Turbinas de Gas

TURBINAS DE GAS HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS

El ejemplo más antiguo antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C. Hero inventó un juguete juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al eecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salida salidas s organ organi!a i!ada das s de mane manera ra radial radial en un sólo sólo senti sentido do "#er "#er $rái $ráico co %iguiente&.

En 1'(' 1'(')) los los chin chinos os util utili! i!ar aron on cohe cohete tes s para para asus asusta tarr a los los sold soldad ados os

enemigos.  Alrededor de 1500 *.C.) +eonardo *avinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al eecto de los gases calientes que sub,an por una chimenea. El dispositivo deber,a rotar la carne que estaba asando. En 1-' otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que mov,a maquinaria. maquinaria. Esta ue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor. En 1-/ un jesuita llamado erdinand #erbiest constru2ó un modelo de un veh,culo automotor que usaban vapor de agua para movili!arse. +a primer primera a patent patente e para para una turbina turbina ue ue otorga otorgada da en 1/1 a un ingl3s ingl3s llamado 4ohn arber. 6ncorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna) pero usaban un compresor alternativo. Ha2 muchos otros ejem ejempl plos os de turb turbin ina a por por vari varios os inve invent ntor ores es)) pero pero no son son cons consid ider erad adas as

verdaderas turbinas de gas porque utili!aban vapor en cierto punto del proceso. En 1/') un hombre llamado %tol!e dise7ó la primera turbina de gas. 6ncorporaba una turbina de varias etapas 2 compresión en varias etapas con lujo a8ial probó sus modelos uncionales en los a7os 100. En 119 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados :nidos para una turbina de gas. Esta ue otorgada pero generó mucha controversia. +a Compa7,a $eneral Electric comen!ó su división de turbinas de gas en 10(. :n 6ngeniero llamado %tanord ;oss dirigió la ma2or,a de los pro2ectos. %u desarrollo más notable ue el turbo supercargador. Este utili!aba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que) a su ve!) mov,a un compresor centr,ugo utili!ado para supercargar. Este elemento hi!o posible construir las primeras turbinas de gas coniables. En los a7os (0) tantos británicos como alemanes dise7aron turbinas de gas para la propulsión de aviones. +os alemanes alcan!aron a dise7ar aviones de propulsión a chorro 2 lograron utili!arlos en la '< guerra mundial.

CONCEPTOS BASICOS

:na turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales= un compresor) un quemador 2 una turbina de potencia. +as turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo ra2ton) en donde aire comprimido es me!clado con combustible 2 quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite e8panderse a trav3s de la turbina 2 hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eiciencia del ((>) apro8imadamente '?( del

trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1?( está disponible para generar electricidad) impulsar un dispositivo mecánico) etc. :na variación del sistema de turbina simple "ra2ton& es el de a7adir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energ,a de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utili!ado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son= la %olar Centaur de (500 hp hasta la $eneral Electric rame 5 de (5000 hp. +as turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utili!ar un interenriador para enriar el aire ente las etapas de compresión) permitiendo quemar más combustible 2 generar más potencia. El actor limitante para la cantidad de combustible utili!ado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión) debido a que e8isten restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina 2 otras partes de la misma. Con los avances en la 6ngenier,a de los materiales) estos l,mites siempre van aumentando. :na turbina de este tipo es la $eneral Electric +;1-00 versión marina. E8isten tambi3n turbinas de gas con varias etapas de combustión 2 e8pansión 2 otras con interenriador 2 regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación=

CICLO DE BRAYTON

El ciclo de ra2ton de aire normal) es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple) que utili!a un proceso de combustión interna se puede observar en la gráica siguiente. Cabe anotar que tambi3n e8iste un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.

En esta gráica podemos observar el compresor) la cámara de combustión) la turbina) el aire 2 combustible en el ciclo abierto ra2ton.

El rendimiento del ciclo de ra2ton de aire normal se encuentra como sigue. η term .

=1−

Ql  Q H 

=1−

− T 1 ) T (T / T  − 1) = 1− 1 4 1 C p (T3 − T 2 ) T2 (T3 / T 2 − 1) C p (T4

sin embargo notamos que)   P  3

  P  2

      p 3

  P  4

  P  1

  P  2

  P  4

= ∴ = − −      =      = ∴ =− − η  = −−   P  2

T      2

  P  1

T      1

k

/ ( k

  P  1

1)

T      3

T      2

T      3

T      4

T      4

T      1

T      2

T      1

term.

1

  P  3

T      3

      p 4

T      4

y

T      3

T      2

1

k

/ ( k

T      4

T      1

1

(       p 2

/

) P  1

( k

1) / k

 

 

El rendimiento del ciclo de ra2ton de aire normal es) por lo tanto) una unción de la relación isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión) 2 esto es evidente en el diagrama @s 2a que al ir aumentando la relación de presión) se cambiará el ciclo de 1'(91 a 1'B (B91. El ltimo ciclo tiene ma2or suministro de calor 2 la misma cantidad de calor cedido) que el ciclo original) 2 por tanto) tiene ma2or rendimientoD advierta) sin embargo) que el ltimo ciclo tiene una temperatura má8ima "@ (B&

 

más alta que la del ciclo "@ (&. En la turbina de gas real) la temperatura má8ima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones metalrgicas. or lo tanto si ijamos la temperatura @ (  2 aumentamos la relación de presión) el ciclo resultante es 1'B(BB9BB1. Este ciclo tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo original) pero) de esta manera) cambia el trabajo por Filogramo de substancia de trabajo. Con el advenimiento de los reactores nucleares) el ciclo cerrado de la turbina de gas ha cobrado gran importancia. El calor se transmite 2a sea directamente o a trav3s de un segundo luido) del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina de gasD el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio e8terior. +a turbina de gas real) diiere principalmente del ciclo ideal a causa de las irreversibilidades en el compresor 2 en la turbina 2 debido al descenso de presión en los pasos de lujo 2 en la cámara de combustión "o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado&. +os rendimientos de l compresor 2 de la turbina están deinidos en relación a los procesos isentrópicos. +os rendimientos son los siguientes= η comp

η tur 

h28

=

h2

− h1 − h1

− h4 h3 − h48 h3

CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR

El rendimiento del ciclo de una turbina de gas) puede mejorarse con la adición de un regenerador. %e puede observar el ciclo en la gráica siguiente=

Gbserve como el intercambiador de calor utili!a la energ,a en orma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión. ote que el ciclo 1'8(92 1) la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 9) es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor= por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresorD si esto se reali!a en un intercambiador de calor de contracorriente) conocido como regenerador) la temperatura de los gases que salen del regenerador @ 8B pueden tener en el caso ideal) una temperatura igual a @ 9) es decir) la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la uente e8terna sólo es necesaria para elevar la temperatura desde @ 8 hasta @( 2 esta transmisión de calor está representada pro el área 8(db8D el área 21ac2 2 representa el calor cedido. +a inluencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador) se ve al considerar el ciclo 1'B(B91D en este ciclo) la temperatura de los gases de salida de la turbina es e8actamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresorD por lo tanto) aqu, no ha2 posibilidad de utili!ar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador. El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue) donde los estados son= η term.

q H wt

=

wneto q H 

=

wt

− wc q H 

= C p (T3 − Tx )  = C p (T3 − T4 ) 

ero para el regenerador ideal) @ 9 I @8 2 por lo tanto q H I JtD de donde)

− T 1 ) = 1− η term. = 1 − wt  C p (T3 − T 4 ) T1 (T2 / T 1 − 1) T1 [( P2 / P 1 ) ( k −1)/ k  − 1] = 1− = 1− ( k −1)/ k  T3 (1 − T4 / T 3 ) T3 [1 − ( P1 / P 2 ) ] C p (T2

wc

( k −1)/ k 

η term.

= 1−

T 1   P 2   T 3

     P 1  

#emos) as,) que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento t3rmico depende no sólo de la relación de presión) sino tambi3n de la relación de la m,nima a la má8ima temperaturas. @ambi3n notamos que) en contraste con el ciclo de ra2ton) el rendimiento disminu2e al aumentar la relación de presión. El rendimiento t3rmico contra la relación de presión) para este ciclo. T 1 0.25 T 3 +a eectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el t3rmino rendimiento del regeneradorD El estado 8 representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el regenerador ideal habr,a una dierencia ininitesimal de temperaturas entre los dos lujos 2 los de alta presión saldr,an del regenerador a la temperatura @ 8B pero @(B I @9. En el regenerador real que debe operar a una dierencia de temperaturas inita @ 8 2) por lo tanto) la temperatura real que sale del regenerador) es menor que @8B. El rendimiento del regenerador se deine como) =

η reg 

h x

−

h2

h z  ' h2 −

%i suponemos el calor que el calor espec,ico es constante) el rendimiento del regenerador tambi3n está dado por la relación T x − T 2 η reg  = T x '−T 2 Es bueno se7alar que se puede alcan!ar un rendimiento alto usando un regenerador con una gran área de transmisión de calorD sin embargo) esto tambi3n incrementa el descenso de presión) que representa una p3rdida) 2 tanto el descenso de presión como el rendimiento del regenerador) deben considerarse para determinar que regenerador dará el má8imo rendimiento t3rmico del ciclo. *esde el punto de vista económico) el costo del regenerador debe tomarse en cuenta para saber si justiica el ahorro que se obtendrá con su instalación 2 uso.

INTRODUCCION

Es importante para el ingeniero mecánico el conocer proundamente el uncionamiento 2 los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de equipos. or esto) es de vital importancia conocer los conceptos básicos de estas maquinas de combustión. %e hará un breve recuento de la historia) los conceptos básicos 2 los ciclos de uncionamiento más importantes.

CONCLUSIONES

%e logró e8poner la historia 2 conceptos básicos de la operación de las turbinas de gas) as, como una presentación más prounda de los ciclos más importantes de las turbinas de gas "ra2ton 2 Kegenerativo&) pero teniendo en cuenta que e8isten otros como el de varias etapas) interenriamiento 2 me!clas de estos. %e determinó las variables que aectan la eiciencia de estos equipos 2 como se puede mejorar la operación para hacerlos más eicientes. ara esto se presentaron las ecuaciones que rigen los ciclos de las turbinas de gas.

BIBLIOGRAFIA

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