Turbinas de Gas

Mecánica. Automoción. Automotriz. Mandos. Prototipos

  • Enviado por: Axl
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TURBINAS DE GAS

El fundamento es cuando el aire entra en un compresor giratorio envía con presiones de 3 a 6 Kg a pasar por las cámaras de combustión, en estas un mechero o quemador por el que sale pulverizado el combustible que envía la bomba continuamente. Una bujía que realmente es un encendedor, porque solo basta que se inflame el combustible al principio, para así encender el combustible en el mechero, y se produce una gran elevación de temperatura y presión en el aire carburado y encendido. Los gases salen a gran velocidad, presión y temperatura hacia la salida de escape, en cuyo camino hay una turbina ,al incidir violenta y continuamente sobre unas pequeñas aspas o alabes, la turbina se pone a girar recogiendo la fuerza de los gases inflamados.

De esta turbina se saca movimiento para hacer funcionar el indispensable compresor alimentador alimentador de aire.

Desde 1948 se intenta aplicar las turbinas de gas a los automóviles ,la diferencia es que en los automóviles se necesita mucho menor potencia, ya que su peso y máxima velocidad es menor; solo se necesita un propulsor de unos 150 caballos en comparación con los miles de caballos que necesita un avión, por esta razón es un problema que todavía no se ha resuelto en el automovilismo.

Uno de los principales problemas son las holguras y tolerancias ya que los componentes de una turbina de 5000 CV pueden reducirse a escala, pero los límites de tolerancia en holguras, peso y ajuste no pueden rebajarse en la misma proporción, porque ya se usaron los mínimos posibles en la turbina grande.

Luego se presenta otro problema, cada álabe de la turbina es como un plano aerodinámico que ya trabaja en una corriente de fluido análogamente a como lo hace una ala de un avión, y por tanto está sometido al efecto Reinolds , según en el cual las perdidas son tanto mayores cuanto más pequeño sea el tamaño del plano o álabe.

Teniendo ya estas causas expuestas para una turbina de 200 CV tendrá menor rendimiento que una turbina de 6000CV, aproximadamente en una quinta o sexta parte menos de eficiencia es decir, que para una turbina de avión su eficiencia es de el 26%, para una turbina para aplicación automotriz seria del 20%. Esto no es como para descartar la turbinas en aplicaciones en automovilismo, pues el rendimiento térmico no es factor decisivo. En efecto, el que se emplee una u otra clase de motor depende de una serie de factores como el consumo, tamaño, peso, costo de producción y mantenimiento, sencillez, facilidad y docilidad de servicio, aptitud, número de componentes auxiliares requeridos, facilidad de control, ruidos, olores, etc. Todos a cada uno tienen su eficiencia. En el caso de las turbinas de gas ya se dijo que se trabaja activamente y con prometedores resultados en los aspectos de costo y consumo.

Un tercer problema que se presenta y es inevitable, es que a medida que se reduce la potencia tiene que aumentar la velocidad de rotación, el rendimiento impone que los alabes trabajen a una determinada velocidad lineal respecto al fluido en que se mueven, osea que la velocidad periférica del borde del rotor debe ser prácticamente la misma, sea grande o pequeña la turbina. Por consiguiente, entre más pequeña sea la turbina, más grande tendrá que ser la velocidad de giro.

Como las dimensiones lineales de la turbina varían con la raíz cuadrada de la potencia, en la misma proporción aumentará la velocidad de giro. Si la turbina de 6000 CV gira a una velocidad de 8000 rpm, la turbina de 170 CV tendrá que girar a 40000 rpm; por esta razón se plantean reductores que han de trabajar a tales velocidades. Tendremos que aplicarle unos engranajes de alta calidad con talla heliciodal que no generen tanto ruido y esto implicaría costos adicionales, ya que al reducir a la décima parte la velocidad de giro en contraste con el árbol de transmisión a lo cual funciona a unas 4000 rpm.

En el momento del arranque ya bajas velocidades de giro, el vehículo necesita del motor el máximo par capaz de suministrarle, y es en esas condiciones precisamente cuando por ir despacio el compresor necesita el máximo, de modo que este lo absorbería y no quedaría apenas para el vehículo, como además como el vehículo tiene una velocidad variable, según las circunstancias del tráfico, y en cambio el compresor para que trabaje en rendimientos admisibles tiene que girar en velocidad elevada y constante, se necesitaría una caja de cambios a la salida con un mínimo de ocho combinaciones, el trabajo parta el conductor, el costo y estorbo de tal cambio lo hacen prohibitivo.

SOLUCION

La solución de doble turbina fue descubierta en los años del transcurso de la segunda guerra mundial donde se buscaba un motor ligero t potente de miles de caballos para los carros de combate, aunque esta idea no pudo realizarse, ha estado trabajándose en los últimos años.

Los gases calientes procedentes de la cámara de combustión pasan primero por una turbina la cual acciona el compresor, después de que los gases atraviesan la primera turbina pasan por la segunda turbina, la cual es de eje independiente donde dejan el resto de fuerza que se comunica en potencia a un eje el cual es un engranaje reductor para así pasar al árbol de transmisión. El gobierno de la turbina se hace variando la cantidad de combustible inyectado en la cámara, y el conjunto está calculado para que según sea su potencia necesaria en la segunda turbina, así sea el suministro en la cámara de modo que la turbina que mueve el compresor sirva adecuadamente los gases precisos a la segunda turbina pues entre la primera y segunda turbina solo hay gas en movimiento, no hay ningún enlace mecánico.

Se consigue de la siguiente manera: en primer lugar que el compresor trabaje a la mejor velocidad posible, sin tener que ver con la velocidad del vehículo, para luego cuando se necesite un par motor elevado para las ruedas, se pueda proporcionar sin perjuicios al compresor, este resultado es mejor que con el motor de explosión.

El la siguiente figura se muestran las curvas que indican como varía el par según la velocidad de rotación:

  • De trazos es la curva de un motor de explosión, que baja al disminuir el giro de un cierto valor (sobre la mitad del máximo número de revoluciones);

  • De rayas y puntos la turbina única que desciende aún más deprisa.

  • De trazo completo el par a la salida de la última turbina, que se va aumentando considerablemente cuando baja la velocidad; esto es lo que hace falta el los automóviles, y resulta así que puede prescindirse de las velocidades, puesto que el enlace entre las turbinas equivale en realidad a un convertidor de par como los explicados al tratar de los cambios de velocidades, solo que ahora no es hidráulico sino neumático, las soluciones prácticas para el automovilismo se basan en este uso de dos turbinas en serie.

  • El compresor

  • Las cámaras de combustión con sus mecheros

  • La turbina que mueve el compresor

  • La segunda turbina que por el engranaje reductor manda propulsión al árbol.

  • También se puede apreciar que en cada rotor de la turbina pueda haber una corona fija de álabes, llamada estator que sirve para comunicar a los gases el ángulo de incidencia más favorable para las aletas del rotor.

  • Asimismo puede haber escalones en la expansión de los gases de la turbina, con dos a más coronas de alabes en serie, intercaladas con las coronas-rotores y las coronas-estator.

  • Para mejorar el rendimiento de la turbina de gas se puede hacer que el calor de los gases se comunique al aire comprimido, antes de que este queme el petróleo en la cámara de combustión. El recuperador mejora apreciablemente el rendimiento térmico de la turbina entre un 5-6 % es decir que se podría llegar a tener una eficacia del 26%.

    Aunque es algo voluminoso, es complicada la colocación y naturalmente la encarece ; las instalaciones de turbinas para automóviles que se vienen ensayando suelen tener recuperadores.

    LOS MANDOS

    Los mandos de los automóviles se reducirían a el acelerador y el freno para mandar al vehículo; actuando la turbina como doble convertidor neumático de par, no son necesarios el embrague y la caja de cambios, solo queda en entredicho como se hará para la marcha hacia atrás.

    PROTOTIPOS DE AUTOMÓVILES DOTADOS CON TURBINA DE GAS

    ROVER INGLES: fue montado en un chasis rover y anduvo sobre pista el 9 de marzo de 1950. con sus 220CV alcanzo una velocidad de 140Km/h. En velocidad normal haciendo la turbina un giro de 35000rpm, sin embrague ni cambio de velocidades adelante, sino con un inversor de marcha impulsado por la palanca en 1956se probó un nuevo modelo con 110CV de potencia y recuperador estacionario, que ofreció un consumo de 20Lt por cada 100Km comparado con los anteriores de 30-35Lt. En un SEDAN de cinco plazas con propulsión trasera la velocidad alcanzada es de mas de 160Km/h y el consumo oscila entre 15 y 18Lt por cada 100 Km. Para evitar el retraso de la aceleración, se ha elevado el ralentí del rotor de compresión hasta las 40000rpm, y a fin que no resultara alto el consumo de combustible en la turbina, el compresor tiene un estator previo cuyas paletas limitan el paso de aire en ralentí en lo necesario para una mínima salida de combustible.

    CHRYSLER EEUU: la otra turbina para automóviles que parece atractiva conseguida y trabajada es esta. Como los gases de entrada son varias veces más voluminoso, sus filtros en la entrada son enormes, ya que este sistema no tiene radiador, la batería ocupa su lugar. Ya que los gases de escape son más voluminosos los silenciadores también serán de gran tamaño.

    El esquema de la turbina señala en A la entrada del aire que el compresor centrífugo 3 envía por los ductos a derecha e izquierda para calentarse en dos regeneradores 4 y 10. El aire se carbura con el combustible que sale constantemente por el inyector 12 y la mezcla se mantiene inflamada con las chispas que continuamente salen de la bujía 15. conviene observar que en realidad bastaría una chispa que inicia el encendido, ya que este se sostendría por la entrada continua de combustible; pero como se intenta cortar el paso de combustible a la desaceleración se mantiene la chispa a razón de 80 a 200 chispazos por segundo.

    La temperatura del aire sube a unos 320 al comprimirse en 3. en los generadores alcanza los 450º y al arderla mezcla pasa a 930º por los álabes del rotor 5; por el rotor de potencia 6 pasa a 750º y pierde los últimos 400º en los regeneradores giratorios 4 y 10. luego siguen los gases al escape por ambas salidas D y Z. El giro del motor 6 pasa por el reductor 8 para seguir al eje del cambio de velocidades 9. ese marcado cambio de calor en los generadores 4 y 10 combinado con la incidencia variable sobre los álabes de 6 son los que han mejorado sensiblemente el rendimiento de la turbina.

    Los tambores 4 y 10 de 38cm de diámetro giran lentamente entre 9 que es ralentí y 22rpm que es la máxima velocidad. La turbina 5 gira entre los 18 a 20 mil rpm que es la velocidad de ralentí y una velocidad máxima de 44600rpm. La turbina de potencia 6 lo hace entre cero para ralentí y un máximo de 47500rpm.

    BOEING: Para la casa boeing con su turbina sobre camiones KENWORTH de doble eje trasero propulsor con un peso bruto incluyendo el remolque de 32 tons; la turbina tiene dos inyectores de combustible 1; el aire entra por 2, el compresor 3 a 36000rpm lo comprime y sale caliente en 4 a unos 170º, en los mecheros 6 arde la mezcla que pasa por 7 a los álabes del rotor 14 a 180º. El rotor mueve por su eje 8 al compresor 3. por 9 pasan los gases a mover el rotor de fuerza 13 y de este salen al escape a 630º, la turbina de potencia 13 gira a un mínimo de 35000rpm que el doble engranaje epicoidal pasa al eje3 de transmisión 12 a 2300rpm.

    FORD: En la turbina ensayada por FORD, el aire entrante A se comprime primero en C1, el compresor de baja movido por el rotor RB que transmite el esfuerzo del motor al reductor de giro y transmisión S. “El trayecto de aire y gases está marcado con una flecha”. A la salida de C1 la temperatura se encuentra a 230º y se hace enfriar en el radiador de aire F porque se va a comprimir en un nuevo compresor. El radiador F está ventilado por una transmisión desde el eje del segundo compresor o de alta C2; con esta nueva compresión de relación 4 resulta a 4*4=16 respecto a la entrada A, y se sube a la temperatura de 330º. Ahora es cuando se le calienta; a su paso por el recuperador K sube a 450º, así entra en el inyector quemador J1 delo que los gases ardiendo pasan a 930º por el rotor de alta RA. Esa radial y está espalda contra espalda con el compresor de alta C2 al que da movimiento. Como la temperatura ha bajado a 730º la mezcla pasa por el segundo inyector-quemador J2 donde vuelve a ponerse a 930º para dejar fuerza la motriz en el rotor de potencia RP para salir a la transmisión S y el resto en el doble rotor axila de baja RB el cual mueve al primer compresor de baja C1. para la segunda combustión en J2 no hace falta más aire porque entra por A en cantidad varia veces la necesaria según se dijo. El escape pasa por el recuperador K para salir al silenciador a 390º a pesar de todos estos accesorios (doble compresor, tres rotores, dos quemadores y un refrigerador), la turbina FORD pesa y gasta menos que otras mas sencillas y ocupa un espacio análogo.

    GMC (General Motors): Este fabricante ha ensayado entre otros, los vehículos FIREBIRD el cual llevaba una turbina libre con 200CV de potencia de 385 Kg de peso incluido el cambiador de calor regenerativo; el rotor gira hasta 28000 rpm.


    Marca y modelo

    CV

    Peso

    Kg

    Kg

    Por

    CV

    COMPRESOR

    ROTOR

    Turbinas de fuerza

    rpm