UNIVERSIDAD PRIVADA NORORIENTAL “GRAN MARISCAL DE AYACUCHO” FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA DE MANTENIMIENTO MENCION INDUSTRIAL CATEDRA: MAQUINAS TERMICAS E HIDRAULICAS TURBINAS A GAS PROFESOR : LEOBALDO GIL                                           BACHILLER: ANGEL OBREGON EL TIGRE, JUNIO  2012

TURBINAS  DE  GAS

     Una turbina de gas, es una turbo máquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbo máquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

   Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores  los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.

   Funcionan en un régimen continuo o dinámico basándose  en el Intercambio de Energía en el Teorema Euler:

Ø Térmica: debido a que  el fluido de trabajo es compresible.

Ø -Motora: Pues el fluido cede  energía a la maquina Transformando dicha energía en energía mecánica  en un eje.

Ø -De combustión  interna , dado que  la combustión  se realiza internamente en el fluido

TIPOS  DE TURBINAS  DE  GAS

    Las instalaciones de turbinas de gas pueden ser abiertas o cerradas. En las de tipo abierto, los productos de la combustión fluyen a través de la turbina junto con la corriente de aire. Para diluir los productos de la combustión hasta una temperatura que pueda resistir el rodete de la turbina (649 - 982)ºC, es necesario un elevado porcentaje de aire. Este diseño ofrece las ventajas de requerir un control simple y poseer un sistema hermético.

   Puede diseñarse para altas relaciones peso / potencia y para drenaje sin agua de enfriamiento.
    En las instalaciones de tipo cerrado, los productos de la combustión no pasan a través de las turbinas, sino por un intercambiador de calor. Los gases que atraviesan la turbina trabajan en circuito cerrado y sucesivamente se comprimen, calientan, expansionan, y enfrían. Las instalaciones cerradas permiten quemar cualquier tipo de combustible en el combustor. Sin embargo, se necesita un intercambiador de calor. Este tipo de instalaciones está limitado a las turbinas estacionarias

PARTES DE UNA  TURBINAS  DE  GAS

Una turbina de gas consta básicamente de un compresor de aire, una cámara de combustión o combustor, la turbina y, para mejorar el rendimiento, un regenerador

        El compresor:   Esta ubicado en la sección frontal de la turbina y es el elemento por el cual se introduce en forma forzada el aire desde el exterior. Esta pieza, por la disposición de sus aletas, permite que el flujo sea "aspirado" hacia el interior de la turbina.  Es de flujo axial para grandes turbinas por su elevado rendimiento y capacidad . Para pequeñas turbinas se han usado con éxito compresores centrífugos

La Cámara de Combustión o combustor: Se fabrican de tipo cilíndrico (can type) o en forma de anillo ( annular type). Debe llevar el gas a temperatura uniforme con mínimas diferencias de presión. Generalmente se fabrican metálicos y se enfrían con el aire entrante, pero también se están construyendo de cerámica, para lograr una mayor eficiencia térmica.

   Los regeneradores: Transmiten el calor de los gases de escape del aire de los compresores. Aumentan rendimiento pero también volumen, peso y costo. Debido a su gran tamaño, no son aconsejables para la industria aeronáutica

  Las turbinas Son casi siempre de flujo axial (axial flow) , excepto algunas de pequeñas dimensiones que son de flujo radial (radial flow) dirigido hacia el centro.

La tobera del escape: Para favorecer el constante flujo del aire en el interior de la turbina y poder dirigir efectivamente el aire proveniente de su rueda, se utiliza un aditamento cónico. Esta tobera de escape aumenta considerablemente el empuje del motor.

                          

Accesorios: También posee varios dispositivos auxiliares tales como filtros, dispositivos de regulación de velocidad, de lubricación, de alimentación, del combustor y de puesta en marcha. Estos dispositivos dependen de las características de velocidad y de la relación peso / potencia

                        FUNCIONAMIENTO DE TURBINA DE GAS.

    Se toma aire atmosférico a través de la admisión del compresor desde donde  se envía aire  comprimido a la cámara de combustión (en rojo en la figura) en la cual el combustible entra con un caudal constante y se mantiene en llama continua (Las flechas en el dibujo indican la dirección del flujo). La ignición inicial se obtiene generalmente por medio de una chispa (Dispositivo de puesta en marcha). El aire, calentado en la cámara de combustión o combustor, se expande a través de toberas o paletas fijas y adquiere una elevada velocidad. Parte de la energía cinética de la corriente de aire es cedida a los álabes o cangilones de la turbina. Una fracción de esta energía se emplea para accionar el compresor y el resto para producir trabajo.En la operación de las turbinas de gas se presentan varias limitaciones de índole práctica, las cuales determinan gran parte de la actuación de esta clase de máquinas. Entre estas limitaciones merecen citarse la temperatura y velocidad de los álabes, el rendimiento del compresor, el rendimiento de la turbina y la transferencia de calor (en ciclos con regeneración)

      COMBUSTIBLES: El GAS NATURAL ( una forma primordial del metano) es el combustible ideal para las turbinas de gas. Los aceites ligeros destilados forman un combustible apropiado.                  

Los  combustibles con azufre, sal o vanadio pueden provocar corrosión a menos que sean lavados con agua y se traten las superficies con aditivos anti-corrosivos. También se ha utilizado carbón pulverizado pero no se han obtenido resultados satisfactorios.

        

Ignitor plug: Bujía de encendido.                    Oil return: Retorno.
Burner: Quemador                                                 Air scroll: Cámara de circulacián de aire
Exhaust: Exhosto                                                   Starter motor: Iniciador
Turbine wheels: Ruedas de la turbina           Fuel control: Control de combustible
Turbine nozzles: Toberas                                 Gearbox: Caja de velocidades
Bearings: Cojinetes                                               Air intake: Toma de aire
Oil feed: Alimentación de combustible            Compressor wheel: Rueda del compresor
Combustion chamber liner: Cámara de combustión (recubrimiento)      Diffuser: Difusor

 

El ciclo básico de funcionamiento ideal de las Turbinas de Gas es el Ciclo Brayton, o ciclo Joule,  o ciclo abierto simple no regenerativo.

   Las etapas realizadas en este ciclo son las siguientes:

1-2 Compresión adiabática reversible (isoentrópica). Se realiza en el compresor.

2-3 Combustión a presión constante. Se realiza en la cámara de combustión.

3-4 Expansión adiabática reversible (isoentrópica). Se realiza en la turbina.

4-1 Cesión de calor isobárica . Se realiza en la atmósfera

 h  = 1 - T₂ / T₁                                                   
    = 1 - (V₂ / V₁) ^k-1

    = 1 - 1 / ( p₂ / P₁ )^1-1/h                

                 

P = Presión absoluta
T : Temperatura
V : Volúmenes
K : Cq, Cv.  En este caso (aire) = 1.4

APLICACIONES  DE  TURBINAS  DE  GAS  

Aviación militar: Para helicópteros, aviones de combate o caza bombarderos, aviones de despegue vertical (Harrier V/tol y V/stol) En este caso se buscan turbinas con temperaturas de admisión mas elevada para lograr mas altas velocidades y despegues verticales

·Aviación comercial: Se utilizan aviones de turbina de chorro (turbo-jet) y de turbina de hélice (turbo-fan). En las aerolíneas de carga se emplean turbinas de gran potencia

· Tuberías para transmisión de gas. Es de las industrias que más utilizan turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas superiores  a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz

· Transporte: En barcos, la alta potencia específica de las turbinas de gas permite realizar diseños de altas velocidades. Esto es muy útil para barcos tipo containers, botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. También se usan en ferrocarriles, en locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros, pero solo en los últimos ha representado un cambio significativo.

 AVENTAJAS  TURBINAS   DE  TURBINAS  DE  GAS  

Sobre turbinas de vapor:

- Instalaciones mas compactas

- Menos dispositivos auxiliares

- No necesitan condensador
- No necesitan agua
- Lubricación más simple
- Fácil control
- Cimientos ligeros
- Escape limpio (no necesita chimenea)
- Relación peso / potencia mas pequeña
-No existen limitaciones impuestas por las

Características de las hélices

Sobre motores de émbolo para aviación.

- Empleo de Keroseno o destilados
- Menor peligro de incendio
- No existen fuerzas desequilibradas
- Menos piezas en movimiento
- Facilidad de instalación
- Menor superficie frontal
- Menor peso por H.P.
- Problemas de refrigeración más simples