Ciclos termodinamicos ideales turbinas a gas

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

TURBINAS DE GAS

Pedro Fernández Díez

I.- TURBINA DE GAS CICLOS TERMODINÁMICOS IDEALES

I.1.- CARACTERISTICAS TÉCNICAS Y EMPLEO DE LAS TURBINAS DE GAS El empleo de las turbinas de gas de circuito abierto presenta, con relación a los motores alternativos de combustión interna, el mismo interés que las turbinasde vapor respecto a las máquinas de pistón. En las turbinas de gas, el rendimiento está muy lejos de igualar el de los motores alternativos, y aun a veces, el de las turbinas de vapor; ésto es debido a que, * Existe una cierta dificultad para construir compresores rotativos que permitan alcanzar elevadas relaciones de compresión. * Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soportentemperaturas elevadas, al tiempo que mantienen unas determinadas características técnicas. En las turbinas de gas de circuito abierto se cumplen una serie de requisitos, * No existen piezas en movimiento alternativo, por lo que es muy fácil realizar el equilibrado * Tienen gran velocidad de rotación, entre 3.000 y 30.000 rpm * Tienen un par regular sin necesidad de volante * Tienen buena adaptacióna las grandes expansiones, y por lo tanto, a los grandes volúmenes de fluido * Producen grandes potencias en poco espacio En las turbinas de gas de circuito abierto, la combustión se realiza en el interior de la máquina y según las condiciones en que se verifique, distinguiremos, a) Turbinas de explosión b) Turbinas de combustión
TG.I.-1

Sin embargo existen otros tipos de turbinas de gas,conocidas como turbinas de gases de escape, que se construyen para recuperar la energía contenida en los gases de escape de un hogar a presión, o de un motor alternativo; esta última fuente de energía es notable, como se puede apreciar en el diagrama (p,v), que sólo se puede utilizar con ayuda de una turbina que se adapte a la diferencia de presiones existente al final del ciclo del motoralternativo de 2,5 a 3,5 atm para un motor Diesel y 4,5 a 5,5 atm para un motor de gasolina, respecto a la presión atmosférica; además tiene que adaptarse también a los grandes volúmenes puestos en juego; ésta es la causa de que un motor alternativo no se pueda utilizar más que con unas dimensiones prohibitivas. Cuando la turbina es alimentada por los gases de escape de un motor, Fig I.1, arrastra uncompresor centrífugo que sobrealimenta el motor alternativo, aumentando así la presión media efectiva, y por lo tanto la potencia. Para el caso de un motor Diesel, su velocidad de rotación oscila entre 2.000 y 3.000 rpm, permitiendo una relación de compresión de 1,5. Las turbinas así instaladas, no exigen ningún tipo de energía del motor, ya que ellas trabajan con los gases residuales, y por elcontrario, sobrealimentando un motor Diesel, por ejemplo, a 1,4 atm (4 tiempos), su potencia se acrecienta entre un 40% y un 50%, con una presión media de 8 a 9,5 atm, mientras que si lo sobrealimenta con 2 atm, la potencia se mejora en un 100%, con presiones medias comprendidas entre 12 y 13 atm. Aunque no se produce Fig I.1.- Ciclo de una turbina de gases de escape una modificación importante en susdimensiones las piezas deben estar calculadas en consecuencia. Estas turbinas no difieren sensiblemente de las de vapor de acción de uno o dos escalones; frecuentemente, la turbina y el compresor se agrupan en un mismo conjunto. I.2.- CICLO TEÓRICO DE UNA TURBINA DE COMBUSTIÓN INTERNA Una turbina de explosión tiene un ciclo termodinámico ideal tipo Otto a expansión completa, o ciclo de Atkinson;consta de un compresor; una o mas cámaras de combustión y la turbina propiamente dicha. FUNCIONAMIENTO.- El compresor carga sucesivamente con aire las cámaras, estando controlado dicho orden por el mecanismo de la válvula de admisión. Cuando una cámara está cargada, se cierra la válvula de admisión y se introduce el combustible, que arde con explosión por la acción de una chispa, produciendo un...