Tema 1. Turbinas de Gas

7/23/2019 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.

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