TEORÍA DE TURBINAS DE GAS AGRADECIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24.
JOSE RENTERIA SOFIA ABAD LUIS VILLAR ROMAN PEREZ RICARDO TALLEDO CARLOS SAENZ CARLOS VALDIVIEZO EDGAR AVILA MANUEL FERNANDEZ EDER SOCOLA CHICHO URIOL DANIEL HERRERA DANIEL SANCHEZ RAUL BURNEO MIGUEL CASTILLO CRISTHIAN BRIONES ERICK MARTINEZ JAVIER CASTRO VICTOR ALBUJAR DANIEL HERRERA JACK YAGUANA KORY ROSALES PAUL SERRANO JULIO MALCA
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CAPITULO 1: INTRODUCCION De los diversos medios de producción de energía mecánica, la turbina es en muchos aspectos la más satisfactoria. La ausencia de los miembros de movimiento alternativo y rozamiento significa que los problemas de desequilibrio son pocos, que el consumo de aceite lubricante es excepcionalmente bajo, y que la fiabilidad puede ser alta. Las ventajas inherentes de la turbina se realizaron primero empleando agua como fluido de trabajo, y la energía hidroeléctrica sigue siendo un importante contribuyente a los recursos energéticos del mundo. Alrededor de la vuelta del siglo XX, la turbina de vapor comenzó su carrera y, al margen de su amplio uso como una planta de energía, se ha convertido en la fuerza motriz más importante para la generación de electricidad. Ahora se están utilizando vapor planta de turbina de producción de más de 1000 MW de potencia en el eje con una eficiencia del 40 por ciento A pesar de su éxito en el desarrollo, la turbina de vapor tiene una desventaja inherente. Se trata de que la producción de vapor de alta presión de alta temperatura consista en la instalación de equipos de producciones de vapor, voluminosas y caras, ya se trate de una caldera convencional o reactor nuclear. La característica importante es que los gases calientes producidos en el horno de la caldera o núcleo del reactor nunca llegan a la turbina, sino que se utilizan meramente indirectamente para producir un fluido intermedio, es decir, vapor de agua. Una planta de energía mucho más compacta resulta cuando el agua al paso de vapor es eliminado y los gases calientes a sí mismos se utilizan para accionar la turbina. El Desarrollo de la turbina de gas no siempre se inició antes de la Segunda Guerra Mundial, con la potencia del eje en la mente, pero la atención fue rápidamente trasladada al turborreactor para la propulsión de aeronaves. La turbina de gas comenzó a competir con éxito en otros campos sólo a mediados de los años cincuenta, pero desde entonces se han hecho progresivamente y provocando mayor impacto en una gran variedad de aplicaciones. Con el fin de producir una expansión a través de una turbina de una relación de presión debe ser proporcionada, y por lo tanto el primer paso necesario en el ciclo de una planta de turbina de gas debe ser de compresión del fluido de trabajo. Si después de la compresión del fluido de trabajo se ampliara directamente en la turbina, y no existiera pérdidas en cualquiera de los componentes, la potencia desarrollada por la turbina sería exactamente igual que la absorbida por el compresor. Así, si los dos se acoplaron juntos la combinación podría hacer otra cosa que girar alrededor de sí mismo. Sin embargo, la potencia desarrollada por la turbina se puede aumentar mediante la adición de energía para elevar la temperatura del fluido de trabajo antes de la expansión. Cuando el fluido de trabajo es un aire muy conveniente de hacer esto es mediante la combustión de combustible en el aire que se ha comprimido. La expansión del fluido de trabajo caliente a continuación, produce una mayor potencia de salida de la turbina, por lo que es capaz de proporcionar una salida útil, además de accionar el compresor. Esto representa la turbina de gas o turbinas de combustión interna en su forma más simple. Los tres componentes principales son un compresor, cámara de combustión y la turbina, conectados entre sí como se muestra esquemáticamente en la figura. 1.1. En la práctica, las pérdidas se producen tanto en el compresor y la turbina que aumentan la potencia absorbida por el compresor y disminuir la salida de potencia de la turbina. Una adición seguro que la energía del fluido de trabajo, y por lo tanto un cierto suministro de combustible, por lo tanto será necesario antes de que el uno de los componentes pueda conducir a la otra. Este combustible no produce potencia útil, por lo que las pérdidas de componentes contribuyen a una 3
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS disminución de la eficiencia de la máquina. La adición adicional de combustible tendrá como resultado una potencia de salida útil, aunque para un flujo de aire dado que hay un límite a la velocidad a la cual el combustible puede ser suministrado y por lo tanto a la potencia de salida neta. La relación máxima de combustible / aire que puede ser utilizado se rige por la temperatura de trabajo de los álabes de la turbina sometidos a grandes esfuerzos, que la temperatura no se debe permitir que exceder un cierto valor crítico. Este valor depende de la resistencia a la fluencia de los materiales utilizados en la construcción de la turbina y la vida de trabajo requerido. Estos son, pues, los dos factores principales que afectan el rendimiento de las turbinas de gas: la eficiencia de los componentes y la temperatura de trabajo de la turbina. Cuanto más alto se pueden hacer, mejor será el rendimiento general de la planta. Era, de hecho, bajo la eficiencia de la turbina y materiales pobres que provocó el fallo de un número de los primeros intentos de construir un motor de turbina de gas. Por ejemplo, en 1904 dos ingenieros franceses, Armengaud y Lemale, construyeron una unidad que poco hizo más que girar sobre sí mismo: la eficiencia del compresor era probablemente no más de 60 por ciento y la temperatura máxima de gas que podría ser utilizado era sobre 740 K. Se muestra en el Capítulo 2 que la eficiencia global del ciclo de la turbina de gas también depende de la relación de presión del compresor. La dificultad de obtener una relación de sufficently de alta presión con una eficiencia suficiente del compresor no se resolvió hasta que la ciencia de la aerodinámica podría aplicarse al problema. El desarrollo de la turbina de gas se ha ido de la mano con el desarrollo de esta ciencia, y el de la metalurgia, con el resultado de que ahora es posible encontrar motores avanzados utilizando relaciones de compresión de hasta 35:1, la eficiencia de componentes de 85 - 90 por ciento, y de la turbina temperaturas de entrada superiores a 1650 K.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS En los primeros días de la turbina de gas, se propusieron dos posibles sistemas de combustión: una a presión constante, el otro a volumen constante. Teóricamente, la eficiencia térmica del ciclo de volumen constante es mayor que la del ciclo de presión constante, pero las dificultades mecánicas son muy mucho mayor. Con la adición de calor a volumen constante, las válvulas son necesarias para aislar la cámara de combustión desde el compresor y la turbina. La combustión es tanto intermitente, lo que perjudica el buen funcionamiento de la máquina. Es difícil diseñar una turbina para operar de manera eficiente en tales condiciones y, a pesar de varios intentos bastante éxito se hicieron en Alemania durante el período de 1908-1930 para la construcción de turbinas de gas que operan en este sistema, el desarrollo del tipo de volumen constante ha sido descontinuado. En la turbina de gas a presión constante, la combustión es un proceso continuo en el que las válvulas son innecesarias y que pronto se aceptó que el ciclo de presión constante tenía las mayores posibilidades de desarrollo futuro. Es importante darse cuenta de que la turbina de gas en el proceso de compresión, combustión y la expansión no se produce en un solo componente como lo hacen en un motor alternativo. Se producen en los componentes que están separados en el sentido de que pueden ser diseñadas, probadas y desarrolladas de forma individual, y estos componentes pueden ser unidos entre sí para formar una unidad de turbina de gas en una variedad de maneras. El número posible de componentes no se limita a los tres ya mencionados. Otros compresores y turbinas se pueden añadir, con refrigeradores intermedios entre los compresores, y recalentar cámaras de combustión entre las turbinas. Un intercambiador de calor que utiliza parte de la energía en el gas de escape de la turbina para precalentar el aire que entra en la cámara de combustión también puede ser introducido. Estos refinamientos se pueden utilizar para aumentar la salida de potencia y la eficiencia de la planta a expensas de la complejidad añadida, peso y costo. La manera en la que estos componentes están unidos entre sí no sólo afecta a la eficiencia térmica global máximo, sino también la variación de la eficiencia con la salida de potencia y de par de salida con velocidad de rotación. Una disposición puede ser adecuada para la conducción de un alternador bajo carga variable a una velocidad constante, mientras que otro puede ser más adecuado para la conducción de la hélice de un barco, donde la potencia varía como el cubo de la velocidad. Además de las variaciones del ciclo simple obtenida por la adición de estos otros componentes, se debe prestar atención a dos sistemas se distinguen por el uso de ciclos de apertura y cerrado. En la apertura de la turbina de gas de ciclo mucho más común que hemos considerado hasta este punto, el aire atmosférico fresco se introduce en el circuito de forma continua y se añade energía por la combustión de combustible en el fluido de trabajo en sí. En este caso los productos de la combustión se expanden a través de la turbina y descargado a la atmósfera. En el ciclo cerrado alternativa que se muestra en la figura. 1.2 el mismo fluido de trabajo, ya sea aire o algún otro gas, se hace circular repetidamente a través de la máquina. Es evidente que en este tipo de plantas el combustible no puede ser quemado en el fluido de trabajo y la energía necesaria se debe agregar en un calentador o "caldera de gas-'en el que el combustible se quema en una corriente de aire separada suministrado por un ventilador auxiliar. El ciclo cerrado es más parecido al de la planta de turbina de vapor en el que los gases de combustión no a sí mismos pasan a través de la turbina. En la turbina de gas el 'condensador' toma la forma de un pre-enfriador para la refrigeración del gas antes de que vuelva a entrar en el compresor.
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Aunque se usado poco, numerosas ventajas son reclamados para el ciclo cerrado y estos serán presentadas en sección 1.3. Por último, se han propuesto varios ciclos combinados de gas y vapor, con el escape de la turbina de gas suministro de energía a la caldera de vapor. La Figura 1.3 muestra tal sistema. Se hace el mejor uso del calor comparativamente de bajo grado mediante el empleo de un ciclo de vapor de doble presión. Esto es similar a la utilizada en las centrales de energía nucleares alimentados con uranio natural, que también operan a una temperatura comparativamente baja. Alternativamente, debido a que el oxígeno no utilizado en el gas de escape de la turbina, es posible quemar el combustible adicional en la caldera de vapor. Esto permite el uso de un ciclo de presión-vapor solo, pero en la cara de la complejidad añadida de un sistema de combustión en la caldera. Con el aumento de las temperaturas del ciclo de los gases de escape entra en la caldera es lo suficientemente caliente como para permitir el uso de un ciclo de vapor de triple presión de la incorporación de una etapa de recalentamiento. A pesar de que las características compactas de la turbina de gas son sacrificadas en una planta de ciclo binario (dual), la mayor eficiencia es mucho más factible de alcanzar con plantas con ciclo simple y que son más usadas en las centrales generadoras de energía eléctrica.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS La turbina de gas ha demostrado ser una fuente de energía extremadamente adaptable y se ha utilizado para una amplia variedad de funciones, siendo la más usada en la generación de energía eléctrica y propulsión a chorro para el suministro de aire comprimido y calor a un proceso, y el resto de la introducción está destinado a enfatizar dicha adaptabilidad. Comenzaremos, sin embargo, analizando las diversas formas en la que los componentes pueden ser vinculados entre si, cuando el objeto es la producción de potencia en el eje. En otras palabras, debemos tener en mente a las turbinas de gas para generación de energía eléctrica, unidades de bombeo para gaseoductos ya sean transportados por mar o por tierra. La gran mayoría de turbinas de gas en tierra son usadas para esas aplicaciones, aplicaciones de transporte terrestre y marítimo se encuentran todavía no tan desarrolladas, aunque la turbinas de gas son usadas ampliamente en aplicaciones navales.
1.1 Dispociciones en ciclo abierto de un solo eje o eje compartido Si la turbina de gas requiere operar a una determinada velocidad y condiciones de carga Como en los sistemas de generacion de energia esquematizados, el arreglo de un solo eje mostrado en la Fig 1.1 es el mas adecuado.Flexibilidad de operación, i.e la rapidez con que la maquina puede acomodarse a cambios de carga y velocidad de rotacion, no es de importacia en esta aplicación. En efecto la alta inercia efectiva es una ventaja ya que reduce el peligro de exceso de velocidad en caso de perdidas electricas de carga. Un intercambiador de calor puede ser agregado como en la Fig1.4(a) para mejorar la eficiencia termica, aunque por el tamaño de la planta , la potencia de salida se podria reducir hasta en 10 porciento debido a la perdida de presion en el intercambiador de calor. Como podremos ver en el capitulo 2, un intercambiador de calor es esencial para obtener altas eficiencias cuando la relacion de presion en el ciclo es baja, pero llega a ser menos ventajoso a medida que aumenta la relacion de compresion.
Desarrollos aerodinámicos en el diseño de compresor han permitido el uso de tales proporciones de alta presión que las eficiencias de más del 40 por ciento ahora se pueden lograr con el ciclo simple. El ciclo de intercambio de calor básica rara vez se considera para los diseños actuales de turbina de gas. 7
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS La figura 1.4 (b) muestra una forma modificada propuesta para su uso cuando el combustible, por ejemplo, carbón pulverizado, es tal que los productos de la combustión contienen constituyentes que corroen o erosionan los álabes de la turbina. Es mucho menos eficiente que el ciclo normal debido a que el intercambiador de calor, inevitablemente imperfecto, toma gran parte de la energía de transferencia total en la entrada. Este ciclo se considera sólo si el suministro de combustible "sucio" estaba disponible a un costo muy bajo. Se hizo un gran esfuerzo para desarrollar una turbina de gas de combustión de carbón en los primeros años cincuenta, pero con poco éxito. Más éxito se ha logrado con aceite residual, y siempre que la temperatura máxima se mantiene a un nivel suficientemente bajo, el ciclo sencillo se puede utilizar. La flexibilidad en la operación es de suma importancia, por ejemplo, cuando manejamos una carga de velocidad variable tal como un compresor de tuberías, hélice marina o vehículo de carretera, es deseable el uso de un mecanismo independiente turbina de potencia (o libre). En esta disposición de doble eje, la figura. 1.5, la turbina de alta presión impulsa el compresor y la combinación actúa como un generador de gas para la turbina de potencia de baja presión. Sistemas de doble eje pueden ser utilizados para las unidades generadoras de electricidad, con la turbina de potencia diseñado para funcionar a la velocidad del alternador sin la necesidad de un reductor caro, éstos normalmente se derivan de los motores a reacción, con el tubo de escape ampliado a través de una turbina de potencia en lugar de la boquilla de escape original. Una ventaja significativa es que la unidad de arranque sólo tiene que estar dimensionado para girar sobre el generador de gas. El motor de arranque puede ser eléctrico, un motor hidráulico, una turbina de expansión operada desde un suministro de tubería de gas o incluso una turbina de vapor o diesel. Una desventaja de una turbina de potencia separada, sin embargo, es que un derramamiento de carga eléctrica puede conducir a un rápido exceso de velocidad de la turbina, y el sistema de control debe estar diseñado para evitar esto. Variación de la energía para ambas unidades individuales-y de doble eje se obtiene mediante el control del flujo de combustible suministrado a la cámara de combustión. A pesar de que se comportan bien en diferentes formas, como se explicará en el capítulo 8, en ambos casos la relación de presión del ciclo y una disminución máxima de temperatura que la potencia se reduce a partir del valor de diseño con el resultado de que el rendimiento térmico se deteriora considerablemente a carga parcial.
FIG. 1.5 Turbina de gas separada de la turbina de poder.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS El rendimiento de una turbina de gas puede ser mejorada sustancialmente mediante la reducción del trabajo de compresión y / o aumentando el trabajo de expansión. Para cualquier relación de compresión dada, la potencia necesaria por unidad de cantidad de fluido de trabajo es directamente proporcional a la temperatura de entrada. Si por lo tanto, el proceso de compresión se lleva a cabo en dos o más etapas con refrigeración intermedia, se reducirá el trabajo de compresión. Del mismo modo, la salida de la turbina se puede aumentar mediante la división de la expansión en dos o más etapas, y recalentar el gas a la temperatura máxima admisible entre las etapas. aunque se mejora la salida de potencia en el costo de combustible adicional será pesada a menos que también se emplea un intercambiador de calor. Una disposición de una planta que incorpora refrigeración intermedia, de intercambio de calor y calentar es mostrar en la figura. 1.6. Ciclos complejos de este tipo ofrecen la posibilidad de variar la potencia de salida mediante el control del suministro de combustible a la cámara de recalentamiento, dejando el generador de gas de funcionamiento más cerca de sus condiciones óptimas. ciclos complejos se propusieron en los primeros días de las turbinas de gas, cuando eran necesarios para obtener una eficiencia térmica razonable a las bajas temperaturas de la turbina y las relaciones de presión entonces posibles. Se puede ver fácilmente, sin embargo, que la simplicidad inherente y la compacidad de la turbina de gas se han visto perdieron. En muchas aplicaciones de bajo costo de capital y el pequeño tamaño son más importantes que la eficiencia térmica (por ejemplo eléctrica en horas pico, con pocas horas de funcionamiento), y es significativo que la turbina de gas no empezó a ser ampliamente utilizado (aparte de las aplicaciones de aeronaves) hasta más altas temperaturas de entrada de la turbina y las relaciones de presión hacen el ciclo simple económicamente viable. la búsqueda de una mayor eficiencia de aquí para allá como turbina de gas a ser más ampliamente utilizado en aplicaciones de carga base ha llevado a un renovado interés por los ciclos más complejos en los mediados de los años noventa. Un ejemplo es la re-introducción del ciclo de recalentamiento, con una relación de compresión muy alto ciclo sin refrigeración intermedia o de intercambio de calor, lo que puede dar una eficiencia térmica de aproximadamente 36 por ciento. el uso de recalentamiento también da como resultado una temperatura del gas de escape superior a 600 ° C, que le permitirán el uso de recalentar los ciclos de vapor que puede resultar en una eficiencia de ciclo combinado acercarse a 60 por ciento. Otro ejemplo es el ciclo regenerativo intercooler (ICR), propuesto para la propulsión naval, dando a la vez una alta eficiencia térmica en el punto de diseño y excelente eficiencia con carga parcial, una característica muy importante para los buques que navegan en general a niveles de potencia mucho menores que el valor de diseño.
1.2 Arreglos en el multicarrete 9
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS Para obtener una alta eficiencia térmica y sin el uso de un intercambiador de calor, una alta relación de presión es esencial. Una cierta dificultad que surge entonces es que se deriva de la naturaleza del proceso de compresión. Debido a las altas tasas de flujo de masa de aire que participan, compresores de desplazamiento no positivo siempre se utilizan en turbinas de gas. Aunque el compresor multietapas centrífuga es capaz de producir una alta relación de presión para potencias moderadas, su eficiencia es apreciablemente menor que la del compresor de flujo axial. Por esta razón, el compresor axial se prefiere normalmente, en particular para unidades de gran tamaño. Desafortunadamente, este tipo de compresor es más propenso a la inestabilidad cuando se opera en condiciones ampliamente retirados de su punto de funcionamiento de diseño. Cuando un compresor de tales opera a velocidades de rotación muy por debajo del valor de diseño, la densidad del aire en las últimas etapas es demasiado bajo, la velocidad de flujo axial se convierte en excesiva, y el puesto de cuchillas. La región inestable, que se manifiesta por la vibración violenta aerodinámico, es probable que se encuentren cuando una turbina de gas se pone en marcha o funcionamiento a baja potencia. El problema es particularmente grave si se hace un intento de obtener una relación de presión de más de aproximadamente 8:1 en un compresor. Una forma de superar esta dificultad es dividir el compresor en dos o más secciones. En este contexto, significa la división de separación mecánica, permitiendo cada sección para funcionar a una velocidad de rotación diferente, a diferencia del compresor intercooler se muestra en la figura 1.6. Cuando los compresores son mecánicamente independientes, cada uno requiere su propia turbina, una disposición adecuada que se muestra en la figura 1.7. El compresor de baja presión es impulsado por la turbina de baja presión y el compresor de alta presión de la turbina de alta presión. La alimentación se toma normalmente ya sea desde el eje de la turbina de baja presión, o de una turbina de la energía libre adicional. La configuración que se muestra en la figura 1.7 se refiere generalmente como un motor de doble bobina. Cabe señalar que, aunque los dos carretes son mecánicamente independientes, sus velocidades están relacionadas aerodinámicamente y esto se discutirá con más detalle en el capítulo 9.
El diseño de doble carrete fue desarrollado principalmente para los motores de los aviones discutidos en la sección 1.4, pero hay muchos ejemplos de ejes de potencia derivados de éstos; una turbina libre es común, pero también es posible utilizar la turbina de baja presión para conducir tanto el compresor de baja presión y la carga de los controladores. En algunos casos, especialmente con los motores de flujo de aire pequeña, el compresor de alta presión es del tipo centrífugo, esto es debido a que las altas presiones que intervienen la tasa de flujo de volumen son bajas y el perfilado del requerido para un compresor axial sería demasiado pequeño para 10
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS buena eficiencia. Unidades de doble carrete se introdujeron por primera vez en una relación de presión de aproximadamente 10:1 y son adecuados para la relación de presión del ciclo de al menos 35:1. Arreglos de triple carrete también se pueden utilizar en los motores de turboventilador grandes, donde hay un requisito, tanto para la relación de muy alta presión y de baja velocidad de rotación para el ventilador. Como una alternativa a múltiples carretes, una alta relación de presión se puede emplear de forma segura con un único compresor, si se utilizan varias etapas de álabes del estator variables. Este enfoque fue iniciado por General Electric y relaciones de presión en exceso de 20:1 se han obtenido de esta manera. También puede ser necesario el uso de válvulas de purga en puntos intermedios en el compresor para manejar el gran desequilibrio de flujoproducido durante el arranque. El compresor de geometría variable de un solo carrete se utiliza casi universalmente en las grandes unidades de generación de energía eléctrica. Motores de tecnología avanzada suelen emplear combinaciones de múltiples bobinas, válvulas de purga y estatores variables. Esto es particularmente cierto para los motores turboventiladores motores de alta relación de derivación discutidos en la sección 1.4 1.3 ciclos cerrados Destacan de entre las muchas ventajas para el ciclo cerrado la posibilidad de utilizar una presión alta (y por lo tanto una densidad alta de gas) durante todo el ciclo, lo que resultaría en una reducción del tamaño de turbo maquinaria para una salida dada y permitir que la salida de potencia sea alterado por un cambio de nivel de presión en el circuito. Esta forma de control significa que una amplia gama de carga puede ser acomodada sin alternancia de la temperatura máxima del ciclo y por lo tanto con poca variación de la eficiencia global. La principal desventaja del ciclo cerrado es la necesidad de un sistema de calentamiento externo, lo que implica el uso de un ciclo auxiliar e introduce una diferencia de temperatura entre los gases de combustión y el fluido de trabajo. Por tanto, la temperatura de trabajo admisible de las superficies en el calentador va a imponer un límite superior en la temperatura máxima del ciclo principal. Una disposición típica de una turbina de gas de ciclo cerrado se muestra en la figura. 1.8. El ciclo incluye un refrigerado por agua pre-refrigerada para el fluido del ciclo principal entre el intercambiador de calor y el compresor. En esta disposición particular, el calentador de gas forma parte del ciclo de un conjunto de turbina de gas auxiliar, y la potencia se controla por medio de una válvula de escape y un suministro auxiliar de gas comprimido tal como se muestra. Además de las ventajas de un compresor y de la turbina más pequeña, y el control eficiente, el ciclo cerrado también evita la erosión de los álabes de turbina y otros efectos perjudiciales debido a los productos de la combustión. Además, la necesidad para la filtración del aire de entrada, que es un grave problema en el uso de unidades de ciclo abierto que operan en ambientes contaminados, se elimina. La alta densidad del fluido de trabajo mejora la transferencia de calor, de modo que el intercambio de calor más eficaz es posible.
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Por último, el circuito cerrado abre campo para el uso de gases distintos del aire que tiene propiedades térmicas más deseables. Como se verá en el siguiente capítulo, la marcada diferencia en los valores de los calores específicos para el aire y un gas monoatómico tal como el helio no afecta a la eficiencia tanto como se podría suponer. Pero, a mayores velocidades de fluido pueden ser utilizados con helio y la relación óptima de los ciclos de presión son más bajos, por lo que a pesar de la menor densidad de la turbomaquinaria no puede ser mucho mayor. En el lado de crédito, las mejores características de transferencia de calor de helio significan que el tamaño del intercambiador de calor y pre-enfriador puede ser aproximadamente la mitad de las unidades diseñadas para su uso con el aire. Por tanto, el costo de capital de la planta debe ser menor cuando el helio es el fluido de trabajo. En el momento de escribir sólo un pequeño número de plantas de ciclo cerrado se han construido, en su mayoría por Escher-Wyss, y pocos están todavía en servicio. Estaban dentro de la gama de potencia 2-20 MW. Todo el aire como fluido de trabajo utilizado, con una variedad de combustibles como el carbón, gas natural, gas de alto horno, y el aceite. Una planta piloto de 25 MW utilizando helio fue construido en Alemania, y se pensó que este fluido de trabajo con grandes conjuntos de hasta 250 MW sería factible. Puede ser que hayan sido necesarios para su uso en la planta de energía nuclear, si los esfuerzos para desarrollar un reactor capaz de funcionar a una temperatura suficientemente alta habían tenido éxito. Ventaja considerable cuando se acumula el fluido de trabajo del ciclo de potencia se puede pasar directamente a través del núcleo del reactor, porque Ya no se requieren las bombas de circulación de refrigerante del reactory la caída de temperatura no deseados asociados con un fluido intermedio (por ejemplo CO2 la temperatura a la temperatura de vapor) se elimina. El helio es un fluido de trabajo particularmente adecuada en esta aplicación, ya que absorbe neutrones sólo débilmente (es decir, tiene una sección transversal de baja absorción de neutrones). Los intentos para desarrollar el reactor de alta temperatura (HTR) se han suspendido, sin embargo, y los reactores nucleares convencionales operan mucho a una temperatura demasiada baja para ser una posible fuente de calor para una turbina de gas. De ello se desprende que las turbinas de gas son poco probable para ser utilizado en cualquier planta de energía nuclear en el futuro previsible.
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Una variedad de pequeñas turbinas de gas de ciclo cerrado (de 20-100 kW de potencia eléctrica) han sido consideradas para el uso en aplicaciones aeroespaciales y bajo el agua. Las posibles fuentes de calor incluyen un isótopo radiactivo tal como el plutonio 238, la combustión de hidrógeno, y la radiación solar. Hasta la fecha, ninguno ha sido construido. 1.4 Aeronaves de propulsión Sin ninguna duda, el mayor impacto de la turbina de gas ha estado en el campo de la propulsión de aeronaves. El hito más importante en este desarrollo fue el primer motor experimental Whittle en 1937. Desde entonces, la turbina de gas ha sustituido por completo el motor de intercambio, para todos, pero sobretodo en aviones, debido a su relación potencia / peso superior. El ciclo para el simple turborreactor es virtualmente el que se muestra en la figura. 11.1, excepto que la turbina está diseñada para producir sólo el poder suficiente para accionar el compresor. El gas de escape se expande a continuación, a la presión atmosférica en una tobera de propulsión para producir un chorro de alta velocidad. La figura 1.9 muestra una vista en sección de un motor a reacción Olympus Rolls-Royce. Este motor tiene una importancia histórica, por ser el primer motor de doble bobina de la producción, las primeras versiones fueron utilizadas en el bombardero Vulcan y el derivado avanzado muestra se utiliza para alimentar el transporte supersónico Concorde. (La Olympus también se ha utilizado ampliamente como un generador de gas para impulsar una turbina de energía, tanto para la generación de electricidad y la propulsión de barcos.) Para las aeronaves de baja velocidad una combinación de hélice y el chorro de escape proporcionan la mejor eficiencia de propulsión. Figura 1.10 muestra un motor de turbohélice de un solo eje (Rolls-Royce Dart) elegido para ilustrar el uso de un compresor centrífugo (dos etapas) y "puede" haber tipos de cámaras de combustión. Es de destacar que este motor entró en servicio de línea aérea hacia 1953 a una potencia de unos 800 kW, y todavía estaba en producción en 1985, con la versión más reciente producción de aproximadamente 2.500 kW, con una mejora en el consumo específico de combustible de alrededor de 20 por ciento.
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Turbopropulsores son también diseñados con una turbina libre de conducción con propulsor o un compresor propulsor plus LP. “The Pratt” and “Whitney Canada PT-6”, mostrados en la figura 1.11 usan a una turbina libre, el uso de la combinación de un compresor axial-centrífugo y de una cámara de combustión de flujo reversible también puede ser apreciada. Este diseño es apropiado para un rango de potencias entre 450-1200 KW para aeronaves que pueden estar en un rango de tamaños desde aeronaves pequeñas para entrenamiento con un solo motor hasta aeronaves de transportes STOL con 4 motores. Otras variantes del uso de la turbina libre es el diseño de turboeje para uso en helicópteros, en este caso la turbina entrega potencia al helicóptero y a los rotores de la cola a través de una compleja caja de cambios y frecuentemente dos motores son acoplados a un solo rotor. A grandes velocidades subsónicas se expende un chorro propulsor de pequeño flujos de masa pero se requieren altas velocidades. Esto en un inicio ocurría en el diseño de turbo-eje, pero posteriormente fue sustituido por el diseño de turbo-ventilador (o bypass) en el cual parte del aire liberado por un compresor LP o un ventilador pasa por el núcleo de la máquina (compresor HP, cámara de combustión y turbinas) para formar un chorro compensador de aire frio que rodea al chorro caliente. Esto da como resultado un chorro de baja velocidad promedio que permite una mejor eficiencia en la propulsión así como una reducción significativa del ruido. La figura 1.12 (a) es un ejemplo de una pequeña máquina con turbo-ventilador (el Pratt and Whitney Canada JT15D). Esto es un diseño mecánico extremadamente simple con un buen desempeño destinado para pequeñas aeronaves comerciales donde el criterio del costo es importante. Una disposición doble cola se vuelve a utilizar con un compresor centrífugo HP y una cámara de combustión anular de flujo inverso. La cámara de combustión de flujo inverso es muy adecuada para usar con el compresor centrífugo donde el flujo debe ser difundido desde una muy alta velocidad tangencial hasta bajas velocidades axiales a la entrada del de la cámara de combustión y esta configuración es muy ampliamente usada. La figura 1.12 (b) muestra la máquina V2500 diseñada por un consorcio de 5 naciones y es un diseño avanzado de turbo-ventilador empleado en grandes aeronaves civiles. En estas aplicaciones el consumo de combustible es un parámetro muy importante, empleando altos radios de derivación así como también altos radios de presión. Se puede deducir que todo lo que hace referencia a turbo máquinas es del tipo axial y se usa una dirección hasta la cámara de combustión. Los intercambiadores de calor aún no han sido incorporados en las aeronaves por razones de volumen y peso. A pesar de ello aun es factible su aplicación en motores de turbo-hélice. Esto es factible porque con gran parte de la salida de potencia neta suministrada a la hélice, la velocidad del gas expulsad por la turbina es relativamente bajo y la presión perdida por fricción no 14
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS necesariamente es potencialmente alta en un intercambiador de calor de tamaño aceptable. Alrededor de los años 1965 Allison desarrolló una tubo-hélice regenerativa para la marina de los Estados Unidos con la finalidad de obtener un motor con un consumo de combustible específico excepcionalmente bajo para su uso en largas patrullas largas antisubmarinos de resistencia. En este tipo de aplicaciones es el peso del motor más el peso total del combustible que es fundamental y se observo que el peso del intercambiador de calor queda más que compensado con el bajo consumo de combustible. Se propuso que el intercambiador de calor debe despreciarse en el despegue para obtener la máxima potencia. El motor no entró en funcionamiento, pero no es imposible que las unidades de regeneración aparezcan en el futuro, tal vez en forma de motores turbo-eje para helicópteros de resistencia a largas distancias.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS
1.5 Aplicaciones industriales En algún momento de este libro vamos a encontrar que es necesario usar los términos distintivo "turbina de gas de aviones"" y "turbinas industriales de gas". El primer término se explica por sí mismo, mientras que el segundo pretende incluir todas las turbinas de gas no incluidas en la primera categoría. Esta distinción general tiene que ser hecha por tres razones principales. En primer lugar, la vida que requiere una planta industrial es del orden de 100 000 horas sin grandes reparaciones, mientras esto no se espera de una turbina de gas de avión. En segundo lugar, limitaciones de tamaño y peso de una planta de aeronaves es más importante que en el caso de la mayoría de las otras aplicaciones de la turbina de gas. En tercer lugar, la planta de energía de aeronave puede hacer uso de la energía cinética de los gases que salen de la turbina, mientras que se en otros tipos se desperdician y por consiguiente deben mantenerse tan bajos como sea posible. Estas tres diferencias en los requisitos pueden tener un efecto considerable en el diseño y a pesar del hecho de que la teoría fundamental se aplica a ambas categorías, esta será necesaria para hacer la distinción de vez en cuando. La maquinaria de turbinas de gas diseñadas específicamente para fines industriales tiende a parecerse mecánicamente más a la de las turbinas de vapor tradicionales que a las construcciones de turbinas ligeras utilizadas en la práctica de aeronaves. La figura 1.13 muestra la construcción robusta empleada en la Tornado Ruston diseñada para una larga vida y para operar con combustible líquido o gaseoso, una turbina de potencia separada se utiliza y las dos cargas variables y fijas de velocidad se pueden acomodar. Figura 1.14 muestra una máquina de un solo eje grande, la Siemens V94, diseñada específicamente para la conducción de un generador de velocidad constante. Esta máquina es capaz de dar alrededor de 150 MW, y utiliza dos grandes cámaras de combustión fuera del tablero. Cuando las turbinas de gas se propusieron originalmente para aplicaciones industriales, los tamaños de las unidades tendían a ser de 10 MW o menos y aún con intercambiadores de calor, la 16
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS eficiencia del ciclo era de sólo alrededor de 28 a 29 por ciento. La disponibilidad de los motores de los aviones completamente desarrollados ofrecen la posibilidad atractiva de potencias más altas, el hecho de que una gran parte de la costosa investigación y desarrollo se soportan por un presupuesto militar en lugar de un usuario industrial, dio una ventaja significativa para los fabricantes de motores de aviación. Los primeros motores aero-derivados, producidos mediante la sustitución de una turbina de potencia por la tobera de escape, produjeron cerca de 15 MW, con una eficiencia de ciclo de alrededor de un 25 por ciento. En las modificaciones requeridas se incluye el fortalecimiento de los rodamientos, los cambios en el sistema de combustión para permitir que se queme el gas natural o combustible diesel, la adición de una turbina de potencia y una reducción de potencia del motor para darle una vida más larga y en algunos casos una caja de reducción de cambios se requiere para que coincida con la velocidad de la turbina de potencia con la de la carga accionada, por ejemplo, una hélice marina. Para otros tipos de carga, tal como el alternador o compresores de tuberías, la turbina de potencia podría ser diseñada para conducir la carga directamente. La Olympus, por ejemplo, tenía una turbina de potencia de una sola etapa para aplicaciones navales que resulta en un diseño muy compacto y ligero. Para la generación de energía eléctrica turbinas de potencia de gran diámetro de dos o tres-etapas funcionando a 3 000 o 3 600 revoluciones por minuto fueron directamente conectadas al generador, lo que requiere un aumento de la longitud de los conductos entre las dos turbinas para permitir el cambio de diámetro. Figura 1.15 muestra una instalación típica para una estación de pequeña potencia utilizando una sola turbina de gas-derivado; hay que señalar que la entrada de aire está muy por encima del nivel del suelo, para evitar la ingestión de desechos en el motor.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS Las versiones de aviones e industrial de la Rolls-Royce Trent se muestran en la figura 1.6 el Trent es un gran turboventilador de tres bobinas con el ventilador de una sola etapa impulsado por una turbina de baja presión de cinco etapas. La versión industrial, diseñada para impulsar generador, reemplaza el ventilador con un compresor de dos etapas de la relación de presión similar, pero de flujo mucho menor, y como resultado, la turbina de baja presión de leva de proporcionar un gran exceso de energía que puede ser utilizado para impulsar al generador. La velocidad del rotor de baja presión del motor de la aeronave (aircraft) está restringido por la velocidad de la punta del ventilador de 3600 rpm, esto permite que el eje de la versión industrial pase a ser directamente conectado a un generador de 60 HZ, evitando la necesidad de una caja de cambios. La versión industrial de la Trent es capaz de 50MW a una eficiencia térmica del 42 por ciento, lo que resulta de la relación de alta presión y la temperatura de entrada de la turbina. Figura 1.16 también muestra los cambios importantes en el diseño del sistema de combustión; la versión de los aviones (aircraft) utiliza una cámara de combustión anular totalmente convencional, mientras que el motor industrial utiliza latas radiales separadas. Este cambio radical se debe a la necesidad de una baja emisión de óxidos de nitrógeno, que se tratarán con más detalle en el capítulo 6. Las aplicaciones más amplias de la turbina de gas aero-derivados han sido en el bombeo de conjuntos de tuberías de gas y generación de electricidad aceite de la transmisión y propulsión naval. En el caso de tuberías de gas natural, las turbinas utilizan el fluido que está siendo bombeado como combustible y una tubería típica pueden consumir 7-10 por ciento del rendimiento para los propósitos de compresión. En los últimos años el valor del gas se ha incrementado dramáticamente y esto ha dado lugar a una demanda de unidades de bombeo de alta eficiencia. Un importante oleoducto podría haber tanto como 1.500 MW de potencia instalada y las facturas de combustible son comparables a los de una línea aérea de tamaño mediano. Las estaciones de bombeo pueden ser unos 100 km aparte y las turbinas de gas utilizadas en la gama de potencia de 5 a 25 MW. Muchas estaciones de compresión se encuentran en lugares remotos y unidades derivadas de aviones de 15 a 25 MW se utilizan ampliamente. Otros operadores pueden preferir el uso de turbinas de gas industriales y en los últimos años una serie de intercambiadores de calor han sido modificados a las unidades de ciclo simple. Con oleoductos el aceite a menudo no es adecuado para la grabación de las Naciones Unidas una turbina de gas de combustible sin tratamiento costoso y se hace necesario llevar un combustible líquido adecuado en por carretera. El uso de turbinas de gas para la generación de energía eléctrica ha cambiado dramáticamente en los últimos años. En los años setenta, la turbina de gas (especialmente en Gran Bretaña y América del Norte) se utiliza principalmente para horas pico y las aplicaciones de emergencia, las unidades aero-derivados con una turbina de alta resistencia se utilizan ampliamente. Una de las ventajas destacadas de este tipo era es la capacidad para producir la máxima potencia del frío en menos de dos minutos, aunque esta capacidad sólo se debe utilizar en caso de emergencia debido a cambios bruscos de temperatura se reducirá considerablemente el tiempo entre revisiones. En la mente los años sesenta, un importante apagón de la costa este de los EE.UU. como resultado de la inversión en la turbina de gas capaz de empezar 'negro', es decir, completamente independiente de la red eléctrica. En Gran Bretaña, se ha instalado más de 3.000 MW de la planta de emergencia y de carga punta basada en el Rolls-Royce Avon y motores de Olympus, los cuales forman una parte esencial de todo el sistema de generación de electricidad, pero sólo duró un número muy reducido de horas.
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Figura 1.16 comparación entre versiones turboventilador e industriales de R-R Trent (cortesía Rolls-Royce Motores de turbinas de gas (Canadá)).
Plantas similares fueron construidos en gran número en América del Norte mediante el Pratt and Whitney FT-4. Las unidades aero-derivados tuvieron una calificación máxima de alrededor de 35 MW: su eficiencia fue de aproximadamente 28 por ciento y se quema el combustible caro, por lo que no fueron considerados para aplicaciones que implican horas de larga ejecución. En marcado contraste, países como Arabia Saudita, con un sistema eléctrico muy rápida expansión y combustible barato abundan, utilizan turbinas de gas de gran potencia para la base ¬ deber carga, una ventaja particular de la turbina de gas en las condiciones del desierto es la ausencia de cualquier necesidad de agua de refrigeración. Inicialmente, las calificaciones de las unidades aeroderivados y pesados fueron similares, pero en condiciones de ciclo mejorados en los últimos años, los diseñadores de turbinas de gas industriales fueron capaces de ampliar sus diseños para dar mucha más potencia. Los principales fabricantes son ABB, General Electric, Siemens y Westinghouse, todos ellos de diseño de motores de un eje, que son capaces de entregar más de 200 MW por unidad, el límite máximo se fija por consideraciones tales como el tamaño del disco de la forja y el ancho máximo para permitir el transporte por ferrocarril. A diferencia de las turbinas de vapor, turbinas de gas, a menudo no se erigió en el lugar, pero se entregan en paquetes completos y listo para funcionar. Unidades de un eje que funcionan a 3.000 y 3.600 rpm, respectivamente, pueden conducir 50 o 60 Hz generadores directamente sin la necesidad de una caja de cambios costosos. Diseños de compresores adecuados para operar a estas velocidades resultan en máquinas de 60 Hz de alrededor de 150 MW y 50 máquinas Hz de alrededor 225 MW, con el poder en gran parte determinada por el flujo de aire, América del Norte está estandarizado en 60 Hz, mientras que Europa y gran parte de Asia funciona a 50 Hz. Máquinas más pequeñas pueden ser diseñados para funcionar a alrededor de 5 a 6000 rpm con puntuaciones de alrededor de 50-60 MW, con cajas de cambios capaces de ya sea 3000 o 3600 rpm velocidades de salida para satisfacer los requisitos del mercado. Muchas unidades de servicio pesado se han quedado muy por encima de 150.000 horas y un número importante han superado las 200 000 horas. Otro mercado importante para la generación de energía eléctrica es el suministro de energía para las plataformas off-shore, donde se utilizan turbinas de gas para proporcionar energía de carga base. Muchas unidades solares y Ruston de 1-5 MW se han utilizado, pero para potencias más 20
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS grandes aero-derivados tales como el Rolls-Royce RB-211 y General Electric LM 2500 se han instalado en las calificaciones de 20-25 MW; una gran plataforma puede requerir hasta 125 MW y ambos superficie y el volumen son un bien escaso. El peso instalado también es de vital importancia debido a los requisitos Cranage, y un ahorro considerable si se acumulan propias grúas del equipo de perforación puede manejar el paquete completo de maquinaria. El aeroderivados domina este mercado debido a su carácter compacto. La disponibilidad de las turbinas de gas con una potencia de 100-200 MW ha hecho gran planta de ciclo combinado un factor importante en la generación de energía térmica. Japón, por su total dependencia del combustible importado, fue el primer usuario a gran escala de los ciclos combinados, la construcción de varias estaciones MW 2000 ardientes importado gas natural licuado (GNL). Una instalación típica puede estar compuesta de "bloques" que consta de dos turbinas de gas con sus propias calderas de calor residual y una única turbina de vapor, en general, el uso de una caldera sin cocer la potencia de la turbina de vapor es aproximadamente la mitad de la turbina de gas. Por lo tanto, un solo bloque de dos turbinas de gas de 200 MW MW y una turbina de vapor 200 proporciona 600 MW; una estación completa puede usar tres o cuatro bloques. En el momento de escribir varias plantas de 200 MW han sido construidas, dando eficiencias de alrededor del 55%, y la más grande con una potencia de 2.800 MW. La privatización del suministro eléctrico en Gran Bretaña conlleva a la instalación de un gran número de plantas de ciclo combinado de 225-1850 MW quemando gas natural. A más largo plazo, es posible que las unidades de gas natural pudieran ser convertidas a gas obtenido de la gasificación del carbón. Las estaciones de potencia de las turbinas de gas son remarcablemente compactas Figura 1.17(a) nos muestra una comparación de tamaños entre una estación de turbina de vapor de la era de 1950 de 128MW. Y una planta de turbina de gas peak-load de 160MW que se muestra encerrada; la última usando 8 unidades Olympus de 20MW. Las plantas de vapor requieren de 3 torres de enfriamiento para hacer frente al calor rechazado por los condensadores. Esta planta en la actualidad ha sido dada de baja y reemplazada por una planta de ciclo combinado de carga base de 700 MW, mostrada en la figura 1.17 (b), La nueva planta consiste en 3 bloques, que comprenden un compresor Siemens V.94, una turbina de gas de 150MW y una caldera de pérdida de calor, y una sola turbina de vapor de 250MW. Un condensador enfriado por aire es usado en lugar de las 3 torres de enfriamiento, por las restricciones en el uso del agua de enfriamiento procedente del rio, el condensador es la estructura rectangular más grande que se muestra al lado izquierdo de la imagen, y puede ser visto menos intrusivo a la vista que las torres de enfriamiento. Es pagada una pequeña penalidad en el desempeño, porque la temperatura del condensador (y por lo tanto la contrapresión en la turbina de vapor) es más alta que la obtenida con el condensador enfriada por el rio. La estación, sin embargo, tiene una eficiencia térmica de 51%, que es mucho más alta que una planta convencional de turbina de vapor. Las turbinas de gas eran usadas con éxito en algunos barcos de contenedores de alta velocidad, pero el rápido incremento en los precios de los combustibles a mediados de los setenta conllevo a que estos barcos sean cambiados a diesel; esta conversión que los barcos sufrieron causaron una pérdida mayor en la velocidad y la capacidad de carga, pero la alta velocidad ya no podía ser justificada. La imagen con respecto a las operaciones navales es un poco diferente, sin embargo, y muchas instituciones armadas (por ejemplo: Gran Bretaña, EE.UU, Canadá, Países Bajos) tienen 21
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS acumulado ahora una gran experiencia en turbinas de gas. Una turbina de gas fue usada por primera vez en un barco cañonero en 1947, y en un motor de tipo aéreo (Rolls-Royce Proteus) que fue usada en embarcaciones rápidas de patrulla en 1958. El potencial de los motores aeroderivativos para la propulsión principal de los barcos de guerra fue realizado en el Canadiense clase DDH-280 fue la primera embarcación armada totalmente impulsada por una turbina de gas en occidente, usando una combinación de Pratt y Whitney FT-4 para la potencia de “impulso” y el FT-12 para el “modo crucero”. La marina Real selecciono los Olympus como motores de impulsión y los Rolls-Royce Tyne para la tarea de crucero; Esta configuraciñon también fue seleccionada por la marina de Países Bajos. El Olympus y el Tyne son las únicas turbinas de gas militares probadas en batalla, operando con gran éxito en la guerra de Falklands. La marina de EE.UU. adopto los GE LM 2500, que derivó del Turbofan avanzado TF39, y este motor fue usado ampliamente alrededor del mundo. Con el incremento de las necesidades eléctricas de las embarcaciones bélicas, y la ausencia del vapor en el uso de los turbogeneradores, las turbinas de gas que manejaban los generadores también ofrecían una fuente de electricidad compacta.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS La mayor desventaja de las turbinas de gas en el uso en las embarcaciones es su deficiente consumo de combustible a carga parcial. Si consideramos un buque de marina que tiene una velocidad máxima de, digamos, 36 knots (nudos) y una velocidad crucero de 18 knots, con una potencia requerida proporcional al cubo de la velocidad, la potencia del crucero será sólo un octavo de la potencia máxima, de hecho, mucho tiempo se pasó en una velocidad de menos de 18 nudos. Para superar este problema, se combinan las plantas de energía que consta de turbinas de gas que han utilizado. Estos llevan por nombres COSAG, CODOG, COGOG, COGAG, etc. CO significa "combinado", S, D, G para "vapor", "diesel" y "Turbina de gas" respectivamente, la letra final A o S para "y "," o ". La "o" requiere una explicación. El primer dispositivo usado por la Royal Navyfue COSAG, donde el eje de la nave fue impulsado tanto por turbinas de vapor y gas, o ambas. Las turbinas de gas estaban destinadas originalmente sólo para fines de impulso o para arranques rápidos, pero en la práctica resultó ser tan versátil y popular entre los operadores que se acostumbraron a su uso durante mucho más tiempo. Otra alternativa es la combinación de una turbina de gas con un motor diesel de botas de crucero, en este caso la energía diesel es tan pequeña en relación con la turbina de gas que hay pocas ventajas en la adición de la potencia. Por lo tanto, el buque funciona tanto en el modo de turbina de gas como diesel o CODOG. Para el uso naval el motor diesel tiene la ventaja de un muy buen consumo de combustible de crucero, con las desventajas de gran volumen para la potencia disponible y un nivel de ruido fuerte bajo el agua. La disposición COGOG, con una pequeña turbina de gas de crucero y una gran turbina de gas de impulso, ha sido ampliamente utilizada, el objetivo es mantener cualquier turbina de gas funcionando cerca de su potencia plena, donde la eficiencia es máxima.Las pequeñas turbinas de gas de crucero (4-5 MW), sin embargo, no son competitivos con los motores diesel sobre el consumo específico de combustible y parece ser una tendencia a alejarse de COGOG a CODOG. La disposición COGAG, utilizando turbinas de gas del mismo tamaño, han sido utilizado por la Marina de los EE.UU., con cuatro LM 2500 motores en grandes destructores; esta medida también se ha utilizado en la Royal Navy con cuatro motores de Olympus en la clase Invincible de aviones portadores. Durante muchos años la turbina de gas se ha considerado para el transporte por carretera y ferrocarril, sin hacer ningún impacto real. UnionPacifica ha operado con éxito grandes trenes de mercancías con la potencia de la turbina de gas de alrededor de 1955 por 15 - 20 años, pero estos ahora han dado paso a diesel. Varios trenes de pasajeros de alta velocidad se construyeron utilizando turbinas de gas de tipo helicóptero, pero sólo con éxito limitado, el de mayor éxito fueron los construidos por los franceses, como el TGV (Train à Grand Vitesse) que tiene tracción eléctrica de alta velocidad. Una cantidad considerable de trabajos se llevó a cabo para las turbinas de gas de camiones largos de transporte con motores de 200 -300 KW que se están desarrollando. Todos utilizaron el ciclo de relación de baja presión con un compresor centrífugo, turbina tipo helicópteros e intercambiador de calor. Esfuerzos similares se gastaron en las turbinas de gas de automóviles y aunque éstos continúan bajo el patrocinio del gobierno de los EE.UU, la turbina de gas de automóviles todavía parece estar muy lejos en el horizonte y nunca puede aparecer. No hay duda de que el coste de la turbina de gas podría reducirse significativamente si se construyeron en números que se aproximan a las de los motores de pistón. El principal problema sigue siendo el de consumo de combustible a carga parcial. El gran avance logrado por la turbina de gas es su elección para la propulsión del tanque M1 construido para el Ejército de los EE.UU., pero todavía no se ha probado que la turbina de gas es superior al diesel en esta aplicación. Tanques M1 obtenido una experiencia considerable en campo de batalla en las condiciones del desierto en la guerra del Golfo, y parece que tuvo bastante éxito. El hecho es, sin embargo, que ninguna otra
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS nación ha elegido la propulsión de la turbina de gas para la generación más reciente de los tanques. Otro concepto de creciente importancia es el de la producción combinada de calor y electricidad, que es muy conocido como cogeneración o instalaciones de cogeneración. La turbina de gas acciona un generador y los gases de escape se utilizan como una fuente de calor a bajo grado. Se requiere calor a una temperatura relativamente baja para la construcción de sistemas de calefacción y aire acondicionado que operan. También es necesario en muchos procesos de secado industrias de papel, por ejemplo. Química industrial a menudo necesitan grandes cantidades de gas caliente que contiene una alta proporción de oxígeno libre a una presión suficiente para superar la pérdida de presión en los reactores químicos. La limitación de la temperatura en el ciclo de la turbina de gas significa que se deben emplear altas relaciones de relaciones de aire/combustible lo que resulta con una gran proporción de oxígeno no utilizado en el escape. Por tanto, el escape de un Turbina de gas es a menudo adecuado. La unidad puede estar diseñada para cumplir con el requisito de gas caliente, con o sin potencia en el eje para otros fines, y, a veces para quemar un combustible, que es un subproducto del proceso químico. La figura 1.18 ilustra la aplicación de una planta de cogeneración con turbinas de gas Ruston. Se proporciona el conjunto de la electricidad, vapor de proceso, vapor de calefacción, y el agua enfriada se requiere para una fábrica. El uso de 8 turbinas de gas que alimentan cuatro calderas de calor residual como combustible auxiliar permite el cambio de energía y el calor que demandan durante el día que se deben cumplir al ejecutar un número necesario de unidades sustancialmente en plena carga y por lo tanto, con la máxima eficiencia.
1.6 Temas ambientales La primera aplicación importante de la turbina de gas fue de propulsión a reacción para aviones militares, hacia el final de la Segunda Guerra Mundial. El motor de reacción produce mayores velocidades en los aviones, y lo más importante fueron las graves deficiencias en el consumo de combustible y la vida útil del motor pueden ser ignorado; el chorro de escape era ruidoso, pero esto importaba poco en aplicaciones militares. Cuando se consideraron los reactores para su uso en aviones de transporte civil, tanto el consumo de combustible y una vida más larga del reacondicionamiento se convirtió en gran importancia, aunque el ruido no era entonces un problema. La aparición de un número significativo de aeronaves impulsados a chorro en los aeropuertos civiles a finales de los años cincuenta resultando ruidosos convirtiéndose en un problema que pudo afectar gravemente el crecimiento del transporte aéreo. La necesidad de reducir el ruido del motor fue originalmente con la adición de silenciadores, que no eran muy eficaces y causaron graves pérdidas de rendimiento, estaba claro que el ruido del motor tuvo que ser bien entendida y que el diseño del motor tuvo que atender a la reducción del ruido desde el inicio de un proyecto d diseño de la aeronave. Los matemáticos han deducido que el ruido del jet era proporcional a (velocidad del chorro) para que el requisito básico fue inmediatamente reconocido como provisión de la orientación necesaria a la velocidad del chorro reducido por el consiguiente aumento en el flujo de aire. Esto fue precisamente lo que se hizo en el turboventilador para obtener una alta eficiencia de propulsión.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS Fue afortunado que la búsqueda de una mayor eficiencia también dio lugar a un menor ruido. La relación de derivación en los primeros turboventiladores estaba restringido por la falta de conocimiento del efecto tridimensional del flujo en las aspas del ventilador más largas y problemas de instalación, en particular para motores instalados en el ala, que fue el advenimiento del motor montado en una vaina que permite conseguir mayores BPR. A mayores BPR se encontró que las altas velocidades de fluido en las puntas de las paletas son otra fuente de ruido que era particularmente problemático durante la aproximación para el aterrizaje, con el ruido propagado a través de una zona muy amplia. Este problema fue atacado por el uso de materiales que absorben el sonido en el conducto de admisión y elección cuidadosa de separación entre las palas del rotor y el estator. La reducción del ruido de los aviones ha requerido una gran cantidad de investigación y gastos de capital, pero con seguridad se puede decir que los diseños actuales y futuras de los motores para aviones buscarán reducir en gran medida el ruido en el aeropuerto. Los gases de escape de las turbinas de gas industriales salen a una velocidad baja y se descargan a través de una chimenea, por lo que la principal fuente de ruido que ocurre en el motor a reacción es evitada. Además de su carácter compacto y facilidad de instalación, las turbinas de gas pueden estar ubicados cerca de las zonas industriales que especifican por ley un bajo nivel de ruido, el requisito puede cumplirse mediante el tratamiento acústico del sistema de admisión y deflectores en el conducto de escape. Cuando las turbinas de gas se consideraron en primer lugar para aplicaciones que no sean de aeronaves, la combinación de la rotación de la maquinaria de combustión con flujo constante y grandes cantidades de exceso de aire parecía ofrecer una planta de potencia de combustión relativamente limpia. A finales de los años sesenta, se descubrió que gran cantidad de smog había en Los Ángeles causado por una reacción fotoquímica entre la luz solar y los óxidos de nitrógeno producido por el escape de los automóviles. Esto llevó a los principales programas de investigación para reducir los óxidos de nitrógeno (conocidos como NOx) y los hidrocarburos no quemados (UHC) para motores de combustión. Cuando las turbinas de gas comenzaron a entrar en el mercado en aplicaciones como tuberías, generación de electricidad y las unidades mecánicas, pronto se convirtieron en objeto de estudio para limitar las emisiones de los motores de los aviones. Será evidente a partir de la sección 6.7, donde se describen los métodos de reducción de las emisiones, que se utilizan distintos enfoques para la planta industrial y motores de aeronaves debido a la variación en los requisitos operacionales. Los óxidos de nitrógeno se producen a temperaturas muy altas de combustión, y también aumentan con la temperatura de entrada de combustión, en otras palabras, los mismos factores necesarios para alta causa la eficiencia aumentaron la formación de NOx. A principios de los años noventa el diseño de los sistemas de combustión de bajo NOx fue uno de los factores clave en la producción de turbinas de gas competitivos. El método más sencillo para la planta industrial fue utilizar agua o inyección de vapor para reducir la temperatura de combustión máxima, pero introdujo una serie de otros problemas y costos relacionados con la durabilidad del motor y el suministro de agua tratada. Se hizo hincapié en el desarrollo de sistemas secos de bajo NOx, y los principales fabricantes han desarrollado diversas soluciones que entraron en servicio a mediados de los años noventa. Debido a la gran cantidad de exceso de aire utilizado en la combustión, la producción de UHC era menos crítica, pero todavía tenía muchas restricciones. El producto principal de combustión de cualquier hidrocarburo es el dióxido de carbono, que se cree que contribuyen significativamente al calentamiento global debido al efecto invernadero. Las emisiones de CO2 pueden reducirse sólo mediante la mejora de la eficiencia del motor de modo que menos combustible se quema, o mediante el desarrollo de fuentes de energía que no 26
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS implican la quema de combustibles fósiles. Para fomentar esto, algunos países, especialmente en los países escandinavos, han introducido un impuesto sobre el CO2. Con el abordaje exitoso de los problemas de ruido y de emisiones, la turbina de gas, una vez más ofrece la misma promesa de una planta de energía ambientalmente benigno. La figura 1.19 muestra una instalación de una planta carga-base de ciclo combinado de 70 MW que se encuentra entre dos hospitales y adyacentes a una zona residencial privilegiada. 1.7 Algunas posibilidades futuras La creciente escasez y por tanto coste de los combustibles fósiles de alta calidad requerirán un uso más amplio de la mala calidad del carbón y el combustible de petróleo pesado con un alto contenido de azufre. Dicho combustible puede ser quemado en centrales eléctricas de vapor, pero sólo con caro mantenimiento de la caldera y la costosa limpieza de los gases de chimenea para cumplir las normativas contra la contaminación cada vez más estrictas. Existen otros dos enfoques muy diferentes, tanto que implica el uso de turbinas de gas. El primero hace uso de la idea de la combustión en lecho fluidizado, y la segunda consiste en la transformación del combustible sólido o líquido de baja calidad en un combustible gaseoso limpio.
Un quemador de lecho fluido consiste esencialmente en un ladrillo refractario revestido cilindro que contiene partículas refractarias de tamaño de arena mantenido en suspensión por un flujo ascendente de aire. Cuando se utiliza en conjunto con una turbina de gas, el aire requerido se puede purgar el compresor. si se está quemando carbón, los óxidos de azufre formados quedan atrapados en la ceniza, y si el petróleo es el combustible que pueden ser atrapados por las partículas de piedra caliza o dolomita en el lecho. en la figura se muestra un esquema posible. Se hace uso del hecho de que el calor se transfiere entre un lecho fluido y cualquier superficie sólida sumergida en él con coeficientes de transferencia de calor muy alto. En este esquema, la mayor parte del aire del compresor se calienta en un intercambiador de calor tubular en el lecho, y sólo la 27
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS pequeña cantidad de aire purgado de fluidización necesita ser limpiado de polvo en separadores de ciclón antes de pasar a la turbina. La corrosión y problemas de erosión están retrasando el desarrollo, pero si se pueden superar el quemador de lecho fluido se abre la posibilidad de la quema de carbón extraído por métodos de control remoto, o incluso el material en la mina de carbón residuos. En este último caso no sólo sería potencia útil la que se desarrolló a partir de combustible no utilizable hasta la fecha, pero la tierra valiosa sería recuperada. Un prototipo de central de ciclo combinado con combustión en lecho fluido se puso en servicio en Suecia en 1991. Fue construida para proporcionar tanto energía y calor con una capacidad de 135 MW de potencia y una carga de calefacción urbana de 224 MW. Dos turbinas de gas generan 34 MW de potencia, el saldo lo suministra la turbina de vapor. Este diseño no hizo uso de un intercambiador de calor en el lecho como se muestra en la figura, y todo el compresor de aire pasa a través del sistema de combustión antes de ser limpiado en separadores de ciclón antes de la entrada a la turbina. Antes de abandonar el tema de la combustión en lecho fluido vale la pena mencionar otra posible aplicación: la incineración de los residuos municipales. los residuos es materiales recuperables triturados y útiles (de acero, estaño, aluminio, etc.) son separados utilizando técnicas magnéticas y de flotación, y las pantallas de vibración.
El resto, alrededor del 85 por ciento, se quema en la cámara de combustión de lecho fluidizado. La combustión de los residuos mantiene la temperatura en algún lugar entre 700 ° C y 820 ° C, la cual es lo suficientemente alto como para consumir el material sin causar la cama a aglomerarse. Quemadores de aceite suplementarios se proporcionan para arrancar la unidad. Los gases calientes pasan a través de varias etapas de limpieza para evitar la erosión de la turbina y para satisfacer las normas de contaminación del aire. Ingresos de la electricidad generada y se espera que la venta de los materiales reciclables para reducir sustancialmente el coste de la eliminación de residuos en comparación con el método de la descarga en vertederos convencionales. Debe hacerse hincapié en que la temperatura máxima que se puede utilizar en un lecho fluidizado es poco probable que sea muy alta por lo que la eficiencia de la turbina de gas será baja. Cámaras de 28
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS combustión de lecho fluidizado son susceptibles de ser utilizados sólo para la quema de combustibles baratos o de otro modo inutilizables. El segundo enfoque para el problema de la utilización de mala calidad del carbón o aceite pesado es su transformación en un combustible gaseoso limpio. Figura 1.21 ilustra un posible esquema en el que una planta de gasificación está integrado con un ciclo combinado. El proceso de gasificación elimina vanadio y sodio impurezas problemáticas que causan la corrosión en la turbina, y también el azufre que produce óxidos de contaminantes en los gases de chimenea. El aire comprimido necesario para el proceso se purga desde el compresor de la turbina de gas. Para superar la pérdida de presión en la planta de gasificación de la presión es impulsado en un compresor independiente impulsado por una turbina de vapor. Este sería utilizar una parte del vapor de la caldera de calor residual, la fracción principal suministro de la turbina de vapor de potencia. El gas producido por dicha planta tendría un muy bajo valor calorífico quizá sólo 5000 KJ/m3 en comparación con cerca de 39 000 KJ/m3 para el gas natural. Esto es debido a la dilución por el nitrógeno en el aire suministrado por el gasificador. Los valores de bajo poder calorífico lleva pena de poco, sin embargo, porque todas las turbinas de gas operan con una mezcla débil para limitar la temperatura de entrada de la turbina.
Fig 1.21 Planta de gasificación con ciclo combinado.
Otra posible futura aplicación de la turbina de gas debe ser mencionado: su uso como un dispositivo de almacenamiento de energía. La eficiencia global del sistema de generación de electricidad de un país se puede mejorar si se proporciona suficiente capacidad de almacenamiento de energía para permitir que las estaciones de base de carga más eficiente para ejecutar noche y día en condiciones que producen la máxima eficiencia. Esta disposición será de particular importancia ya que la contribución de los de capital intensivo de energía nuclear estaciones aumenta. Hasta ahora planta hidroeléctrica de almacenamiento se han construido para satisfacer la necesidad, pero los sitios adecuados en Gran Bretaña ha sido utilizado prácticamente todo. Una posible alternativa se ilustra en la figura. 1.22. Aquí un motor reversible / generador está acoplado ya sea para el compresor o turbina. Durante la noche, fuera de hablar de 29
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS alimentación se utiliza para accionar el compresor que suministra aire a una caverna subterránea a través de un "lecho de bolas" regenerador. El regenerador almacena el calor en los guijarros de alúmina o sílice. Durante el día, el aire comprimido se libera a través del regenerador, recogiendo la energía almacenada en su camino hacia la turbina. Para satisfacer la demanda pico puede resultar deseable también para quemar un poco de combustible en una cámara de combustión para compensar las pérdidas de calor en el regenerador. Si la caverna es lo suficientemente pequeño como para que tal sistema económico, la presión debe ser alto - tal vez tan alto como 100 bar. Esto implica una entrega de alta temperatura del compresor de alrededor de 900 C. Al enfriar el aire en el regenerador el volumen se reduce aún más, y al mismo tiempo las paredes de la caverna están protegidas de la alta temperatura. Se han propuesto cavernas de sal excavadas por lavado, y las explotaciones mineras en desuso son otra posibilidad, si los medios económicos se pueden encontrar de sellar adecuadamente. La primera planta de turbina de gas de aire de almacenamiento fue construida por Brown Boveri y puesto en marcha en Alemania en 1978. No tiene regenerador, pero tiene incorporado un intercambiador de calor y tiene la compresión de dos etapas con refrigeración intermedia. Un refrigerador posterior protege las paredes de la caverna de sal de alta temperatura. La planta es para la generación de carga pico y produce hasta 290 MW para períodos de 1-1,5 horas tres veces al día, usando alrededor de 12 horas para el bombeo del depósito a la presión.
1.8 Procedimiento de diseño de la turbina de gas Hay que destacar que este libro ofrece una introducción a la teoría de la turbina de gas, y no al diseño de turbinas de gas. Para colocar el contenido del libro en la perspectiva correcta, un diagrama esquemático representando un procedimiento completo de diseño es mostrado en la Fig. 1.23. Esto da una idea de las interrelaciones entre termodinámica, aerodinámica, mecánica y diseño de sistemas de control y se hace hincapié en la necesidad de intercambio de información entre los diversos especialistas. Las líneas punteadas encierran las áreas expuestas en los siguientes capítulos: donde ellos cortan un bloque indica que el tema ha recibido atención, pero sólo a manera superficial. Por lo tanto cuando se trata con la teoría de termodinámica y aerodinámica los cuales forman la esencia de este libro, el lector debe recordar sólo los aspectos mecánicos que interactúan con ella.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS El proceso de diseño muestra cómo a partir de una especificación (presupuesto), ya sea como resultado de la investigación de mercado para un requisito de cliente. El desarrollo de una turbina de gas de alto rendimiento es extremadamente costoso, y tan caro que los más grandes ingenios de aviación se desarrollan por consorcios multinacionales. Hay muy pocos clientes quienes son lo suficientemente potentes para tener una máquina construida para su requerimiento, y la especificación usualmente resulta del estudio del mercado. Las máquinas exitosas son aquellas que encuentran una variedad de aplicaciones, y sus ciclos de vida desde el diseño hasta el uso servicio final de uso puede ser superior a los 50 años. Cuando la primera edición de este libro fue escrito en 1950, los Rolls-Royce Dart estuvieron en la etapa de diseño y continuaron en producción hasta 1986; A finales de 1993 hubieron aún cerca de 2000 Darts en servicio y la máquina sin duda se espera que continúe en el siglo XXI. La especificación es raramente una simple declaración de requerimiento de potencia y eficiencia. Otros factores de mayor importancia, los cuales varían con la aplicación, incluyen peso, costo, volumen, vida y ruido, y muchos de esos criterios de acto en oposición. Por ejemplo, alta eficiencia inevitablemente incurre en un alto costo de capital, y una simple máquina de más baja eficiencia puede ser perfectamente aceptable si las horas de servicio son bajas. Una importante decisión que enfrenta el diseñador es la elección del ciclo, y este aspecto será estudiado en los capítulos 2 y 3. Es esencial tener en cuenta en una fase temprana qué tipo de turbomáquina usar, y esto en gran medida dependerá de la medida de la máquina: diseño de turbomáquina y combustor serán tratados en los Capítulos 4-7. El diseño de la máquina debe ser también considerada, por ejemplo, ya sea una única o multiejes de diseño se debe utilizar, y el comportamiento de estos diferentes tipos de máquinas serán estudiados en los Capítulos 8 y 9. El primer paso del mayor diseño es llevar a cabo puntos de estudios termodinámicos de diseño. Éstos son cálculos detallados teniendo en cuenta todos los factores importantes, como la eficiencia de los componentes esperados, aire comprimido, propiedades de fluido variable y pérdidas de presión, y serían llevados a cabo alrededor de un rango de relación de presión y turbina y temperatura de entrada de la turbina. Un valor para la salida específica( por ejemplo potencia por unidad de masa de flujo de aire) y un consumo específico de combustible será determinado por varios valores de parámetros de ciclo mencionados anteriormente. Aunque en la industria estos cálculos serían hechos en una computadora digital, sería claramente entendido que no hay una definición matemáticamente óptima.
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS
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TEORÍA DE TURBINAS DE GAS Por ejemplo, a una temperatura de entrada de la turbina dado un gran aumento de la relación de presión puede dar una mejora mínima en Eficiencia a térmica, pero la máquina resultante sería demasiado compleja y cara, lo cual resulta poco práctico. Una vez que el diseñador se decide por una elección adecuada de los parámetros del ciclo, puede hacer uso de los resultados específicos de determinar el flujo de aire requerido para dar la potencia especificada. Se debe entender claramente que la elección de los parámetros del ciclo está fuertemente influenciada por el tamaño del motor, y, en particular, por el flujo de aire requerido. La turbina de motor de 500KW, por ejemplo tendría muy pequeñas cuchillas que no podrían ser enfriadas debido a la complejidad de fabricación y el costo; la relación de presión sería restringida para lograr que los álabes sean de un tamaño razonable, y puede ser que sea necesario el uso de un compresor centrífugo de un tanto reducción de la eficiencia.. una unidad de 50MW, por otra parte , el uso de sofisticadas cuchillas refrigeradas por de aire frío y operar a una temperatura entrada de la turbina de más de 1500 K, algunos 300K más alto que el turbina de no refrigerado en el unidad grande del motor.los 500KW también se lograrían utilizando un compresor axial de la pizca una relación de presión que podrían ser tan alta como 30:1. Conociendo el flujo de aire, relación de presión y temperatura de entrada de la turbina, la atención se puede girar para el diseño aerodinámico de la turbomaquinaria. Ahora es posible para determinar las dimensiones de la corona circular, velocidades de rotación y el número de etapas. En este punto también se puede encontrar que surgen Dificultades que pueden hacer que el aerodinamista consulte con el termodinámico para ver si hay un cambio en el punto de diseño que se podría considerar, tal vez un ligero aumento de la temperatura o la disminución de la relación de presión. El diseño aerodinámico de la turbomaquinaria tener en cuenta la viabilidad de fabricación desde el principio. En el caso de un impulsor centrífugo para un pequeño motor, por ejemplo, el espacio requerido para las fresas entre conductos adyacentes es de primordial importancia. En grandes ventiladores turbo, en contraste, el peso de las cuchillas del ventilador y el desequilibrio causado por la pérdida de la cuchilla juega un papel importante en el diseño del sistema de soporte de cojinete y la estructura requerida para la contención del ventilador. El diseño mecánico puede empezar sólo después de que la aerodinámica y diseños termodinámicos están muy avanzados. A continuación, se encuentra muy probable que los problemas de esfuerzo o la vibración pueden dar lugar a nuevos cambios, los requisitos de la presión y los grupos de la aerodinámica a menudo están en oposición .A continuación, se encuentra muy probable que los problemas de estrés o la vibración pueden dar lugar a nuevos cambios, los requisitos de la tensión y los grupos de la aerodinámica a menudo están en oposición. Al mismo tiempo que estos estudios están llevando a cabo, el rendimiento del diseño y el diseño del sistema de control debe ser considerada, la operación diseño off incluirá los efectos de variar las condiciones ambientales, así como la reducción de energía en funcionamiento. Al diseñar un sistema de control para asegurar la operación y automática del motor, es necesario poder predecir los niveles de presión y temperatura en todo el motor y para seleccionar algunos de estos y usarlos como parámetros de control. Una vez que el motor ha entrado en servicio, habrá demandas de los clientes para las versiones más potentes y más eficientes, lo que lleva al desarrollo de motores mejorados. En efecto, tales demandas pueden surgir a menudo antes de que el proceso de diseño se haya completado. Cuando los motores tienen que ser optimizados, el diseñador debe tener en cuenta métodos tales 33
TEORÍA DE TURBINAS DE GAS como el aumento del flujo de masa, la temperatura de entrada de la turbina y la eficiencia de los componentes, manteniendo al mismo tiempo el mismo diseño básico del motor. Un motor de éxito puede triplicó triplicar su potencia durante un largo ciclo de desarrollo.
Sin embargo a la larga el motor cumplirá su fecha y se volverá no competitivo. El momento de la decisión para iniciar un nuevo diseño es de vital importancia para el bienestar económico de los fabricantes. Las referencias (1) y (2) describen la elección del diseño de una turbina de gas industrial, mientras las referencias (3) y (4) alas turbohélice respectivamente, siguiendo con la evolución del diseño de turbinas de gas industrial se realizado durante un período prolongado, actualmente se muestra que la energía y la eficiencia se han mejorado continuamente por el aumento del cociente entre la presión, temperatura de entrada de la turbina y el flujo de aire. La evolución de la turbina de gas Westinghouse 501 (desde 1968 hasta 1993) se describen en la Ref. (4), la tabla de abajo muestra cómo la potencia aumentó de 42 a 160 (MW). El desarrollo de la aerodinámica ha permitido que la relación de presión se eleve de 7,5 a 14,6, mientras que las mejoras en los materiales de la hoja de refrigeración han permitido un aumento importante de temperatura del ciclo; el resultado neto fue una mejora de la eficiencia térmica de 27,1 a 35,6 por ciento. El motor de 1968 tenía sólo la primera fila inyector refrigerado por aire, mientras que la versión de 1993 necesita una refrigeración de seis filas. El constante aumento de temperatura de los gases de escape debe ser observado, porque este es un factor importante para obtener alta eficiencia térmica en una aplicación de ciclo combinado Año
Potencia (MW)
Eficiencia Térmica (%)
Relación de presión Temperatura de Entrada En la Turbina Flujo de Aire (kg/s)
Temperatura de escape del gas (°C) . (K) N° de etapas del compresor N° de etapas de la Turbina N° de filas refrigeradas
1968 42
27.1 7.5
1971
60
29.4 10.5
1973
80
30.5 11.2
1975
95
31.2 12.6
1981
107
33.2 14.0
1993
160
35.6 14.6
1153
1161
1266
1369
1406
1533
474
426
486
528
531
584
249 17 4 1
337 17
338 17
4
4
1
3
354 19 4 4
354 19 4 4
435 16 4 6
Lo anterior debería dar al lector una visión total, pero de ser superficial, ver el proceso de diseño y se puede llevar a la realización que la industria de la turbina de gas puede proporcionar una emocionante y provechosa carrera técnica para una amplia variedad de ingenieros muy expertos. 34
