1. Introducción a las turbinas de gas

¿Qué dice la 3ª ley de Newton? A toda fuerza de acción se opone otra de igual magnitud pero de sentido contrario. Principio de acción-reacción.

Convergente y divergente

Todo fluido al pasar a través de un estrechamiento experimenta un aumento de velocidad y una disminución de la presión (tobera). Cuando el fluido sale de la zona convergente, su presión aumenta y su velocidad disminuye (difusor).

Ventajas

• Ausencia de vibraciones de baja frecuencia.
• Mejor relación peso-potencia.
• Menos vibraciones y más fiabilidad.

Desventajas

• Parte de sus componentes están sometidos a grandes esfuerzos.
• Grandes cantidades de aire.
• Los gases de exhaustación están a temperaturas muy altas.
• Sistema de control complejo.
• Necesidad de estación de mantenimiento.

¿Cuáles son los componentes básicos de una turbina de gas? Compresor, cámara de combustión, sección de turbinas, sección de transmisión de accesorios.

¿Cuál es la misión de un compresor? Suministrar la mayor cantidad de aire a alta presión que pueda ser calentado, en el volumen limitado de la cámara de combustión, y luego expandido a través de la turbina.

Una T.G. es una máquina… de combustión interna a presión constante.

Los dos tipos básicos de compresores son: de flujo axial, de flujo radial o centrífugo.

Un compresor en el que el aire circula entrando paralelo al eje del rotor y evacua perpendicular al mismo, ¿qué tipo de compresor es? De tipo radial o centrífugo.

¿A qué se denomina etapa de un compresor? Sucesión de una corona de paletas móviles y otra de paletas fijas.

¿Cuál es la misión de las paletas móviles en un compresor axial? Producir la presión requerida por la turbina.

Definir qué es una tobera. Es un conducto construido de forma que pueda obtener energía cinética a expensas de otras formas de energía.

Definir qué es un difusor. Es un conducto que tiene una construcción inversa al de la tobera; a expensas de la energía cinética se obtiene un aumento de presión.

Si mantenemos constante la temperatura de un gas y aumentamos su presión, ¿qué le sucede a su volumen? Disminuye el volumen: Ley de Boyle.

Si mantenemos constante la presión de un gas y aumentamos su temperatura, ¿qué le ocurre a su volumen? Aumenta el volumen: Ley de Charles.

2. El compresor y la cámara de combustión

¿Dónde descarga el aire del compresor? En la cámara de combustión.

¿A qué se denomina etapa de una turbina? Una sucesión de una corona de paletas fijas y otra corona de paletas móviles.

¿Cómo se lleva a cabo la compresión en un compresor de flujo axial? El aire es comprimido a lo largo del eje de la turbina, alternativamente, por medio de una serie de paletas móviles y paletas fijas.

¿Cómo se pueden construir los compresores de flujo axial? De discos, de tambor y de carrete (combinación de ambos).

Ventajas de un compresor de flujo axial

• Altas cotas de rendimiento.
• Área de aspiración pequeña.
• Pérdida inapreciable entre etapas.

Describir el funcionamiento de un compresor de flujo radial. Aspira aire por el centro, y por medio de la fuerza centrífuga lo descarga por su periferia, radialmente.

Ventajas de un compresor de flujo radial

• Gran aumento de presión por etapa.
• Simplicidad de construcción.
• Bajo coste inicial.
• Les perjudica muy poco la aspiración de materias raras.
• Ocupan una longitud menor que la del compresor axial.

Desventajas del compresor radial

• Área frontal de aspiración grande.
• Gran pérdida de presión entre etapas.

¿Qué procesos se desarrollan en el interior de la cámara de combustión? Formación de la mezcla, ignición de la mezcla, propagación de la llama, auto-sustentación de la combustión, enfriamiento de los gases.

¿Cuál es el componente de mayor rendimiento de una T.G.? La cámara de combustión.

¿Para qué se emplea el aire primario? Para la combustión, que es el 25% del aire comprimido.

¿Para qué se utiliza el aire secundario? Para centrar la llama, enfriar los gases de la combustión a una temperatura adecuada para la turbina de potencia, que es el 75% del aire restante.

Enumerar los tipos de cámaras de combustión utilizadas en las T.G. Tipo anular, tipo tubular o can, tipo tubular-anular.

¿En qué consiste una cámara de combustión tipo tubular? Envoltura exterior, camisa perforada, tapa frontal, conducto difusor.

¿En qué consiste una cámara de combustión tipo anular? Envoltura exterior, camisa exterior, camisa interior, domo, cono difusor.

¿Qué tipo de compresores se adapta mejor a la cámara de combustión tubular y a la anular? Para la tubular, radial; para la anular, axial.

¿Cuál es la función de la turbina de alta presión? Mover el compresor y sus accesorios.

3. Tipos de turbinas y ciclo Brayton

Las T.G., según su forma de funcionamiento, ¿cómo se dividen? Turbinas de acción, reacción, y de acción-reacción.

¿Cómo son impulsadas las paletas móviles de las turbinas empleadas en las T.G.? Por una combinación de fuerzas de acción y reacción.

En una turbina de eje partido, ¿qué tipo de conexión existe entre la sección del generador de gas y la sección de la turbina de potencia? Conexión aerodinámica.

Cuando en una turbina obtenemos trabajo mecánico expandiendo los gases en las paletas fijas, estamos hablando de una turbina de: acción.

Cuando en una turbina obtenemos trabajo mecánico expandiendo parte de los gases en las paletas fijas y parte en las paletas móviles, estamos hablando de una turbina de: reacción.

En una instalación de T.G., el 75% de la potencia se usa para mover el compresor y la sección de accesorios, y el resto de la potencia, un 25%, se usa para la potencia de propulsión. Las turbinas de gas funcionan según el ciclo Brayton, en el cual son máquinas de combustión interna a presión constante.

¿Qué ocurre con un fluido en una tobera? – Presión, + Velocidad, + Volumen.

¿Qué ocurre con un fluido en un difusor? + Presión, – Velocidad, – Volumen.

¿Cuál es el aumento de presión por etapa de un compresor de flujo axial? 1,2:1

¿Cuáles son los factores que influyen en el funcionamiento de la turbina? La humedad, el ambiente salino, el azufre presente en los combustibles, el aceite tipo sintético, el polvo y los objetos extraños, el exceso de revoluciones y las sobretemperaturas.

¿Qué debemos hacer para eliminar de forma efectiva los depósitos de sal, suciedad, aceites, humedad, etc., en el interior de las T.G.? Estas se deben lavar con agua y detergentes.

Descripción del ciclo teórico: El ciclo básico de una turbina es una compresión isentrópica, adición de calor a presión constante, expansión calorífica isentrópica y expulsión de calor a presión constante.

Definición del ciclo Brayton: Aspira el aire a presión atmosférica y volumen constante, en el compresor aumenta su presión y temperatura y disminuye su volumen, en la combustión la presión es constante, aumenta la temperatura y el volumen, en la turbina se expansionan los gases, esta transforma la energía térmica y cinética en trabajo mecánico, en ella aumenta el volumen, disminuye la presión y la temperatura, los gases son evacuados a través de la exhaustación con un aumento de volumen y a presión constante.

4. Ventajas, desventajas y requisitos

Ventajas de las turbinas de gas

• Simplicidad.
• Alta relación potencia-peso.
• Funcionamiento con un combustible menos peligroso y más barato.
• Suavidad de funcionamiento.
• Ausencia de vibraciones de baja frecuencia.
• Coste por caballo de potencia en su instalación inicial.
• Economía de combustible.
• Rapidez de entrada en servicio.

Desventajas de las turbinas de gas

• Parte de sus componentes están sometidos a grandes esfuerzos.
• Grandes cantidades de aire.
• Los gases de exhaustación están a temperaturas muy altas.
• Sistema de control complejo.
• Necesidad de estación de mantenimiento.
• Alto nivel de ruido.

¿Cuál es la misión de un compresor? Suministrar la mayor cantidad de aire a alta presión que pueda ser calentado, en el volumen limitado de la cámara de combustión, y luego expandido a través de la turbina.

Ventajas de un compresor de flujo axial

• Altas cotas de rendimiento.
• Área de aspiración pequeña.
• Pérdida inapreciable entre etapas.

Ventajas de un compresor de flujo radial

• Gran aumento de presión por etapa.
• Simplicidad de construcción.
• Bajo coste inicial.
• Les perjudica muy poco la aspiración de materias raras.
• Ocupan una longitud menor que la del compresor axial.

Descripción del ciclo teórico: El ciclo básico de una turbina es una compresión isentrópica, adición de calor a presión constante, expansión calorífica isentrópica y expulsión de calor a presión constante.

Requisitos de una cámara de combustión

• Estabilidad de la combustión.
• Rendimiento máximo de la combustión.
• Uniformidad en la distribución de temperaturas a la entrada de la turbina.
• Pérdidas mínimas de presión.
• Combustión continua.
• Durabilidad.

Misión de la cámara de combustión: Quemar grandes cantidades de combustible, suministrado por medio de toberas atomizadoras, con un gran volumen de aire suministrado por el compresor y liberar el calor, de manera tal que el aire es expandido y acelerado para proporcionar un flujo suave de gas uniformemente calentado, a cualquier régimen de funcionamiento de la turbina.