chimenea. El dispositivo
debería rotar la carne que estaba asando.
En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo
que uso el vapor para rotar una turbina que movía
maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica
de la turbina de vapor.
En 1678 un jesuita llamado Ferdinand Verbiest
construyó un modelo de un
vehículo automotor que usaban vapor de agua para
movilizarse.
La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791
a un inglés
llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una
turbina de gas moderna, pero
usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de
turbina por varios inventores, pero no son consideradas
verdaderas turbinas de gas porque
utilizaban vapor en cierto punto del proceso.
En 1872, un hombre llamado
Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba
una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas
con flujo axial probó sus modelos
funcionales en los años 1900.
En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera
patente en los Estados Unidos
para una turbina de gas. Esta fue
otorgada pero generó mucha controversia.
La Compañía General Electric
comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un
Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría
de los proyectos. Su
desarrollo
más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los
gases de
escape de un motor alternativo
para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un
compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este
elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas
confiables.
En los años 30, tantos británicos como
alemanes diseñaron turbinas de gas para la
propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a
diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron
utilizarlos en la 2° guerra
mundial.
CONCEPTOS BASICOS
Una turbina de gas simple está compuesta de tres
secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de
potencia. Las
turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton,
en donde aire comprimido
es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de
presión constante. El gas caliente producido por la
combustión se le permite expanderse a
través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo
trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del
33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa
comprimiendo el aire. El otro 1/3
está disponible para generar electricidad,
impulsar un dispositivo mecánico, etc.
Una variación del sistema de
turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador.
El regenerador es un intercambiador de calor que
aprovecha la energía de los gases
calientes de escape al precalentar el aire que entra a
la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es
utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos
de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp
hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.
Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo
pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las
etapas de compresión, permitiendo quemar más
combustible y generar más potencia. El
factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la
temperatura de
los gases
calientes creados por la combustión, debido a que existen
restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes
de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la
Ingeniería de los materiales,
estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este
tipo es la General Electric LM1600 versión
marina.
Existen también turbinas de gas con varias etapas
de combustión y expansión y otras con
interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los
podemos ver a continuación:
CICLO DE BRAYTON
El
ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina
de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que
utiliza un proceso de
combustión interna se puede observar en la
gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe
un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas
simple.
En esta gráfica podemos observar el compresor, la
cámara de combustión, la turbina, el aire y
combustible en el ciclo abierto Brayton.
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se
encuentra como sigue.
sin embargo notamos que,
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es,
por lo tanto, una función de la relación
isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con
la relación de presión, y esto es evidente en el
diagrama T-s
ya que al ir aumentando la relación de presión, se
cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2’-3’-4-1.
El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la
misma cantidad de calor cedido,
que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento;
advierta, sin embargo, que el último ciclo tiene una
temperatura
máxima (T3’) más alta que la del
ciclo (T3). En la turbina de gas real, la temperatura
máxima del gas que entra a la turbina es determinada por
consideraciones metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la
temperatura
T3 y aumentamos la relación de presión,
el ciclo resultante es
1-2’-3’’-4’’-1. Este ciclo
tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo
original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por
kilogramo de substancia de trabajo.
Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo
cerrado de la turbina de gas ha cobrado gran importancia. El
calor se
transmite ya sea directamente o a través de un segundo
fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de
trabajo en la turbina de gas; el calor es
cedido de la substancia de trabajo al medio exterior.
La turbina de gas real, difiere principalmente del ciclo
ideal a causa de las irreversibilidades en el compresor y en la
turbina y debido al descenso de presión en los pasos de
flujo y en la cámara de combustión (o en el
cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado). Los
rendimientos de l compresor y de la turbina están
definidos en relación a los procesos
isentrópicos. Los rendimientos son los
siguientes:
CICLO DE UNA TURBINA DE GAS
SIMPLEMENTE CON REGENERADOR
El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede
mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede
observar el ciclo en la gráfica siguiente:
Observe como el intercambiador de calor utiliza la
energía en forma de calor de los gases de
escape para calentar el aire de entrada a la cámara de
combustión.
Note que el ciclo 1-2×3-4-y -1, la temperatura de
los gases que salen de la turbina en el estado 4,
es más alta que la temperatura de los gases que salen del
compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de
salida a los gases de alta presión que salen del
compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de
contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los
gases que salen del regenerador Tx’ pueden tener
en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es
decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En
este caso la transmisión de calor de la fuente externa
sólo es necesaria para elevar la temperatura desde
Tx hasta T3 y esta transmisión de
calor está representada pro el área x-3-d-b-x; el
área y-1-a-c-y y representa el calor cedido.
La influencia de la relación de presión en
el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador, se ve al
considerar el ciclo 1-2’-3’-4-1; en este ciclo, la
temperatura de los gases de salida de la turbina es exactamente
igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por
lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un
regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento
del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.
El rendimiento de este ciclo con regeneración se
encuentra como sigue, donde los estados son:
Pero para el regenerador ideal, T4 =
Tx y por lo tanto qH = wt; de
donde,
Vemos, así, que para el ciclo ideal con
regeneración el rendimiento térmico depende no
sólo de la relación de presión, sino
también de la relación de la mínima a la
máxima temperaturas. También notamos que, en
contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al
aumentar la relación de presión. El rendimiento
térmico contra la relación de presión, para
este ciclo.
La efectividad o rendimiento de un regenerador
está dada por el término rendimiento del
regenerador; El estado x
representa a los gases de alta presión que salen del
regenerador. En el regenerador ideal habría una diferencia
infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los de alta
presión saldrían del regenerador a la temperatura
Tx’ pero T3’ = T4.
En el regenerador real que debe operar a una diferencia de
temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura
real que sale del regenerador, es menor que Tx’.
El rendimiento del regenerador se define como,
Si suponemos el calor que el calor específico es
constante, el rendimiento del regenerador también
está dado por la relación
Es bueno señalar que se puede alcanzar un
rendimiento alto usando un regenerador con una gran área
de transmisión de calor; sin embargo, esto también
incrementa el descenso de presión, que representa una
pérdida, y tanto el descenso de presión como el
rendimiento del regenerador, deben considerarse para determinar
que regenerador dará el máximo rendimiento
térmico del ciclo. Desde el punto de vista
económico, el costo del
regenerador debe tomarse en cuenta para saber si justifica el
ahorro que se
obtendrá con su instalación y uso.
INTRODUCCION
Es importante para el ingeniero mecánico el
conocer profundamente el funcionamiento y los conceptos que rigen
los principios de las
turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente
se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento
de este tipo de equipos. Por esto, es de vital importancia
conocer los conceptos básicos de estas maquinas de
combustión. Se hará un breve recuento de la
historia, los
conceptos básicos y los ciclos de funcionamiento
más importantes.
CONCLUSIONES
Se logró exponer la historia y conceptos
básicos de la operación de las turbinas de gas,
así como una presentación más profunda de
los ciclos más importantes de las turbinas de gas (Brayton
y Regenerativo), pero teniendo en cuenta que existen otros como
el de varias etapas, interenfriamiento y mezclas de
estos. Se determinó las variables que
afectan la eficiencia de
estos equipos y como se puede mejorar la operación para
hacerlos más eficientes. Para esto se presentaron las
ecuaciones que
rigen los ciclos de las turbinas de gas.
BIBLIOGRAFIA
- VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Limusa-Wesley. Mexico,
1972. P. 361-374.
- INTERNET. Pagina:
IVAN AVILAN
GERMAN CARDENAS
ROBERTO D’ANETRA
RICARDO JULIAO
LUIS FERNANDO ROCHA
Trabajo presentado como requisito parcial
para aprobar la asignatura de Máquinas
de
Combustión Interna al Ing. Arturo
López
Autor:
Ricardo Juliao L.