TURBOMÁQUINAS TÉRMICASTURBOMÁQUINAS TÉRMICASCT-3412

4. Aspectos Generales de las Máquinas. 2

Prof. Nathaly Moreno SalasIng. Victor TRejo

Turbinas a gas

Turbina a gas Pratt and Whitney Ft78 derivada de la turbina de avión comercial JT8D

Turbinas a gas: Definición

� El término turbina a gas se refiere al conjunto compresor-cámara de combustión-cámara de combustión-turbina

Funcionan en un ciclo abierto. Se toma aire y se comprimeaire, se aumenta su nivel energético mediante quema decombustible, se expande en la turbina y se liberanuevamente. El compresor consume parte de la potenciaproducida en la turbina; la restante es la potencia útil

Esquema de una turbina a vapor

Turbinas a gas: Características

� Son compactas (producen una gran cantidad de energía para su tamaño y peso)

� Variedad de combustibles utilizables: gas natural, diesel, gasolina, metano, fueloil vaporizado, biogás…

� Son recientes: implementadas con éxito en 1938, desarrollo � Son recientes: implementadas con éxito en 1938, desarrollo acelerado a partir de 1970

Microturbina a gas Esquema de generación con biomasa

Puesta en marcha de la primera turbina a gas (1939)

Fuente: Gas turbine Engineering handbook – Boyce M.

Desarrollo de las turbinas a gas

� Fueron concebidas en 1791 (patente de John Barber) y puestas en marcha exitosamente en 1939

� Primeros intentos fallaron por no producir potencia útil

� Problemas en el desarrollo:� Bajas eficiencias de compresor y turbina (álabes poco eficientes)� Bajas eficiencias de compresor y turbina (álabes poco eficientes)

� Pérdidas significativas en sellos y rodamientos

� Operación posible sólo a bajas temperaturas (gran cantidad de aire para refrigeración necesaria)

Fuentes: Gas turbine Engineering handbook – Boyce M.http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html (página del MIT Gas Turbine Laboratory)

Whittle W-1 (1941)

Rolls RoyceTrent 600,primera turbinade la serie Trent(aviación, Airbus,Boeing)

Parámetros de influencia

� Los parámetros más importantes en la eficiencia, diseño y desarrollo de las turbinas a gas son:

� La temperatura máxima de entrada a la turbina (T3)� El límite lo establece la resistencia del material de los álabes. Para

aumentarlo se trabaja en el desarrollo de materiales y en el aumentarlo se trabaja en el desarrollo de materiales y en el enfriamiento de los álabes

� La relación de compresión (Π)� Para una temperatura T3 dada se obtienen mayor potencia para

relaciones de compresión más altas

� La eficiencia de los componentes� Determina cuánta potencia útil se produce

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Enfriamiento de álabes (1/2)

� El gas caliente puede salir de la cámara de combustión con una temperatura cercana a 2000°C. La temperatura de fundición de los álabes está fundición de los álabes está alrededor de los 1350°C.

Para poder trabajar a estas altas temperaturas se

necesita tomar aire “frío” (600°C) después del

compresor y usarlo para enfriar los álabes

Enfriamiento de álabes (2/2)

� Los mecanismos existentes para refrigeración de álabes son:

Potencia útil en una turbina a gas

� Sea re la relación entre la potencia útil y la potencia producida por la turbina:

turbina

útile P

Pr

&

&=

� Los compresores de las turbinas a gas demandan una cantidad de energía importante:

turbinaP&

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Turbina a gas: ámbito de aplicación

� Las turbinas a gas tienen dos principales aplicaciones:

Aplicaciones IndustrialesPropulsión de aviones

Aplicaciones: Propulsión de aviones

� Las turbinas a gas han desplazado casi porcompleto a los motores reciprocantes en lapropulsión de aviones gracias a su alta relaciónpotencia/peso.

El ciclo es modificado para que la turbina genere apenas un

poco más de lo que necesita el compresor. Luego los gases

calientes son expandidos hasta presión atmosférica en una

tobera para producir empuje con un chorro de alta velocidad

Fuente: Gas turbine theory – Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.

Aplicaciones: Aplicaciones industriales

� Las turbinas en aplicaciones industriales tienen 3 grandes diferencias con las empleadas en propulsión:� Vida útil esperada mucho mayor (>100.000 horas)

� Limitaciones de tamaño y peso menos restrictivas

� La energía cinética a la salida no puede ser aprovechada

� Estos factores implican diferencias importantes en el diseño, pero la teoría fundamental aplica a ambos tipos.

Turbina industrial gas de 400 MW

Fuente: Gas turbine theory – Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.

Aplicaciones: Turbinas a gas aeroderivadas

� Una turbina a gas aeroderivada es una turbina originalmente diseñada para propulsión de aviones y adaptada para uso industrial:

� Al generador de gases (conjunto compresor-cámara de combusión-turbina) se le agrega una turbina de potencia para aprovechar la energía originalmente usada para impulso,

Fuentes: Marks’ standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A.Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Aplicaciones: Microturbinas a gas

� Son turbinas a gas con capacidades menores a 500kW

� Sus aplicaciones más comunes son la generación distribuida y sistemas de emergencia (Auxiliary Power Unit APU). y suelen ser económicamente atractivas sólo cuando se puede usar el calor generado (cogeneración)calor generado (cogeneración)

� Tienen bajas eficiencias (en general, a mayor capacidad, mayor eficiencia)

Fuente: Marks’ standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A.

Unidad de cogeneración para la quema de

biogás en microturbinasa gas. Provee

electricidad y calor

Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart

Límites de temperatura y presión

En la tabla se muestran los niveles de presióny temperatura máximos para microturbinas,turbinas industriales y turbinas de propulsión.Como meta próxima en el desarrollo de lasturbinas industriales se tiene el aumento de T3a alrededor de 1250 °C, lo que permitiría

Tipo Micro Industria Propulsión

Presión (bar) 4-5 15-20 25-38

Máxima temperatura T3

(°C)925 1200 1400

Temperatura de salida T4

(°C)550 600 440

Eficiencia [%] 20-25 (con regeneración) 32-38 38-42

Potencia 30-100kW 5-260MW 5-50MW

a alrededor de 1250 °C, lo que permitiríaelevar la eficiencia a alrededor de 40%

Sistemas de refrigeración de álabes porconvección forzada

Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart