Turbinas a gas - Ing Naval

Turbinas a Gas
Antecedentes históricos
En una turbina a gas, el fluido motor incluye los productos de la combustión o bien aire y un gas
calentado a una temperatura inicial elevada y a presión adecuada. Dicho gas motor se expansiona en la
parte activa de la turbina y la energía calórica se transforma en energía cinética y ésta a su vez se
transforma en energía mecánica de rotación del rotorde la turbina.
Estas turbinas son motores de gran velocidad y volumen reducido, la combustión se realiza en una
cámara contigua a la turbina y la mezcla de aire y gases de combustión, que es llevada a una
temperatura suficientemente elevada, atraviesa la turbina produciendo trabajo. En general es un motor
muy económico.
La mayor parte de las turbinas a gas modernas queman combustibleslíquidos pero existen
instalaciones que consumen combustible gaseoso, en particular gas natural, gas de gasógeno o gas
combustible proveniente de la gasificación subterránea de combustibles sólidos.
La necesidad de realizar un motor de estas características apareció en la época del desarrollo de la gran
industria.
En 1897 la flota de guerra de la marina soviética le encomendó al ingeniero mecánico P.Kouzminski
el desarrollo de su proyecto para utilizarlo como modelo experimental de propulsión. El artefacto en
cuestión poseía una cámara de combustión a la cual se mandaban petróleo y aire a presión y la turbina
propiamente dicha. La cámara de combustión estaba constituida por un tubo interior de aleación
refractaria una envoltura exterior de acero, entre los tubos se encontraba unserpentín que era recorrido
por agua a presión (50 bar) para enfriar las paredes de la cámara y el vapor producido en este serpentín
se enviaba a la cámara de combustión junto con el petróleo. La mezcla gas-vapor formada en la
cámara de combustión que se encontraba a unos 10 bar era introducida en la turbina. En la cámara de
combustión, la transformación se realizaba a la presión constante delcombustible y del aire admitido.
Este tipo de cámaras se denominan de presión constante, cuyo principio es aplicado a casi todas las
turbinas modernas.
Fig. 1 Turbina de Kouzminsky
1- Álabes motrices, 2- Serpentín de agua de refrigeración de la cámara de combustión,
3- Cámara de combustión, 4- Admisión de aire, 5- Admisión de combustible
5
Introducción
Son las más recientes. Si bien hay intentosde 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 combustión dentro de
la máquina. Por lo tanto el fluido de trabajo son gases de combustión (de allí su nombre).
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 diferenciafundamental. Se trata (igual que todas las turbinas) de
máquina de funcionamiento continuo. Es decir, en régimen permanente cada elemento de ella está en
condición estable.
Ciclo Utilizado:
El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura 2 en un diagrama
p-V y en la figura 3 en uno T-S.:
Fig.2
En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 segúnuna adiabática (idealmente sin roce,
normalmente una politrópica con roce).
Luego el aire comprimido se introduce a una cámara de 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 combustiónentra 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.
Fig.3
6
A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta expansión la debemos
dividir en dos...