termodinamica

TURBINAS DE GAS Y MOTORES DE CHORRO
11.1 Introducción. La primera turbina que produjo trabajo útil fue probablemente un molino de viento, en donde no hay precomprensión ni combustión. Las características de una turbina de gas, tal como la concebimos actualmente, comprenden un proceso de comprensión y otro de adición de calor (o combustión). Estas características no son nuevas, aunque unamaquina práctica de este tipo de descubrimiento relativamente reciente. Joule y Brayton * propusieron independientemente el ciclo que es el prototipo ideal de la turbina actual. Una turbina que no tuvo éxito se construyó en 1872 y alrededor de 1905 se construyó otra que produjo una potencia neta (77). Había que vencer dos obstáculos principales, tal como lo reveló el análisis termodinámico, para poderentregar o producir cantidades prácticas de energía: 1) la temperatura al principio de la expansión tiene que ser alta (hasta hace algunos años, la temperatura más alta admisible estaban comprendidas aproximadamente entre 371°C.(o bien, 700°F) y 427°C. (o bien, 800°F)); y 2) tanto el compresor como la turbina deben funcionar con un rendimiento alto. Los descubrimientos en el campo metalúrgico hanelevado las altas temperaturas admisibles (por ejemplo, de 810°C a 1100°C. (o bien, 1500°F a 2000°F), y aún más si se aceptan un costo elevado y una vida corta). Un mejor conocimiento de la aerodinámica ha sido factor decisivo en la mejora del rendimiento tanto del compresor centrífugo como del de flujo axial. Las turbinas de gas, impulsadas por el escape de los motores de combustión interna, sehan utilizado desde hace mucho para sobrealimentar dichos motores (turbosobrealimentadores, § 10.29). El empleo de combinaciones de cerámica y metal es más prometedor para resolver el problema de la temperatura.
11.2 Funcionamiento de una simple planta o central productora de energía por turbina de gas de ciclo abierto. El aire entra continuamente al compresor en la condición 1, figura 11.1.Después de la compresión, entra a los combustores (o cámaras de combustión) del ciclo abierto, circulando, parte, alrededor del exterior de la propia cámara de combustión y otra parte, suministrando el oxígeno necesario para quemar el combustible, que continuamente se inyecta. Debido a elevación de su temperatura los gases de expansión (ley de Charles) y penetran la turbina en el estado 3, figura11.1. Después de su expansión en la turbina, el cielo abierto los expulsa a la atmosfera en una cierta condición 4. En una disposición común de una planta productora de energía, el trabajo, Wt, de la turbina es lo suficientemente grande como para impulsar al compresor, Wc, y entregar un trabajo al freno, Wf, bastante para impulsar, por ejemplo, un generador o una hélice; Wt = Wf + Wc. Se necesita unafuente externa de energía para arrancar una turbina de gas. La figura 11.2, un motor de turbohélice con parte de la envolvente exterior cortada, muestra con cierto detalle el aspecto real de la planta simple de una turbina de gas, donde la potencia neta producida por la turbina impulsa la hélice. Se obtiene en esta aplicación una fuerza impulsora adicional (empuje) por el cambio de la cantidad demovimiento de los gases que pasan por el motor (tal vez del 15 al 20% de la propulsión a “chorro”). La parte del equipo que procede a la turbina, el compresor y el combustor en el ciclo simple de la figura 11.1, se denomina a menudo gasificador o generador de gas.
11.3. Ciclo de Brayton. En la figura 11.1 (b), supongamos que el combustor se transformen un cambiador de calor, y admitamos que lacantidad de calor añadida a presión constante, desde un deposito exterior, sea igual al calor que se desprende en la combustión. Entonces, consideremos que el gas expulsado en 4 pase por otro cambiador de calor, por medio del cual el calor sea transmitido al sumidero. El gas es enfriado a su temperatura inicial original, vuelve a entrar en el compresor en 1 y se inicia el ciclo de nuevo. Este es...