La Turbina a Gas (Actualizado al 26 de Junio de 1999)
INTRODUCCIÓN:
En los próximos párrafos exploraremos algunos aspectos fundamenta les acerca de la Turbina a Gas Estos son: .
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Antecedentes básicos sobre funcionamiento: ciclo empleado y como se realiza el ciclo Cálculo .
del rendimiento teórico Relación de presiones Aspectos históricos: algunos detalles sobre la evolución histórica de la turbina a gas Su uso en aviación y su uso terrestre Variantes sobre el ciclo básico: razón de presiones óptima Recuperación de calor Intercoolers Ciclo combinado: explicación básica sobre ciclo combinado Aspectos constructivos: aspectos constructivos de este tipo de máquina y estado actual de su evolución .
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Las turbinas son máquinas rotativas En forma global se clasifican en tres grandes g randes familias: familias: .
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Las
turbinas hidráulicas : son las más antiguas Usan agua como fluido de tra bajo Sus antepasados .
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directos son los molinos de agua Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de paso variable) A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell-Banki que es muy utilizada en instalaciones de m icrohidráulica La típica turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse Las turbinas a vapor : en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente) Aunque también hay instancias en que se han fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano Propano u otro) Las típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación eléctrica Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera) Las turbinas a gas : Son las más recientes Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de 1937 Difieren Difieren de las anteriores en el sentido de que se r ealiza combustión dentro de la máquina Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de allí su nombre) .
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Si bien la turbina a gas es un motor de combustión interna y su ciclo tiene puntos en común con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental Se trata (igual que todas to das las turbinas) de máquina de funcionamiento continuo Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en co ndición estable .
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ANTECEDENTES BÁSICOS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO: Ciclo Utilizado:
El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S En la figura T.2, se ilustra el ciclo en diagrama de bloques Consta de las siguientes evoluciones: .
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En 1 se toma aire ambiente Este se comprime hasta 2 según una adiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce) Luego el aire comprimido se introduce a una cámara de o combustión Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible y este se quema Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3 Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco de presión por roce) Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como el que sale, la presión casi no varía La temperatura T3 es una temperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo Además también es la mayor presión Por lo tanto los elementos sometidos a T3 serán los más solicitados .
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A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente Esta expansión la debemos dividir en dos fases En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones: Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de o expansión se convierte en trabajo mecánico Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas. Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en o una tobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en los gases Esta energía cinética sirve para impulsar el motor Se trata de un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción . Finalmente los gases de combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente .
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Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3 Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera según un ciclo Brayton .
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Diagrama de Bloques:
A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques Las componentes principales de la máquina son: .
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Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T 1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 - 2) Este proceso se puede suponer adiabático Idealmente es sin roce, pero en general es politrópica con roce Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara de combustión Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible el que se quema Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T 3 La combustión es prácticamente isobárica (evolución 2 3) A continuación los gases calientes y a alta presión se expanden en la turbina T 1 Esta turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3' Idealmente es expansión adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3' ) Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de potencia hasta alcanzar la presión ambiente ( p4, evolución 3' - 4 ) Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior Típicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hélice en el caso de aviones con turbopropulsor o aspas en un helicóptero) .
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Alternativa 1: Turbopropulsor
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Este caso es similar al anterior hasta el punto 3' La diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera El potencial de presión de los gases de escape en 3' es convertido en energía cinética Los gases salen a C 4 .
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Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía cinética y los gases salen del motor a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de acción y r eacción .
El caso se ilustra en la figura de al la do, la que representa un turboreactor de flujo simple Esto quiere decir que todoel aire pasa por la cámara de combustión y turbina .
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Alternativa 2: Turboreactor Termodinámica Técnica
TURBINAS A GAS Una turbina de gas, también llamada turbina de combustión, es una turbo-máquina que extrae energía de un flujo de gases de combustión. Tiene un compresor acoplado a una turbina y una cámara de combustión entre ambos dispositivos. Las turbinas de gas se utilizan en diversas aplicaciones: producción de electricidad, buques, locomotoras, helicópteros y en tanques. El uso de turbinas de gas en tanques militares ha tenido mucho éxito. Varias clases de locomotoras han sido impulsadas por turbinas de gas. Las turbinas de gas se describen termodinámicamente por el ciclo de Brayton. El ciclo de Brayton es un proceso cíclico generalmente asociado con la turbina de gas. Como otros ciclos de potencia de combustión interna es un sistema abierto, aunque para el análisis termodinámico es una suposición conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en la aspiración, lo que
posibilita el análisis como un sistema cerrado. Fue nombrado por George Brayton, y es también conocido como ciclo de Joule Un motor de tipo Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cámara de mezcla, un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor de turbina de gas. Este también tiene tres componentes: un compresor de gas, un quemador (o cámara de combustión), una turbina de expansión. El Aire ambiente es introducido en el compresor, donde es presurizado, en un proceso teóricamente isentrópico. El aire comprimido a continuación, se conduce a través de una cámara de combustión, donde se quema combustible, calentando este aire, en un proceso presión constante, ya que la cámara está abierta a la entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado, a continuación, cede su energía, al expandirse a través de una turbina (o una serie de turbinas), otro proceso teóricamente isentrópico. Parte del trabajo extraído por la turbina se utiliza para impulsar el compresor En este capítulo nos ocuparemos de estudiar los procesos t ermodinámicos implicados en las turbinas de gas desde un punto de vista esencialmente teórico-
Generalidades La turbina de gas es un dispositivo diseñado para extraer energía química de un fluido que fluye a su través y transformarla en energía mecánica. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía el éctrica.
Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1. Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire a alta presión va a la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante. Luego los gases resultantes a alta temperatura entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), por ello el ciclo se clasifica como un ciclo abierto. Este ciclo de turbina de gas abierto puede modelarse como un ciclo cerrado, del modo que se muestra en la figura 2, m ediante las suposiciones de aire estándar.
En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro procesos internamente reversibles: 1-2 Compresión isentrópica (en un compresor). 2-3 Adición de calor a presión constante. 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina). 4-1 Rechazo de calor a presión constante. El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado 2, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 3. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierto trabajo. El fluido sale de la turbina al estado 4 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de baja temperatura, de donde sale al estado 1, listo para entrar al compresor, y el ciclo se repite.
Compresor
El compresor comprime el aire entrante hasta cerca de 5 o 6 veces la presión atmosférica. Generalmente en turbinas grandes, se utilizan compresores axiales, en lugar de los compresores radiales o centrífugos. Se
comprime el aire pues la combustión del aire comprimido y del combustible es más eficiente que la combustión del aire sin comprimir y del combustible.
Cámara de Combustión Es el lugar donde el combustible es quemado junto al aire presurizado del compresor. Esquemáticamente la cámara de combustión se representa como un objeto rectangular, cuando de hecho allí están generalmente pequeñas y numerosas cámaras de combustión alrededor de la superficie externa cilíndrica del cuerpo del compresor. Las cámaras de combustión a veces se llaman las latas, porque son realmente eso cajas de metal huecas y vacías El combustible se inyecta en la cámara a alta presión y el combustor esta construido para mezclar de manera óptima el aire presurizado con el combustible para la combustión completa.
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urbina
. El único propósito de la turbina en el motor de turbina de gas de un , es proporcionar la energía mecánica en el eje para rotar el compresor. (La corriente de aire acelerada que propulsa el avión). Bien, pero eso no es verdad para otros usos de la turbina de gas. En el avión el avión es propulsado por una corriente de aire acelerada, pero e sa corriente aérea es generada por un propulsor que rota - aquí la turbina debe proporcionar la energía mecánica para el compresor y el propulsor. T
Ciclo Brayton
turborreactor turbopropulsor
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Ciclo Brayton es un proceso cíclico asociado generalmente a una turbina a gas. Al igual que otros ciclos de potencia de combustión interna, el ciclo Brayton es un sistema abierto, aunque para un análisis termodinámico es conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el análisis como sistema cerrado. El
Un motor Brayton esta compuesto por tres componentes: Un compresor y
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Un quemador (o cámara de combustión )
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Una turbina
