La Turbina a Gas(Actualizado al 26 de Junio de 1999)

INTRODUCCIN: En los prximos prrafos exploraremos algunos aspectos fundamentales acerca de la Turbina a Gas. Estos son:y y y y y Antecedentes bsicos sobre funcionamiento: ciclo empleado y como se realiza el ciclo. Clculo del rendimiento terico. Relacin de presiones. Aspectos histricos: algunos detalles sobre la evolucin histrica de la turbina a gas. Su uso en aviacin y su uso terrestre. Variantes sobre el ciclo bsico: razn de presiones ptima. Recuperacin de calor. Intercoolers. Ciclo combinado: explicacin bsica sobre ciclo combinado. Aspectos constructivos: aspectos constructivos de este tipo de mquina y estado actual de su evolucin.

Las turbinas son mquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres grandes familias:y Las turbinas hidrulicas: son las ms antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy existen varios modelos bsicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hlice de paso variable). A estos modelos bsicos se debe agregar la Mitchell-Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidrulica. La tpica turbina hidrulica se usa en centrales de generacin elctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse. Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (tpicamente). Aunque tambin hay instancias en que se han fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las tpicas turbinas de vapor se dividen en de accin y de reaccin. La turbina a vapor tpicamente se usan en centrales trmicas de generacin elctrica. Estos son sistemas de combustin externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera). Las turbinas a gas: Son las ms recientes. Si bien hay intentos de fabricarlas a inicios de este siglo, el primer ensayo exitoso es solo de 1937. Difieren de las anteriores en el sentido de que se realiza combustin dentro de la mquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustin (de all su nombre).

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Si bien la turbina a gas es un motor de combustin interna y su ciclo tiene puntos en comn con los ciclos Otto o Diesel, tiene una diferencia fundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de mquina de funcionamiento continuo. Es decir, en rgimen permanente cada elemento de ella est en condicin estable. ANTECEDENTES BSICOS 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 segn una adiabtica (idealmente sin roce, normalmente una politrpica con roce). o Luego el aire comprimido se introduce a una cmara de combustin. All se le agrega una cierta cantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustin se realiza la evolucin 2-3. Tpicamente esta es isobrica (o casi isobrica, pues se pierde un poco de presin por roce). Como a la cmara de combustin entra tanto fluido como el que sale, la presin casi no vara. La temperatura T3 es una temperatura crtica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo. Adems tambin es la mayor presin. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 sern los ms solicitados. A continuacin viene la expansin de los gases hasta la presin ambiente. Esta expansin la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansin se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones: o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansin se convierte en trabajo mecnico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comnmente se llama turbina a gas. o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansin de los gases en una tobera, el trabajo de expansin se convierte en energa cintica en los gases. Esta energa cintica sirve para impulsar el motor. Se trata de un turboreactor o lo que comnmente se llama un motor a reaccin. Finalmente los gases de combustin se evacan a la atmsfera en 4. La evolucin 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, tambin 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. Tambin es posible realizarlo sin combustin interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera segn un ciclo Brayton. Diagrama de Bloques: A continuacin veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques. Las componentes principales de la mquina son:

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Alternativa 1: Turbopropulsor

Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolucin 1 - 2). Este proceso se puede suponer adiabtico. Idealmente es sin roce, pero en general es politrpica con roce. Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cmara de combustin. All se le agrega una cierta cantidad de combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T3. La combustin es prcticamente isobrica (evolucin 2 3). A continuacin los gases calientes y a alta presin se expanden en la turbina T1. Esta turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje. La expansin en la turbina es hasta las condiciones 3'. Idealmente es expansin adiabtica sin roce, pero en general es politrpica con roce (evolucin 3 - 3'). Luego los gases de escape se siguen expandiendo a travs de una segunda turbina de potencia hasta alcanzar la presin ambiente (p4, evolucin 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior. Tpicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hlice en el caso de aviones con turbopropulsor o aspas en un helicptero).

Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La diferencia estriba en que de all en adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presin de los gases de escape en 3' es convertido en energa cintica. Los gases salen a C4. Es decir el trabajo de expansin se convierte en energa cintica y los gases salen del motor a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de accin y reaccin. El caso se ilustra en la figura de al lado, la que representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere decir que todoel aire pasa por la cmara de combustin y turbina.

Alternativa 2: Turboreactor

Termodinmica Tcnica

TURBINAS A GASUna turbina de gas, tambin llamada turbina de combustin, es una turbo-mquina que extrae energa de un flujo de gases de combustin. Tiene un compresor acoplado a una turbina y una cmara de combustin entre ambos dispositivos. Las turbinas de gas se utilizan en diversas aplicaciones: produccin de electricidad, buques, locomotoras, helicpteros y en tanques. El uso de turbinas de gas en tanques militares ha tenido mucho xito. Varias clases de locomotoras han sido impulsadas por turbinas de gas. Las turbinas de gas se describen termodinmicamente por el ciclo de Brayton. El ciclo de Brayton es un proceso cclico generalmente asociado con la turbina de gas. Como otros ciclos de potencia de combustin interna es un sistema abierto, aunque para el anlisis termodinmico es una suposicin conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en la aspiracin, lo que

posibilita el anlisis como un sistema cerrado. Fue nombrado por George Brayton, y es tambin conocido como ciclo de Joule Un motor de tipo Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cmara de mezcla, un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor de turbina de gas. Este tambin tiene tres componentes: un compresor de gas, un quemador (o cmara de combustin), una turbina de expansin. El Aire ambiente es introducido en el compresor, donde es presurizado, en un proceso tericamente isentrpico. El aire comprimido a continuacin, se conduce a travs de una cmara de combustin, donde se quema combustible, calentando este aire, en un proceso presin constante, ya que la cmara est abierta a la entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado, a continuacin, cede su energa, al expandirse a travs de una turbina (o una serie de turbinas), otro proceso tericamente isentrpico. Parte del trabajo extrado por la turbina se utiliza para impulsar el compresor En este captulo nos ocuparemos de estudiar los procesos termodinmicos implicados en las turbinas de gas desde un punto de vista esencialmente terico-

GeneralidadesLa turbina de gas es un dispositivo diseado para extraer energa qumica de un fluido que fluye a su travs y transformarla en energa mecnica. Las dos principales reas de aplicacin de la turbinas de gas son la propulsin de aviones y la generacin de energa elctrica.

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 presin se eleva. El aire a alta presin va a la cmara de combustin donde el combustible se quema a presin constante. Luego los gases resultantes a alta temperatura entran a la turbina, donde se expanden hasta la presin atmosfrica, 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, mediante las suposiciones de aire estndar.

En este caso los procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el proceso de combustin se sustituye por un proceso de adicin de calor a presin constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo de calor a presin 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 Compresin isentrpica (en un compresor). 2-3 Adicin de calor a presin constante. 3-4 Expansin isentrpica (en una turbina). 4-1 Rechazo de calor a presin constante. El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado 2, donde se le agrega energa a un proceso de presin constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 3. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansin isentrpica, produciendo cierto trabajo. El fluido sale de la turbina al estado 4 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presin 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 presin atmosfrica. Generalmente en turbinas grandes, se utilizan compresores axiales, en lugar de los compresores radiales o centrfugos.Se comprime el aire pues la combustin del aire comprimido y del combustible es ms eficiente que la combustin del aire sin comprimir y del combustible. Cmara de Combustin

Es el lugar donde el combustible es quemado junto al aire presurizado del compresor. Esquemticamente la cmara de combustin se representa como un objeto rectangular, cuando de hecho all estn generalmente pequeas y numerosas cmaras de combustin alrededor de la superficie externa cilndrica del cuerpo del compresor. Las cmaras de combustin a veces se llaman las latas , porque son realmente eso cajas de metal huecas y vacas! El combustible se inyecta en la cmara a alta presin y el combustor esta construido para mezclar de manera ptima el aire presurizado con el combustible para la combustin completa.Turbina. El nico propsito de la turbina en el motor de turbina de gas de un turborreactor, es proporcionar la energa mecnica en el eje para rotar el compresor. (La corriente de aire acelerada que propulsa el avin). Bien, pero eso no es verdad para otros usos de la turbina de gas. En el avin turbopropulsor el avin es propulsado por una corriente de aire acelerada, pero esa corriente area es generada por un propulsor que rota - aqu la turbina debe proporcionar la energa mecnica para el compresor y el propulsor.

Ciclo Brayton El Ciclo Brayton es un proceso cclico asociado generalmente a una turbina a gas. Al igual que otros ciclos de potencia de combustin interna, el ciclo Brayton es un sistema abierto, aunque para un anlisis termodinmico es conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el anlisis como sistema cerrado.

Un motor Brayton esta compuesto por tres componentes: y Un compresor y Un quemador (o cmara de combustin ) y Una turbina