Segunda Ediciรณn Agosto 2017
Agradecimiento El grupo de trabajo agradece al Profesor Francisco Vargas, por su apoyo, los conocimientos compartidos y su gran motivaciรณn en la asignatura Termodinรกmica.
Contenido El Principio de Funcionamiento
4
Partes de una Turbina de Gas
7
El Principio Teรณricos
14
Historia de las Turbinas de Gas
17
Campos de Aplicaciรณn
21
El Principio de Funcionamiento
E
l principio de funcionamiento de una turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al compresor donde se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con
el
combustible
y
ocurre
la
combustión.
Los gases calientes se expanden
calderas recuperadoras de calor
hasta
(HRSG).
presión
atmosférica
y
producen trabajo en la turbina.
La combustión se lleva a cabo con
El compresor opera con una parte
un alto exceso de aire, por lo que
de la energía que desarrolla la
los gases de escape a la salida de la
turbina
cámara de combustión, con una alta
(aproximadamente
un
65%), y la energía restante, es la
temperatura,
energía mecánica disponible en el
concentraciones de oxígeno (hasta
eje de la turbina.
un 16%).
Un generador eléctrico se conecta al eje
de
la
turbina
y
produce
electricidad. El calor de los gases de
combustión se recupera mediante
poseen
altas
El calor de los gases de combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor
4
La alta temperatura del ciclo se
permitirá una mayor temperatura a
registra en este punto (la salida de
la entrada de la turbina, con una
la cámara de combustión),
relación de presión también mayor.
a mayor temperatura mayor la
Mayor temperatura y relación de
eficiencia
del
ciclo
tecnología
disponible
momento
se
y
con
la
presión resultará en una mayor
hasta
el
eficiencia y potencia.
pueden
lograr
temperaturas de hasta 1300 ºC. Posteriormente,
después
Así la tendencia general en las
turbinas de gas es avanzar en una de
combinación de alta temperatura y
expandirse, los gases de escape
presión.
abandonan
aumentan los costes de fabricación
la
turbina
a
una
Aunque
estos
avances
temperatura entre 450 y 600 ºC.
de la máquina, el alto valor, en
Se debe poner especial atención al
términos de una mayor potencia y
hecho de que los álabes de la
alta
turbina, en el ciclo abierto, se
beneficios económicos netos.
eficiencia,
proporcionará
exponen directamente a los gases de escape por lo que los productos de combustión no deben contener constituyentes
que
causen
corrosión.
Mayor temperatura y relación de presión resultará en una mayor eficiencia y potencia.
A medida que la tecnología avance
5
Las caracterĂsticas de operaciĂłn de las turbinas de gas dependen de las condiciones del aire ambiental, la calidad del combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyecciĂłn de agua y la altitud principalmente. El consumo de combustible puede disminuir precalentando el aire comprimido con el calor de los gases de escape de la turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de compresiĂłn puede reducirse y
la
potencia
aumentar
con
el
uso
de
interenfriamiento
y
preenfriamiento, y los gases de escape utilizarse en un HRSG para producir vapor y generar trabajo en un ciclo combinado.
Turbina de gas para buque
6
Partes de una Turbina de Gas
L
os principales elementos
más
de la turbina de gas son
temperatura y limpieza.
cinco: la admisión de
Para ello cuenta con filtros de
aire, el compresor, la cámara de
varios tipos, que se encargarán de
combustión,
eliminar la suciedad que pueda
la
turbina
de
A continuación se detallan las características
de
presión,
arrastrar el aire; y de una serie de
expansión y el rotor.
principales
adecuadas
de
cada uno de estos elementos.
sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.
Admisión de aire El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos
Compresor de aire
necesarios para que el aire entre
La función del compresor es
en la turbina en las condiciones
elevar la presión del aire de
7
combustión (una vez filtrado)
Una parte del aire del compresor
antes que entre en la cámara de
se utiliza para refrigeración de
combustión, en una relación que
álabes
varía según la turbina pero que
combustión,
normalmente está comprendida
aproximadamente un 50% de la
entre
masa de aire es usado para este
10:1
y
40:1.
Esta
compresión se realiza en varias
y
de
la de
cámara forma
de que
fin.
etapas y consume aproximada-
mente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina. El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación
de las ruedas iniciales de álabes
Cámara de combustión
del compresor. A mayor ángulo,
En ella tiene lugar la combustión
mayor cantidad de aire de entrada
a
al compresor, y por tanto, a la
combustible junto con el aire.
turbina. Este método se usa para
Esta combustión a presión obliga
mejorar
a
el
comportamiento
a
carga parcial de la turbina de gas.
presión
que
el
constante
del
combustible
gas
sea
introducido a un nivel de presión
8
adecuado, que oscila entre 16 y
parte se hace circular por el
50 bar.
interior de los álabes de la
Debido a las altas temperaturas
turbina,
que pueden alcanzarse en la
orificios en los bordes que
combustión y para no reducir demasiado
la
vida
útil
de
los elementos componentes de la cámara,
se
trabaja
con
saliendo
por
crean una película sobre la superficie de los álabes.
un
exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se
consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar
las
partes
más
Turbina de expansión
calientes de la cámara. Parte del
En la turbina es donde tiene
aire que procede del compresor,
lugar la conversión de la energía
se dirige directamente hacia las
contenida
paredes
combustión,
de
la
cámara
de
en
los en
gases forma
de de
combustión para mantener su
presión y temperatura elevada
temperatura
valores
(entalpía), a potencia mecánica
bajos. Otra
(en forma de rotación de un eje).
en
convenientemente
9
Como se ha indicado antes, una
más habitual,
parte
generar vapor en una caldera de
importante
potencia
es
de
esta
absorbida
para
recuperación.
Ese
vapor
directamente por el compresor.
posteriormente se introduce en
Los gases, que entran a la
una
turbina a una temperatura de
consiguiéndose un aumento del
1200-1400ºC y una presión de
rendimiento
10 a 30 bar., salen a unos 450-
incluso superior al 55% (el
600º C. Esa alta temperatura
rendimiento de la turbina de gas
hace
es de 30-35%).
que
contienen
la
energía pueda
que
de
global
vapor igual
o
ser
aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN,
turbina
Otros componentes de la turbina de gas:
que
consiste en utilizar estos gases
Casa de filtros: Se encarga del
para calentar adicionalmente la
filtrado del aire de admisión que
mezcla
de
se introduce al compresor, se
combustión) o bien, como es
componen de 2 primeras fases
en
la
cámara
10
de filtrado grosero, y una última con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede
aplicar
diferentes
tecnologías para aumentar la humedad
y
disminuir
la
temperatura del aire. en los radiales el contacto es Cojinetes: Pueden ser radiales o
directamente sobre el eje y se
axiales,
el
utilizan
el
desplazamiento
según
desplazamiento
sujeten axial
o
2
provocado por el giro del eje. En
ángulo
ambos casos la zona de contacto
vibraciones.
sensores
de
montados
en
para
detectar
esta revestida por un material especial
antifricción
llamado
Sistema de lubricación: Puede
material
Babbit,
cual
se
contener hasta 10.000 litros de
encuentra su vez lubricado. En
aceite en grandes turbinas de
los cojinetes axiales el contacto
generación eléctrica, su misión
se realiza en un disco anillado al
es
eje y se montan con un sensor de
mantener una película de aceite
desplazamiento longitudinal, y
entre
el
tanto el refrigerar los
mecanismos
como en
11
contacto.
El
sistema
de
lubricación suele contar con
con un sistema contraincendios y de ventilación.
una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra eléctrica y
Bancada:
Se
otra de emergencia, aunque en
cemento
para
grandes turbinas desaparece la
estructura de la turbina, con
turbina
una cimentación propia para
mecánica
por
una
turbina eléctrica extra. Entre
que
sus
vibraciones
componentes
principales
no
se
construye
en
soportar
la
transmitan
las
propias
del
están el sistema de filtros, el
funcionamiento de la turbina al
extractor de vahos inflamables,
resto de los equipos de la planta.
refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.
Virador:
El
sistema
virador
consiste en un motor eléctrico o Recinto
acústico:
Recubre
hidráulico
(normalmente que
hace
el
todos los sistemas principales de
segundo)
girar
la turbina, y su función es
lentamente la turbina cuando
aislarla de las inclemencias del
no esta en funcionamiento. Esto
tiempo y a su vez aislar al
evita que el rotor se curve,
exterior del ruido. Debe contar
debido a su propio peso o por
12
expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna
razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
13
Principios Teóricos e puede decir que antes del año 1940 todas las máquinas térmicas de
S
combustión interna eran del tipo alternativo: émbolo, biela y cigüeñal. Recién, hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de
compresores rotativos de alto rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campo de la metalurgia, que permitieron la fabricación de aceros refractarios capaces de resistir altas temperaturas, se posibilitó el desarrollo de las turbinas a gas. Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la turbina a gas alcanzó su máxima difusión y desarrollo tecnológico. En el año 1873 George Brayton (1830 – 1892) (Figura 3) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva George Brayton
su nombre que originariamente se desarrolló
empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas.
14
Si
bien
ciclo
Los ciclos de las turbinas de gas
termodinámico, en realidad el fluido
reales son ciclos abiertos, porque
de trabajo no realiza un ciclo
continuamente se debe alimentar
completo dado que el fluido que
aire nuevo al compresor. Si se
ingresa es aire y el que egresa son
desea examinar un ciclo cerrado,
gases de combustión, o sea en un
los productos de la combustión que
estado diferente al que se tenia
se han expandido al pasar por la
cuando se inició el proceso, por eso
turbina
se dice que es un “ciclo abierto”.
intercambiador de calor, en el que
Las turbinas a gas son máquinas
se desecha calor del gas hasta que
térmicas rotativas de combustión
se alcanza la temperatura inicial. El
interna
ciclo cerrado de la turbina de gas
esquema
se
a
le
flujo se
llama
continuo
representa
cuyo en
la
deben
pasar
por
un
se muestra en la Figura 2.
Figura 1.
Figura 1
Figura 2
15
En el análisis de los ciclos de
En el ciclo Brayton se supone que
turbinas
conviene
los procesos de compresión y
comenzar usando un ciclo con aire
expansión son isoentrópicos y que
normal. Un ciclo de turbinas de gas
los de suministro y extracción de
con aire normal y de compresión y
calor ocurren a presión constante.
expansión isoentrópicas se llama
La Figura 3 muestra Pv y Ts de este
ciclo Brayton. En él se tiene que
ciclo idealizado.
de
gas,
sustituir el proceso real de la combustión por un proceso de suministro de calor. El uso del aire como único medio de trabajo en todo el ciclo es un modelo bastante aproximado, porque es muy común
Figura 3
que en la operación real con hidrocarburos
combustibles
corrientes se usen relaciones airecombustible relativamente grandes,
por
lo
menos
50:1
aproximadamente en términos de la masa.
16
Historia de las Turbinas a Gas
E
l ejemplo más antiguo de la propulsión por gas puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 A.C.. Hero
inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido. Hero en 150 A.C.
En 1232, los chinos utilizaron cohetes para asustar a los soldados enemigos. Alrededor de 1500 D.C., Leonardo Davinci dibujó un esquema de un dispositivo que rotaba debido al efecto de los gases calientes que subían por una chimenea. El dispositivo debería Dispositivo Leonardo Davinci
rotar la carne que estaba asando.
17
En 1629 otro italiano desarrolló un dispositivo que uso el vapor para rotar una turbina que movía maquinaria. Esta fue la primera aplicación práctica de la turbina de vapor. En 1678 un jesuita llamado Ferdinand
Primera aplicación turbina de vapor
Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor
de agua para movilizarse.
Vehículo con vapor de agua
La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés llamado John Barber. Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban
un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto Turbina de John Barber
punto del proceso.
18
En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas.
Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales
Turbina de Stolze
mayoría de los proyectos. Su desarrollo
en los años 1900.
más
notable
fue
el
turbo
supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una
rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible
Turbina de gas de Charles Curtis
En 1914 Charles Curtis aplicó para la
construir las primeras turbinas de gas
primera patente en los Estados Unidos
confiables. En los años 30, tantos
para una turbina de gas. Esta fue
británicos como alemanes diseñaron
otorgada
mucha
turbinas de gas para la propulsión de
controversia. La Compañía General
aviones. Los alemanes alcanzaron a
Electric
de
diseñar aviones de propulsión a chorro
turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero
y lograron utilizarlos en la 2° guerra
llamado Stanford Moss
mundial. La primera turbina de gas
pero comenzó
generó su
división
dirigió la
19
para una planta generadora de energía
empresas
eléctrica fue instalada en 1949 en
eléctrica están empleando Turbinas de
Oklahoma como parte de una planta
gas para producción de potencia base
de energía de ciclo combinado. Fue
así como picos. Una turbina de gas
construida por la General Electric y
fabricada por General Electric al
producía 3.5 MW de potencia. Las
principio de 1990 (Figura 14) tenia una
turbinas
instaladas hasta
razón de presiones de 13.5 y generaba
mediados de 1970 sufrían de baja
135.7 MW de potencia neta con una
eficiencia y escasa confiabilidad. En el
eficiencia térmica de33 % en operación
pasado, la generación de potencia
de ciclo sencillo. Una turbina de gas
eléctrica
estaba
fabricada mas reciente por General
plantas
Electric utiliza una temperatura de
generadoras a carbón y nucleares. Sin
entrada a la turbina de 1425 ºC y
embargo,
cambio
produce hasta 282 MW mientras logra
histórico hacia las turbinas de gas
una eficiencia térmica de 39.5 % en
impulsadas por gas natural debido a
modo de ciclo sencillo.
dominada
de
gas
para por ha
carga
base
grandes habido
un
productoras
de
energía
sus mayores eficiencias, menores costos de capital, tiempos más cortos de instalación y mejores características de
emisiones, y por la abundancia de suministro de gas natural; más y más Turbina de gas de General Electric
20
Campos de aplicación Aplicación de las turbinas de a gas en la generación eléctrica Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque, aproximadamente dos minutos para
arrancar a plena carga. Se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.
También la generación de electricidad se puede realizar mediante calderas y turbinas de gas.
• Un caso especial de este tipo de generación es el del vertedero controlado de Bouqueval/Plessis-Gassot, el cual se encuentra a unos 20km al norte de París.
21
• La producción total de biogas se eleva a 13.000 m3/hora, de los que se valorizan 10.000 m3 para producir 10 MW/hora de electricidad, es decir, el consumo medio de una ciudad de 30.000 habitantes.
Tras su captación y control, los 10.000
• Este vapor pone en marcha la turbina
m3 de biogás que se producen en el
que gira a 7.500 rpm, conectada a su
vertedero controlado de Bouqueval se
vez a un alternador que, produce cerca
queman en tres calderas .
de 20.000 voltios de electricidad.
• Los quemadores de estas calderas se
adaptan
automáticamente
a
la
cantidad y a la calidad del biogás entrante, es decir, a su contenido en metano . • Cada una de las calderas suministra
30 toneladas de vapor a 380 ° C, a una presión de 40 bars.
22
Sus aplicaciones son muy variadas,
han
siendo su campo de aplicación el más
exigencias
amplio entre los motores térmicos.
posibilidad de aprovechar el calor de los
Inicialmente se utilizaron para la
gases de escape para producir vapor
realización
aprovechable en la industria como
de
Posteriormente campo
de
la
trabajo se
mecánico.
trasladaron
aeronáutica
tratado de
de
adaptarse ese
a
las
mercado.
La
al
energía térmica o para producir más
como
energía eléctrica (en los denominados
elemento propulsor, sobre todo a partir
ciclos
combinados
gas-vapor)
han
de la segunda guerra mundial. Más
provocado una auténtica revolución en
tarde se utilizaron como elemento
el mercado de la generación eléctrica,
motor para la generación de energía
donde la turbina de vapor ha sido la
eléctrica, aplicación para la que se han
reina indiscutible durante muchos años.
desarrollado modelos específicos que
Aplicación de las turbinas de a gas en la cogeneración (Calor - Energía eléctrica) Los sistemas de cogeneración son sistemas de producción conjunta de electricidad (o energía mecánica) y de energía térmica útil (calor) partiendo de
un único combustible. El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración de electricidad calor, las cuales funcionan con turbinas o motores de gas.
23
aprovechamiento electricidad
y
simultáneo calor
favorezca
de la
obtención de elevados índices de ahorro energético, así como una disminución importante de la factura energética, sin En un proceso de cogeneración, el calor
alterar el proceso productivo, ahorro
se presenta en forma de vapor de agua
energético
a alta presión o en forma de agua
notablemente si se utilizan energías
caliente. Por ejemplo, se puede utilizar
residuales.
el vapor caliente que sale de una
En una central eléctrica tradicional los
turbina de producción de energía
humos
eléctrica, para suministrar energía para
chimenea, mientras que en una planta
otros usos. Hasta hace poco lo usual
de cogeneración los gases de escape se
era dejar que el vapor se enfriara, pero
enfrían transmitiendo su energía a un
con esta técnica, con el calor que le
circuito de agua caliente/vapor. Una vez
queda al vapor se calienta agua para
enfriados los gases de escape pasan a la
distintos usos.
chimenea.
salen
que
se
incrementa
directamente
por
la
El aprovechamiento del calor residual, los sistemas de cogeneración presentan
rendimientos globales del orden del 85%,
lo que
implica
que
el
24
Las centrales de cogeneración de electricidad-calor pueden alcanzar un rendimiento energético del orden del 90%.
El
ecológico,
procedimiento
ya
que
es
durante
más
la
combustión el gas natural libera menos dióxido de carbono (CO2) y óxido de nitrógeno (NOX) que el petróleo o el carbón.
El
desarrollo
de
la
cogeneración podría evitar la emisión de 127 millones de toneladas de CO2 en la UE en 2010 et de 258 millones de toneladas en 2020, ayudando a cumplir los objetivos fijados en el Protocolo de Kioto.
Las aplicaciones de la cogeneración varían significativamente entre países y
regiones del mundo. Esta diferencia se debe,
en
parte,
a
las
condiciones
climáticas
económicos,
como
condiciones
de
diferentes y
marcos
también
mercado
a
las
para
la
cogeneración.
Además, son cada vez más numerosas las aplicaciones que se le está dando a esta técnica, tanto en usos industriales, como en hospitales, hoteles, etc.
25
Las aplicaciones de tecnologías de
dependiendo
cogeneración no se limitan únicamente
requerida en la instalación. A pesar del
al sector industrial, pues están siendo
mayor rendimiento, es ineludible para
ampliamente utilizadas en servicios
ello consumir en grandes cantidades en
públicos como en el sector residencial.
combustible primario, sea gas natural,
El sector residencial y los edificios
gasoil u otros. Por ello, cualquier
presentan un inmenso potencial para
mejora porcentual de la eficiencia en
cogeneración, pues se caracterizan por
estos procesos, supone importantes
una gran demanda de calor/frio, ya que
ahorros de combustible primario.
mayores ingresos implican mayores
En los sistemas con turbina de gas se
demandas de confort térmico.
quema
La cogeneración permite a la industria
turbogenerador, cediendo parte de su
generar calor (y opcionalmente frío)
energía para producir energía mecánica.
para sus procesos, conjuntamente con
Su rendimiento de conversión es inferior
energía eléctrica, obteniendo de todo
al de los motores alternativos, pero
ello un rendimiento energético mayor
presentan la ventaja de que permiten
que generando calor y electricidad de
una recuperación fácil del calor, que se
forma separada. La combustión se
encuentra concentrado en su práctica
puede llevar a cabo en Turbinas de Gas
totalidad en sus gases de escape, que
o
está
en
Motores
Alternativos,
del
tipo
combustible
a
una
y
potencia
en
temperatura
un
de
26
unos 500ºC, idónea para producir vapor en un generador de recuperación.
Aplicación de las turbinas de a gas en la trigeneración (Calor - Frio - Energía eléctrica) Se define trigeneración como la producción conjunta, de electricidad, calor y frío, a partir de un único combustible. Básicamente, una planta de trigeneración es sensiblemente igual a una de Cogeneración a la que se le añade un sistema de producción de frío.
27
Un
sistema
de
trigeneración
se
requieren importantes cantidades de
consigue al acoplar un sistema de
calor en forma de vapor o agua caliente,
cogeneración por motor térmico o por
frío o energía eléctrica.
turbina, junto con una máquina de
Los sistemas de trigeneración permiten
absorción destinada a refrigerar agua
su viabilidad técnica y económica en
utilizando la energía térmica contenida
centros no consumidores de calor pero
en el agua de enfriamiento y/o los gases
sí de frío, generalmente relacionados
de escape del elemento motriz del
con procesos industriales. Asimismo,
alternador eléctrico.
permite la utilización en el sector terciario (hoteles, hospitales, centros comerciales, etc.) donde además de calor se requiere frío para climatización y que debido a la estacionalidad de estos consumos, calor en invierno y frío en verano, impedía la normal operación de una planta de cogeneración. Al
Las plantas de trigeneración, debido a
aprovecharse el calor también para la
su alto rendimiento, posibilitan una
producción de frío, permite una mayor
gran reducción del coste energético de
estabilidad en el aprovechamiento del
los procesos productivos allí donde se
calor.
28
La colocación de una máquina de
Vapor a baja presión, producido con:
absorción permite disponer de una
➢Intercambio con los gases de escape
curva
más
de
año,
cogeneración.
de
demanda
homogénea
a
lo
térmica
largo
del
la
turbina
o
del
motor
de
permitiendo aumentar el tamaño y funcionamiento de la instalación de cogeneración. En los proyectos de trigeneración, el calor necesario para activar el ciclo de refrigeración
por
absorción
puede
obtenerse de simple, doble y dual
Doble efecto:
efecto. Alguno de estos ejemplos se
Gases de escape procedentes de:
ilustran a continuación:
➢Directamente de motores térmicos o turbinas.
Simple efecto: Agua caliente procedente de: ➢Enfriamiento
del
motor
de
cogeneración. ➢Intercambio con gases de escape de la turbina o del motor de cogeneración.
29
Sistema dual (doble más simple efecto):
de manera continua en su proceso
Trigeneración
productivo.
con
enfriadora
dual
accionada por gases de escape y agua
Disponibilidad de combustible de alta
caliente simultáneamente. Gases de
calidad.
escape y agua caliente procedentes de:
Poseen un calendario de producción
➢La
combustión
endotérmicos
y
de de
su
motores
continuo entre 4500 a 5000 horas de
circuito
producción por año.
hidráulico de enfriamiento de camisas,
Espacio
suficiente
y
legalización
culatas y aceite.
necesaria para colocar equipos de grandes dimensiones. En la práctica podemos encontrar empresas
que
cumplen
con
estos
requisitos, tales como las empresas de la industria agropecuaria y agrícola; las En términos generales son usuarios de
industrias que producen papel y cartón;
plantas
empresas
de
trigeneración
aquellas
refinadoras
de
petróleo;
empresas que reúnen los siguientes
empresas relacionadas al sector químico
requisitos:
y cerámico y también son ampliamente
Requieren suministro de calor, frio y
usadas en empresas de transporte
electricidad
refrigerado.
al
mismo tiempo y
30
Aplicación de las turbinas de a gas en el transporte (Aéreo - Terrestre - Marítimo) Aplicaciones en el sector terrestre Dentro de muy pocos años, y ésta es la creencia de los ingenieros automovilistas, el automóvil corriente se impulsará por medio de un motor de turbina de gas. Los ingenieros británicos se muestran especialmente activos en
la construcción de turbinas pequeñas de esta clase. Dos de ellas, lo suficientemente pequeñas para albergarse bajo el cofre de un auto, se encuentran ahora en su período de pruebas en Inglaterra.
Colin Chapman se le ocurrió la genial idea de probar una pequeña turbina para helicópteros en el chasis de un F1 de competición, idea que ya habían puesto en práctica en América, probándose con éxito en los peraltes de Indianápolis en 1967.
31
El Volvo ECC es un prototipo de automóvil construido por el fabricante sueco de automóviles Volvo en 1992, el nombre ECC significa "Enviromental Concept Car". Se trataba de un ejercicio de diseño en el uso de material reciclado. Era alimentado por un motor híbrido eléctrico de 53 CV y un
motor de turbina de gas de 56 CV. Gran parte de sus componentes fueron reutilizados en el Volvo S80, el ECC tenía transmisión automática de 2 velocidades, aceleraba de 0 a 100 km/h en 13 segundos y alcanzaba una velocidad máxima de 175 km/h.
32
Volvo ECC
Aplicaciones en el sector aéreo: Un motor aeronáutico o motor de aviación es aquel que se utiliza para la propulsión de aeronaves mediante la generación de una fuerza de empuje. Este tipo de motores usan una turbina de gas para producir potencia a lo largo
de su estructura, sea para aumentar la potencia del flujo que pasa a través
Motor aeronáutico
33
de ellos que para aprovechar su
elevadas temperaturas y condiciones de
derivación de potencia para mover un
operación muy diferentes en cuanto a
mecanismo (eje).
altitud, rendimiento, velocidad interna
El funcionamiento de estos motores es
de los mecanismos y durabilidad de las
relativamente más simple que el de los
piezas.
motores recíprocos, sin embargo las
Un ejemplo muy particular es el
técnicas de fabricación, componentes y
turborreactor, el cual se refiere a un
materiales son mucho más complejos
tipo de motor de turbina de gas
ya
desarrollado
que
están
expuestos
a
originalmente
34
para aviones de combate durante la Segunda Guerra Mundial en los que una turbina de gas aumenta el flujo de aire que, al ser expelido por una tobera de escape con mayor potencia y temperatura, aportan la mayor parte del empuje del motor, impulsando la aeronave hacia adelante.
Aplicaciones en el sector marítimo Las turbinas de gas han dominado el sector de propulsión de buques militares desde hace bastantes años, sin embargo en años más recientes también
han
incrementado
su
aplicación
en
buques
civiles,
principalmente en grandes cruceros y ferries de alta velocidad.
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Las ventajas e inconvenientes que
cual
poseen las turbinas de gas como
militares de tamaño mediano, como
máquinas
pueden
para
la
propulsión
de
buques, han hecho que sean más adecuadas buques
para ser
militares
corresponde ser
con buques
destructores,
fragatas,
corbetas, etc.
utilizadas en
respecto
a
su
aplicación en buques civiles.
Buque Militar
El inconveniente principal de las
turbinas de gas ha sido su baja Las principales ventajas de las turbinas
eficiencia energética, es decir elevado
de gas son su elevada potencia en
consumo de combustible en relación
relación a su tamaño y peso. Lo cual
con la potencia producida, además de
las
para
la imposibilidad de usar combustibles
propulsión de buques rápidos y con
pesados con Heavy Fuel Oil, de bajo
espacio
precio y que por ello se utilizan con
hace
muy limitado
indicadas para
albergar
máquinas voluminosas y pesadas,
lo
profusión en buques civiles. Estos
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inconvenientes han
impedido que
actualidad es incorporar motores diésel
pudiera competir con los motores diésel
de
salvo excepciones muy particulares.
aunque de cuatro tiempos, aunque
También
el
anteriormente se utilizaban también
es
turbinas de gas, generalmente de
tan
menor potencia. Para la obtención de
determinante como en un buque civil
altas velocidades se recurre a las
donde
explotación
turbinas de gas de gran potencia, las
económica del mismo, y que dan razón
cuales se pondrían en marcha solo
de ser al propio buque.
cuando sea necesario. Las plantas
en
consumo
de
importante,
En
buques
se
buques
militares
combustible aunque
busca
la
militares
no
la
solución
cuatro
combinadas
pueden
tiempos,
ser:
COGAG,
adoptada con más frecuencia es la de
CODOG, CODAG, CODLAG, entre
plantas
otros.
combinadas,
básicamente
consiste en combinar dos tipos de máquinas, una para velocidades de crucero con consumos de combustible reducidos, y otra para altas velocidades que es necesario disponer de mucha
En buques militares la solución adoptada con más frecuencia es la de plantas combinadas
más potencia. Para la velocidad de
Las Turbinas de Gas marinas pueden
crucero, lo más frecuente en la
diferenciarse en dos tipos principales;
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las Turbinas de Gas Industriales
Centrándonos pués en las turbinas de
(usadas en Gas Industriales
(usadas
gas aeroderivadas, los fabricantes más
en plantas de generación eléctrica en
populares en la actualidad son General
tierra, en ciclos combinados, etc.), y las
Electric y Rolls Royce, quienes están
Turbinas
recibiendo la mayor parte de los
de
desarrolladas
Gas
Aeroderivadas,
inicialmente
para
encargos a través de los diferentes
propulsión aeronáutica y que son
modelos que tienen en producción:
posteriormente
para
General Electric Company, también
adaptarlas al uso en los buques, su más
conocida como GE, es en la actualidad
elevado
y
una empresa pública Estadounidense,
superiores prestaciones las convierte en
fundada originalmente en 1892 por
las candidatas más adecuadas para su
Thomas Edison junto con otras tres
aplicación en buques militares.
personalidades. Actualmente es una
marinizadas
desarrollo
tecnológico
multinacional
Los fabricantes más populares en la actualidad son General Electric y Rolls Royce
compuesta
por
un
conglomerado de empresas subsidiarias que operan en diferentes industrias. Entre los modelos de Turbinas de Gas marinas que tiene actualmente en su
catálogo se pueden observar en la siguiente cuadro.
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Rolls Royce PLC es una empresa
Entre los modelos de Turbinas de Gas
subsidiaria de Rolls-Royce Holdings
marinas que tiene actualmente en su
plc, empresa pública limitada con sede
catálogo están las siguientes: AG9140,
en el Reino Unido. Tiene su origen en
MT7, MT30, MT50, RR4500, Spey
1904 siendo fundada por Charles Rolls
SM1A and improved SM1C, Olympus
y Henry Royce para la fabricación de
TM1, TM1A and improved TM3B,
automóviles,
de
Tyne RM1A and improved RM1C y
automóviles Rolls Royce y Bentley
WR-21, entre otros. Las condiciones de
fueron vendidas a BMW y Volkwagen
desempeño del modelo WR-21 se
respectivamente. Rolls Royce PLC es
muestran en la siguiente figura.
las
divisiónes
en la actualidad una empresa de ingeniería británica especializada en turbinas, particularmente motores de
avión, añadido
aunque
recientemente
propulsores
marinos
ha y
sistemas energéticos a su catálogo, proveyendo
un
servicios
productos
y
amplio
rango
de
industriales,
civiles y militares.
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