Ensayo de turbina eléctrica tipo FRANCIS

Electrónica. Freno de Prony. Instalación. Máquinas térmicas. Ciclo de Brayton. Regenerador. Gas

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  • Idioma: castellano
  • País: Argentina Argentina
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Objeto del ensayo: Consiste en determinar el rendimiento de la turbina utilizando el método directo. A tal fin, se determinará la potencia útil en el eje mediante el “Freno de Prony”, y se calculará la potencia suministrada a la turbina considerando la presión y el caudal de agua entregados a la misma.

Croquis de la instalación:

Ensayo de turbina eléctrica tipo FRANCIS

Freno de Prony:

Peso muerto = 6,5kg. Peso neto = 6,5kg. Total = 13kg.

Valores observados:

Caudal = 185m3/h Manómetro = 5,8m.c.agua

Vacuómetro = 4,1m.c.agua Veloc. en el eje = 720 r.pm

Determinación de potencias y rendimientos.

PTurb. HP = Q[m3 / h] x H(manómetro)[m.c.agua] x 1000[l / m3] x γ [kg. / 1l]

3600[seg. / h] x 75[kgm / seg.] x 1[1 / HP]

PTurb. HP = 1 x 185 x 9.9 =

3,6 x 75

PInst. HP = 1 x 185 x 12,65 =

3,6 x 75

P Útil en el = 1 x 6,5kg x 720rpm =

eje de Prony 1000

Turb. = PÚtil = 4,68 HP =

PTurb. 6,78 Hp

Inst. = PÚtil = 4,68 HP =

PInst. 8,66 Hp

Para otros estados de carga.

Peso neto = 8,5kg. Caudal = 190m3/h Manómetro = 6m.c.agua

Vacuómetro = 4m.c.agua Veloc. en el eje = 600 rpm

P Turb. HP =

P Útil HP =

% =

Peso neto = 3,5kg. Caudal = 160m3/h Manómetro = 6,2m.c.agua

Vacuómetro = 4,2m.c.agua Veloc. en el eje = 800 rpm

P Turb. HP =

P Útil HP =

% =

Primera visita al Laboratorio de Máquinas Térmicas:

Introducción:

En la primer visita al laboratorio de maquinas térmicas (ubicado frente al patio sur del establecimiento), realizada el día 19 de septiembre de 2000; fuimos guiados por el ingeniero Alvarez, a una recorrida por el mismo dándonos ideas de funcionamiento, rendimientos, usos, desusos y pequeñas reseñas históricas que encaminaron el desarrollo de estas maquinas las cuales se pueden estudiar para basarse en las actuales maquinas modernas de gran potencia y mayor tecnología (nuevos materiales de construcción, electrónica aplicada en ciertos aspectos, etcétera).

En base a esta visita se desarrolla el siguiente informe:

Desarrollo de la visita:

Comenzamos con una pequeña reseña histórica que nos hace notar una gran división que genera el hombre, llamada por Alvarez como primer revolución industrial, y trata del cambio que provoca reemplazar la fuerza muscular del mismo individuo o de bestias de carga por maquinas de vapor.

El hombre a partir de allí, comienza a desarrollar maquinas que aprovechasen el recurso de calentar vapor e inyectarlo a presión dentro de un pistón, al variar ésta (presión) generaba un movimiento lineal que en las primeras maquinas desarrolladas en el siglo XVIII era regulado manualmente por un volante, éste lo que regulaba (valga la redundancia) era la velocidad del pistón, actualmente se utilizan los reguladores de watt; que son de orden mecánico y mantienen constante el numero de revoluciones por minuto (R.P.M.) conseguidas por el eje de la rueda adosada al pistón.

Para conseguir el vapor que se utilizaría luego en las maquinas, se quemaban combustibles que iban desde leña (o carbón vegetal) hasta petróleo, el cual tomará un papel muy importante en el desarrollo de la industria en general y de estos motores, que transforman la energía entregada por el combustible al reaccionar, en energía de movimiento, un movimiento de ida y vuelta, que luego sería aprovechado para generar movimientos giratorios, transmisibles a ejes de generadores eléctricos, molinos y una variedad importante de usos.

Es así como aparecen maquinas denominadas monocilíndricas:

Maquinas monocilíndricas:

El ingeniero Alvarez nos muestra una estas de estas maquinas existentes en el laboratorio, explicando que utilizan un único pistón, y que logran el vapor de agua por medio de la quema de combustibles; una de ellas lo hace particularmente con gas metano (el que burdamente se conoce como gas común, envasado en garrafas). Por medio de un brazo transmite el movimiento del pistón, que es accionado por el vapor, a una rueda, el movimiento de la misma es aprovechado para generar aire comprimido hacia un recipiente contenedor.

Utiliza el ya nombrado regulador de watt, aunque nos da la opción de regular la entrada de vapor manualmente por medio de un volante. También explicaba Alvarez que estas maquinas no poseían un gran rendimiento (ðð, si nos referimos a los mismos no podemos hablar de valores que superen el 13%; a los fines prácticos y para una explicación mas gráfica, nos dice que:

”...necesitamos introducir 10 litros de combustible, para aprovechar solo 1 litro del mismo...”

Este tipo de maquinas a demás fueron desarrolladas a mitad del siglo XVIII y principios del XIX, lo cual nos da la pauta de que se trabajaba con combustibles y materiales no tan noble a veces, aunque para compensar esto los fabricantes de estas maquinas se aseguraban de dar una garantía al comprador agregándole, como decía Alvarez:

“...si las normas decían 20 cm se le colocaba 40 cm de hierro por las dudas, y si alguien alguna vez venía y decía que una maquina le había fallado para ese fabricante era una deshonra...”

Para continuar con la visita, en realidad debemos hacer primero una salvedad: primero se mostró la maquina bicilíndrica, que inmediatamente empezaremos a desarrollar según lo explicado, y luego la monocilíndrica. Por una cuestión de orden cronológico de la invención de estas maquinas y su complicidad invertimos el orden en este informe el cual no afecta en absoluto el desarrollo del mismo, ni de su comprensión.

Como decíamos una vez desarrollada la maquina de un solo pistón, aparece la necesidad de maquinas de mayor potencia y rendimiento, las bicilindricas:

Maquinas bicilíndricas:

El principio de funcionamiento es similar a la anterior, solo que esta por tratarse de un artefacto con dos cilindros o pistones es capaz de desarrollar mayor potencia y revoluciones por minuto (R.P.M.).

Los cilindros que posee no son iguales sino que existe uno denominado de alta (de mayor tamaño y potencia) y otro mas pequeño llamado de baja (menor tamaño y potencia). Esta maquina fue desarrollada en el siglo XIX. La que posee el establecimiento se construyo en concesión con SIEMENS a principios de siglo, la misma posee un rendimiento (ðð superior a la anterior (monocilindrica), podemos hablar de valores que oscilan el 40 al 50%.

El funcionamiento básico de la maquina es de la siguiente forma:

Una caldera provee de vapor de agua a los pistones, estos generan el movimiento por medio de un brazo hacia la rueda, la cual posee 3 metros de diámetro y 0,50 metros de espesor aproximadamente, a partir de allí y por medio de una banda de cuero, el movimiento es transmitido al eje de un generador de corriente continua, el cual por medio de sus delgas entrega a unas escobillas de carbono la energía obtenida a partir del vapor de agua que primitivamente fue quien generó la presión en los pistones, el agua que sale de los pistones es refrigerada y vuelta a introducir en la caldera, para ser reutilizada, esta maquina al igual que la de un solo cilindro mantiene constante sus revoluciones por medio de un regulador mecánico de watt. A demás de esto todas sus piezas se mantienen aceitadas, asegurando así su correcto funcionamiento y reduciendo el desgaste prematuro.

Calderas:

Las mismas son utilizadas para calentar agua, la cual pasa a ser vapor. Para obtener un mejor rendimiento se mantiene a presión este vapor, en particular y para la caldera nueva es de 12 Atmósferas en condiciones aceptables, dice Alvarez:

“...el fabricante recomienda no superar esa presión, si se la superase no es que estallaría la caldera, pero en la medida que se la haga trabajar a una mayor presión surgirían daños en los conductos acuotubulares...”

Luego de esta explicación Alvarez nos muestra una consecuencia de la corrosión en uno de estos tubos, el cual debe ser reparado o bien reemplazado.

De allí aprovecho para mostrarnos una pequeña bomba que su trabajo es regular la presión de entrada a la caldera, sin que esta sea mayor en la entrada que la que nos entrega “Aguas Argentinas”, nuevamente el ingeniero Alvarez nos gráfica una situación posible si esta bomba no existiese diciendo:

“...de otra forma le mandaríamos agua hacia Aguas Argentinas...”

Existen dos calderas en el colegio, las mismas fueron construidas (su recinto y gran parte de ellas) por los propios alumnos y docentes de la época. Actualmente solo funciona la mas moderna del año 1916 esta fecha se evidencia en la torre del patio de taller y donde bajo ella circula el agua saliente de los pistones, la primera de fines de siglo XIX se le debe realizar una tarea de mantenimiento importante.

Frente a la caldera mas moderna se pueden ver los quemadores de fuel-oil donados por cooperadora, estos poseen a demás un manómetro para conocer la presión del gas generada por una pequeña bomba que le envía aire forzado.

En el cuarto donde se encuentra el contactor para la bomba anteriormente nombrada, podemos observar los tanques que proveen de agua a la caldera.

Estas calderas por si mismas poseen un rendimiento muy alto en optimas condiciones de funcionamiento, son valores que se aproximan al 75%, el problema es que por todo el circuito que debe recorrer el vapor, gran parte de este rendimiento se pierde. Una ventaja de estas calderas (no solo estas de origen alemán) es que se puede quemar casi cualquier combustible.

Motores de combustión interna:

Estos motores pueden ser de compresión variable y de diversos funcionamientos o ciclos, el ciclo Otto o el ciclo Diesel, existe también el ciclo combinado de estos dos, pero su funcionamiento se desarrolla de la misma forma.

En el laboratorio solo hay del tipo ciclo Otto y Diesel, el motor que nos mostró el ingeniero Alvarez utilizaba como combustible kerosene o gasoil que permitían generar un trabajo sin la necesidad de ser calentados previamente para que el motor los utilice, ya que eran de baja viscosidad; si se diera el caso de utilizar combustibles de alta viscosidad es necesario calentarlos antes de inyectarlos al motor.

El ingeniero Latzina (el mismo que fue director del establecimiento) estudio el comportamiento de combustibles como el carbón y su aprovechamiento, y determino que si la finalidad de un combustible es estático resulta conveniente si este es sólido y barato, en cambio su fin es dinámico por las sucesivas crisis del petróleo.

Turbina Francis:

Esta turbina esta diseñada para 700 revoluciones por minuto, y necesita de un gran caudal, debido al giro del motor, un caudal que ronda los 70 litros/segundo, se podía observar un caño de 0,50 cm de diámetro aproximadamente descender del techo sobre el cual se encontraba el tanque de abastecimiento, y llegar a la turbina. Lamentablemente como decía Alvarez sarcásticamente:

“... no se puede reparar...”

Esto es debido a los altos costos que supone el personal administrativo se debe pagar. Siguiendo con el tema de la turbina, esta es utilizada para generar potencia (8 CV) y poder medirla con el freno de “Proni” , el cual consiste en un brazo de palanca adosado al eje de la turbina, por medio de una banda de cuero y bullones se ajusta un disco donde se encuentra el brazo antes nombrado y se consigue un efecto de frenado, el brazo de palanca genera una fuerza contra una balanza y por medio de la lectura de la misma se determina la potencia a altas revoluciones que provee la turbina. Como se puede creer, y sin cometer equivocación alguna, este rozamiento de la banda de cuero, genera alta temperatura, la cual es sencillamente disipada por agua que se le provee al freno; el mismo mantiene en parte el agua dentro de una concavidad que posee la rueda donde se encuentra la banda de cuero.

Este sistema se utiliza para altas velocidades y bajas potencias (25 H.P.), para turbinas de mayor potencia o motores (200 H.P) se emplea con el mismo procedimiento de medición un freno hidráulico que consiste en paletas en contra del agua circulante (refrigerando).

Segunda visita al Laboratorio de Máquinas Térmicas

Turbina o Motor a Gas:

En nuestra segunda visita al laboratorio de maquinas térmicas realizada el día 26 de setiembre de 2000, y al igual que en la primera, el ingeniero Alvarez nos explica el funcionamiento, junto a una breve explicación de su entorno histórico de algunas de las maquinas que allí se encuentran; esta vez en particular la turbina a gas. La misma se encuentra frente a la puerta de entrada al laboratorio del patio sur. Aunque esta no es la única que se encuentra en el laboratorio es en la que hizo hincapié el ingeniero Alvarez para dar la clase; por lo tanto vale decir que existen otras dos turbinas de menor tamaño de similares características entre sí, pero solo una será utilizada, la restante hará la vez de abastecedora de repuestos para la primera.

Comenzamos la visita con una pequeña ubicación histórica y el porque del desarrollo de la turbina:

Los aviones utilizados en la segunda guerra mundial eran impulsados por motores a explosión, los cuales para una mayor velocidad necesitaban de una mayor potencia, este aumento de revoluciones por minuto (R.P.M.) generaba roturas o desperfectos por parte de una pérdida de calidad operativa, ya que a mayor vueltas del motor, aumentaba la masa del mismo;

“...a fines del ´20, principios del ´30, aparecen limitaciones técnicas...”

dice Alvarez.

En el año 1939 aparece el motor a reacción (a gas). Los alemanes al haber derrotado a Francia de una manera tan exitosa, detienen todos esos proyectos de desarrollar el motor a gas.

La turbina a gas no muere allí, ya que fabricas como Roll´s Roys y otras empresas dedicadas a la fabricación de motores ven que esta era muy eficiente, ya que se podía conseguir un mayor número de revoluciones en menor masa del motor. Por fin en el año 1944 aproximadamente se llega a la creación de esta maravillosa turbina a gas; la cual en el año 1955 aparece en Argentina a manos de alemanes.

Características y funcionamiento de la turbina:

Se deseaba la conformación de una turbina con una rueda de paletas o álabes, en los cuales se inyectara un chorro de gas o combustión que hiciera girar este rodete, entregándole una temperatura y presión determinada. La turbina posee un compresor para el JP1(1) que se quema en las cámaras junto al aire comprimido.

Luego de pasar los gases por los álabes el “Chorro” es direccionado. Hasta aquí parecía no haber problemas, pero hay que tener en cuenta que la temperatura de los gases de escape es de 1800 º C; como dice Alvarez:

“...sencillamente los álabes se derretirían, en cambio para el motor alternativo no teníamos ese inconveniente, ya que el pistón toma aire que lo refrigera en la entrada de combustible...”

Para solucionar este problema a esta clase de turbinas se les envía de 3 a 5 veces mas aire (aire secundario o de refrigeración) para disminuir la temperatura. La turbina es regulada para que no supere los 500 º C aproximadamente, pero al medir la temperatura y presión llegamos a la conclusión que la potencia del compresor es mayor que la de la turbina; ¡atención!, entonces se disminuye la temperatura pero el rendimiento es negativo.

Para empeorar ésta situación aparece el denominado efecto Kript, que hasta el momento no se había tomado en cuenta, este efecto consiste en el desgaste del material sometido a determinadas condiciones de presión y temperatura a lo largo del tiempo; este efecto aparece por fallas muy pequeñas en el material, que si no se detectan a tiempo, después de cierto tamaño critico, comienzan a crecer a velocidades de 100 metros/segundo y obviamente el álabe en este caso o la rueda se destruye.

En fin, el problema son los álabes, como solución al hecho que los álabes no soportasen determinadas condiciones se descubre una aleación resistente a 800º C y con una vida útil de varias horas. Sería lógico preguntarse ¿cuántas horas son “varias” ?; en principio vemos que la turbina no posee un rendimiento que sea aprovechable para generar energía eléctrica, sin embargo el “chorro” de gases que libera genera un empuje muy importante que en el caso de la turbina existente en el laboratorio es de 400 a 600 kilogramos/segundo, esta característica es aprovechable para impulsar aviones, los cuales al estar en un estado de guerra duraban corto tiempo en vuelo, por lo cual el tiempo en que se encontraban volando era tal que los álabes no llegaban a un punto crítico, dándole tiempo así al piloto de descender y cambiar la corona de álabes deteriorada por la temperatura y presión. Otro dato que cabe agregar: esta turbina consume 800 litros de combustible por hora, a una potencia de 600 C.V.

(1)El JP1 es sencillamente kerosene refinado, su costo es de aproximadamente $0,36 por cada litro, este refinamiento se lo logra mezclando del total del kerosene común un 10 % de nafta super mas un 1 % de aceite. Por ultimo cabe aclarar que el JP1 debe ser almacenado durante 6 meses antes de su utilización en contenedores especiales.

Aplicación de la turbina a gas:

En el año 1946 llega el diseñador alemán Kurtang a la Argentina (de gran importancia en el desarrollo de aviones), este hombre le ofrece al general Perón el proyecto de un avión “EL PULKI II”, un avión superior a los que se venían desarrollando para esa época, el proyecto se comienza a realizar con Kurtang como dirigente de muchos técnicos Argentinos (muy capaces por cierto, característica que los alemanes respetan); en un momento determinado Kurtang abandona el país por razones de progreso, dirigiéndose hacia USA. Dada la circunstancia que se generaba el proyecto de desarrollar “EL PULKI II” queda abortado, como mas adelante ocurriría con el proyecto “CONDOR” y otros mas.

Para ese entonces se siguió progresando sobre la turbina a gas, consiguiendo mejora en los materiales empleados para la construcción de la misma, se le agregaron coronas de álabes fijos y móviles intercalados, con el motivo de aumentar la potencia y así aumentar el empuje. Un agregado innovador a la turbina fue una hélice frente a los gases que salían de los álabes, dando lugar a los aviones de turbohélice que podrían maniobrarse a bajas velocidades.

La aplicación de motores turbohélice llegó a los barcos, fragatas en particular las cuales son de poca masa y gran velocidad gracias a este motor, por estas características se convirtieron en barcos antisubmarinos, aunque muy vulnerables. Para más información sobre su vulnerabilidad, revisar cualquier libro de historia que hable de la guerra contra los ingleses en las Malvinas.

Regresando al tema de las aplicaciones, se observo que el calor liberado por la turbina era fácilmente aprovechable para calentar agua en un sistema combinado de vapor (ðððððð y ciclo Diesel (ðððððð. Debido a las deformaciones que posee el material aparecen tensiones muy grandes en determinados sectores de esa deformación, debido a esto se tiene en cuenta la tenacidad y resistencia de los materiales empleados. Se cree que las cerámicas pueden satisfacer esta necesidad en las altas temperaturas, llegando a un 70 % de rendimiento.

Agregando un comentario final a la visita el ingeniero Alvarez nos dice:

“...a nivel militar en Estados Unidos estas cerámicas y otros materiales se deben haber desarrollado, pero nosotros no nos enteraremos por ahora...”

Turbina a gas.

Las turbinas son máquinas rotativas. En forma global se clasifican en tres grandes familias:

Las turbinas hidráulicas: son las más antiguas. Usan agua como fluido de trabajo. Sus antepasados directos son los molinos de agua. Hoy existen varios modelos básicos: Pelton, Francis y Kaplan (o hélice de paso variable). A estos modelos básicos se debe agregar la Mitchell-Banki que es muy utilizada en instalaciones de microhidráulica. La típica turbina hidráulica se usa en centrales de generación eléctrica sea centrales de pasada o centrales de embalse.

Las turbinas a vapor: en este caso el fluido de trabajo es vapor de agua (típicamente). Aunque también hay instancias en que se han fabricado usando otro vapor de trabajo (Mercurio, Propano u otro). Las típicas turbinas de vapor se dividen en de acción y de reacción. La turbina a vapor típicamente se usan en centrales térmicas de generación eléctrica. Estos son sistemas de combustión externa (el calor se usa para calentar el fluido de trabajo en forma indirecta en caldera).

Las turbinas a gas: Son las más recientes. Si bien hay intentos de 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 diferencia fundamental. 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.

Antecedentes básicos sobre el funcionamiento de la turbina a gas.

Ciclo Utilizado:

El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. En la figura T.2, se ilustra el ciclo en diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones:
 

¡Error!Argumento de modificador desconocido.

En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una 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 combustión entra 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.

¡Error!Argumento de modificador desconocido.

A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones:

Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansión se convierte en trabajo mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas.

Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en una tobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en los gases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción.

Finalmente los gases de combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente.

Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores solares en que se opera según un ciclo Brayton.

Diagrama de Bloques:

A continuación veremos como se visualiza el ciclo de Joule en un diagrama de bloques. Las componentes principales de la máquina son:
 

¡Error!Argumento de modificador desconocido.

Alternativa 1: Turbopropulsor

Un turbocompresor que toma el aire ambiente (a p1 y T1) y lo comprime hasta p2 (evolución 1 - 2). Este proceso se puede suponer adiabático. Idealmente es sin roce, pero en general es politrópica con roce.

Luego el aire comprimido a p2 pasa a la cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible el que se quema. Al quemarse la mezcla, la temperatura de los gases sube hasta T3. La combustión es prácticamente isobárica (evolución 2 - 3).

A continuación los gases calientes y a alta presión se expanden en la turbina T1. Esta turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje. La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3'. Idealmente es expansión adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3'). 

Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de potencia hasta alcanzar la presión ambiente (p4, evolución 3' - 4).Esta turbina de potencia entrega trabajo al exterior. Típicamente el trabajo se usa para accionar un generador o bien otro mecanismo (hélice en el caso de aviones con turbopropulsor o aspas en un helicóptero).

¡Error!Argumento de modificador desconocido.

Alternativa 2: Turboreactor

Este caso es similar al anterior hasta el punto 3'. La diferencia estriba en que de allí en adelante, la segunda turbina es reemplazada por una tobera. El potencial de presión de los gases de escape en 3' es convertido en energía cinética. Los gases salen a C4.

Es decir el trabajo de expansión se convierte en energía cinética y los gases salen del motor a gran velocidad, produciendo un empuje por efecto del principio de acción y reacción.

El caso se ilustra en la figura de al lado, la que representa un turboreactor de flujo simple. Esto quiere decir que todo el aire pasa por la cámara de combustión y turbina.

HISTORIA DE LA TURBINA DE GAS

El 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 (Ver Gráfico Siguiente).

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 rotar la carne que estaba asando.

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 Verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor de agua para movilizarse.

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 punto del proceso.

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 en los años 1900.

En 1914 Charles Curtis aplicó para la primera patente en los Estados Unidos para una turbina de gas. Esta fue otorgada pero generó mucha controversia.

La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo 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 construir las primeras turbinas de gas confiables.

En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

CONCEPTOS BASICOS

Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versión marina.

Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:

CICLO DE BRAYTON

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.

En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.