Una turbina de gas , también llamada turbina de combustión , es un tipo de motor de combustión continua e interna . Los principales elementos comunes a todos los motores de turbina de gas son:
- un compresor de gas giratorio aguas arriba
- una cámara de combustión
- una turbina aguas abajo en el mismo eje que el compresor.
Un cuarto componente se usa a menudo para aumentar la eficiencia (en turbohélices y turboventiladores ), para convertir la energía en forma mecánica o eléctrica (en turboejes y generadores eléctricos ) o para lograr una mayor relación empuje-peso (en motores de postcombustión ).
La operación básica de la turbina de gas es un ciclo Brayton con aire como fluido de trabajo : el aire atmosférico fluye a través del compresor que lo lleva a una presión más alta; luego se agrega energía rociando combustible en el aire y encendiéndolo para que la combustión genere un flujo de alta temperatura; este gas presurizado a alta temperatura ingresa a una turbina, produciendo una salida de trabajo del eje en el proceso, que se utiliza para impulsar el compresor; la energía no utilizada sale en los gases de escape que se pueden reutilizar para trabajo externo, como producir empuje directamente en un motor turborreactor , o hacer girar una segunda turbina independiente (conocida como turbina de potencia ) que se puede conectar a un ventilador, hélice , o generador eléctrico. El propósito de la turbina de gas determina el diseño de modo que se logre la división de energía más deseable entre el empuje y el trabajo del eje. Se omite el cuarto paso del ciclo Brayton (enfriamiento del fluido de trabajo), ya que las turbinas de gas son sistemas abiertos que no reutilizan el mismo aire.
Las turbinas de gas se utilizan para alimentar aviones, trenes, barcos, generadores eléctricos, bombas, compresores de gas y tanques . [1]
Cronograma de desarrollo
- 50: primeros registros del motor de Hero ( aeolipile ). Lo más probable es que no sirviera para ningún propósito práctico y fuera más bien una curiosidad; no obstante, demostró un importante principio de la física en el que se basan todos los motores de turbina modernos.
- 1000: Los chinos utilizaron la "Lámpara del caballo al trote" ( chino :走马灯, zŏumădēng ) en las ferias de faroles ya en la dinastía Song del Norte . Cuando se enciende la lámpara, el flujo de aire caliente se eleva y acciona un impulsor con figuras de equitación adheridas, cuyas sombras luego se proyectan en la pantalla exterior de la linterna. [2]
- 1500: El gato de la chimenea fue dibujado por Leonardo da Vinci : El aire caliente de un incendio se eleva a través de un rotor de turbina axial de una etapa montado en el conducto de escape de la chimenea y gira el asador mediante una conexión de cadena de engranajes.
- 1629: Chorros de vapor hicieron girar una turbina de impulso que luego impulsó un molino de estampado en funcionamiento por medio de un engranaje cónico , desarrollado por Giovanni Branca .
- 1678: Ferdinand Verbiest construyó un carro modelo que se basaba en un chorro de vapor para obtener energía.
- 1791: Se otorga una patente a John Barber , un inglés, para la primera turbina de gas verdadera. Su invención tenía la mayoría de los elementos presentes en las turbinas de gas modernas. La turbina fue diseñada para propulsar un carruaje sin caballos . [3] [4]
- 1861: patente británica núm. 1633 fue concedido a Marc Antoine Francois Mennons por un "motor calórico". La patente muestra que era una turbina de gas y los dibujos muestran que se aplicó a una locomotora. [5] También se menciona en la patente a Nicolas de Telescheff (de lo contrario, Nicholas A. Teleshov), un pionero de la aviación rusa . [6]
- 1872: Se cree que un motor de turbina de gas diseñado por el ingeniero de Berlín, Franz Stolze , es el primer intento de crear un modelo funcional, pero el motor nunca funcionó por su propia potencia.
- 1894: Sir Charles Parsons patentó la idea de propulsar un barco con una turbina de vapor y construyó un barco de demostración, el Turbinia , fácilmente el barco más rápido a flote en ese momento. Este principio de propulsión todavía tiene alguna utilidad.
- 1895: Se instalaron tres generadores de flujo radial Parsons de 4 toneladas y 100 kW en la central eléctrica de Cambridge y se utilizaron para alimentar el primer esquema de alumbrado público eléctrico en la ciudad.
- 1899: Charles Gordon Curtis patentó el primer motor de turbina de gas en los Estados Unidos ("Aparato para generar energía mecánica", Patente No. US635,919). [7] [8] [9]
- 1900: Sanford Alexander Moss presentó una tesis sobre turbinas de gas. En 1903, Moss se convirtió en ingeniero del Departamento de Turbinas de Vapor de General Electric en Lynn, Massachusetts . [10] Mientras estuvo allí, aplicó algunos de sus conceptos en el desarrollo del turbocompresor . Su diseño utilizó una pequeña rueda de turbina, impulsada por gases de escape, para hacer girar un sobrealimentador. [10]
- 1903: Un noruego, Ægidius Elling , construyó la primera turbina de gas que podía producir más energía de la necesaria para hacer funcionar sus propios componentes, lo que se consideraba un logro en una época en que el conocimiento sobre aerodinámica era limitado. Utilizando compresores rotativos y turbinas, produjo 11 hp. [11]
- 1906: El motor de turbina Armengaud-Lemale en Francia con una cámara de combustión refrigerada por agua.
- 1910: la turbina de impulsos Holzwarth (combustión por pulsos) alcanzó 150 kW (200 hp).
- 1913: Nikola Tesla patenta la turbina Tesla basándose en el efecto de capa límite . [12]
- Década de 1920 La teoría práctica del flujo de gas a través de pasajes se desarrolló en la teoría más formal (y aplicable a las turbinas) del flujo de gas a través de superficies aerodinámicas por AA Griffith, lo que resultó en la publicación en 1926 de An Aerodynamic Theory of Turbine Design . El Real Establecimiento Aeronáutico desarrolló diseños de banco de pruebas de trabajo de turbinas axiales adecuadas para impulsar una hélice , lo que demuestra la eficiencia de la conformación aerodinámica de las palas en 1929. [ cita requerida ]
- 1930: Frank Whittle , que no había encontrado interés en la RAF por su idea, patentó [13] el diseño de una turbina de gas centrífuga para propulsión a chorro . El primer uso exitoso de su motor ocurrió en Inglaterra en abril de 1937. [14]
- 1932: BBC Brown, Boveri & Cie de Suiza comienza a vender compresores axiales y turbinas como parte de la caldera Velox con generación de vapor turbo . Siguiendo el principio de la turbina de gas, los tubos de evaporación de vapor se disponen dentro de la cámara de combustión de la turbina de gas; la primera planta de Velox se construyó en Mondeville, Calvados, Francia. [15]
- 1934: Raúl Pateras de Pescara patentó el motor de pistón libre como generador de gas para turbinas de gas. [dieciséis]
- 1936: Whittle con otros respaldados por formas de inversión Power Jets Ltd [ cita requerida ]
- 1937: Funciona un prototipo de motor a reacción de prueba de concepto en el Reino Unido (Frank Whittle's) y Alemania ( Hans von Ohain 's Heinkel HeS 1 ). Henry Tizard obtiene fondos del gobierno del Reino Unido para un mayor desarrollo del motor Power Jets . [17]
- 1939: Primera turbina de gas de generación de energía eléctrica de 4 MW de BBC Brown, Boveri & Cie. Para una central eléctrica de emergencia en Neuchâtel, Suiza. [18]
- 1944: El motor Junkers Jumo 004 entra en plena producción, impulsando los primeros aviones militares alemanes como el Messerschmitt Me 262 . Esto marca el comienzo del reinado de las turbinas de gas en el cielo.
- 1946: Establecimiento nacional de turbinas de gas formado a partir de Power Jets y la división de turbinas RAE para unir el trabajo de Whittle y Hayne Constant . [19] En Beznau , Suiza, se puso en servicio la primera unidad comercial recalentada / recuperada que genera 27 MW. [20]
- 1947: Un Metropolitan Vickers G1 (Gatric) se convierte en la primera turbina de gas marina cuando completa las pruebas en el mar en el buque MGB 2009 de la Royal Navy . El Gatric era una turbina de gas aeroderivativa basada en el motor a reacción Metropolitan Vickers F2 . [21] [22]
- 1995: Siemens se convierte en el primer fabricante de grandes turbinas de gas que producen electricidad en incorporar la tecnología de palas de turbina de cristal único en sus modelos de producción, lo que permite temperaturas de funcionamiento más altas y una mayor eficiencia. [23]
- 2011 Mitsubishi Heavy Industries prueba la primera turbina de gas de ciclo combinado de eficiencia> 60% (la M501J) en su fábrica de Takasago, Hyōgo. [24] [25]
Teoría de operación
En una turbina de gas ideal, los gases se someten a cuatro procesos termodinámicos : una compresión isentrópica , una combustión isobárica (presión constante), una expansión isentrópica y rechazo de calor. Juntos, forman el ciclo de Brayton .
En una turbina de gas real, la energía mecánica se cambia irreversiblemente (debido a la fricción interna y la turbulencia) en presión y energía térmica cuando el gas se comprime (en un compresor centrífugo o axial ). Se agrega calor en la cámara de combustión y aumenta el volumen específico del gas, acompañado de una ligera pérdida de presión. Durante la expansión a través de los pasajes del estator y del rotor en la turbina, se produce de nuevo una transformación de energía irreversible. Se toma aire fresco en lugar del rechazo de calor.
Si el motor tiene una turbina de potencia agregada para impulsar un generador industrial o un rotor de helicóptero, la presión de salida será lo más cercana posible a la presión de entrada con solo la energía suficiente para superar las pérdidas de presión en los conductos de escape y expulsar el escape. Para un motor turbohélice , habrá un equilibrio particular entre la potencia de la hélice y el empuje del chorro que proporciona la operación más económica. En un motor turborreactor, solo se extrae suficiente presión y energía del flujo para impulsar el compresor y otros componentes. Los gases restantes a alta presión se aceleran a través de una boquilla para proporcionar un chorro para propulsar una aeronave.
Cuanto más pequeño sea el motor, mayor debe ser la velocidad de rotación del eje para alcanzar la velocidad requerida en la punta de la hoja. La velocidad de la punta de la hoja determina las relaciones máximas de presión que pueden obtener la turbina y el compresor. Esto, a su vez, limita la máxima potencia y eficiencia que puede obtener el motor. Para que la velocidad de la punta permanezca constante, si el diámetro de un rotor se reduce a la mitad, la velocidad de rotación debe duplicarse. Por ejemplo, los grandes motores a reacción operan alrededor de 10,000-25,000 rpm, mientras que las micro turbinas giran tan rápido como 500,000 rpm. [26]
Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente menos complejas que los motores de pistón de combustión interna . Las turbinas simples pueden tener una parte móvil principal, el conjunto del rotor de la turbina / eje / compresor (ver imagen de arriba), con otras partes móviles en el sistema de combustible. Esto, a su vez, puede traducirse en precio. Por ejemplo, con un costo de 10,000 ℛℳ por materiales, el Jumo 004 resultó más barato que el motor de pistón Junkers 213 , que era de 35,000 ℛℳ , [27] y solo necesitó 375 horas de mano de obra menos calificada para completar (incluida la fabricación, el ensamblaje y el envío) , en comparación con 1.400 para el BMW 801 . [28] Esto, sin embargo, también se tradujo en poca eficiencia y confiabilidad. Las turbinas de gas más avanzadas (como las que se encuentran en los motores a reacción modernos o en las plantas de energía de ciclo combinado) pueden tener 2 o 3 ejes (carretes), cientos de palas de compresor y turbina, palas de estator móviles y una extensa tubería externa para combustible, aceite y aire. sistemas; utilizan aleaciones resistentes a la temperatura y se fabrican con especificaciones estrictas que requieren una fabricación de precisión. Todo esto a menudo hace que la construcción de una simple turbina de gas sea más complicada que la de un motor de pistón.
Además, para alcanzar un rendimiento óptimo en las centrales eléctricas de turbinas de gas modernas, el gas debe estar preparado según las especificaciones exactas del combustible. Los sistemas de acondicionamiento de gas combustible tratan el gas natural para alcanzar la especificación exacta del combustible antes de ingresar a la turbina en términos de presión, temperatura, composición del gas y el índice de wobbe relacionado.
La principal ventaja de un motor de turbina de gas es su relación potencia / peso. [ cita requerida ] Dado que un motor relativamente liviano puede generar un trabajo útil significativo, las turbinas de gas son perfectamente adecuadas para la propulsión de aviones.
Los cojinetes de empuje y los cojinetes lisos son una parte fundamental de un diseño. Son cojinetes de aceite hidrodinámicos o cojinetes de elementos rodantes refrigerados por aceite . Los cojinetes de láminas se utilizan en algunas máquinas pequeñas como las micro turbinas [29] y también tienen un gran potencial para su uso en pequeñas turbinas de gas / unidades de energía auxiliar [30]
Arrastrarse
Un gran desafío al que se enfrenta el diseño de las turbinas, especialmente las palas de las turbinas , es reducir la fluencia inducida por las altas temperaturas y las tensiones que se experimentan durante la operación. Se buscan continuamente temperaturas de funcionamiento más altas para aumentar la eficiencia, pero tienen el costo de tasas de fluencia más altas. Por lo tanto, se han empleado varios métodos en un intento de lograr un rendimiento óptimo mientras se limita la fluencia, siendo los más exitosos los recubrimientos de alto rendimiento y las superaleaciones de cristal único . [31] Estas tecnologías funcionan limitando la deformación que se produce por mecanismos que pueden clasificarse en términos generales como deslizamiento por dislocación, ascenso por dislocación y flujo difusional.
Los revestimientos protectores proporcionan aislamiento térmico de la hoja y ofrecen resistencia a la oxidación y la corrosión . Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) a menudo son cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio y los recubrimientos resistentes a la oxidación / corrosión (capas de unión) generalmente consisten en aluminuros o MCrAlY (donde M es típicamente Fe y / o Cr) aleaciones. El uso de TBC limita la exposición a la temperatura del sustrato de superaleación, disminuyendo así la difusividad de las especies activas (típicamente vacantes) dentro de la aleación y reduciendo la dislocación y la fluencia de vacantes. Se ha descubierto que un revestimiento de 1 a 200 μm puede reducir la temperatura de la hoja hasta en 200 ° C. [32] Las capas adhesivas se aplican directamente sobre la superficie del sustrato mediante la carburización del paquete y tienen el doble propósito de proporcionar una mejor adherencia para el TBC y resistencia a la oxidación para el sustrato. El Al de las capas de unión forma Al 2 O 3 en la interfaz de la capa de unión TBC que proporciona resistencia a la oxidación, pero también da como resultado la formación de una zona de interdifusión (ID) no deseada entre él y el sustrato. [33] La resistencia a la oxidación supera los inconvenientes asociados con la zona de ID, ya que aumenta la vida útil de la hoja y limita las pérdidas de eficiencia causadas por una acumulación en el exterior de las hojas. [34]
Las superaleaciones a base de níquel cuentan con una resistencia mejorada y resistencia a la fluencia debido a su composición y microestructura resultante . El níquel gamma (γ) FCC se alea con aluminio y titanio para precipitar una dispersión uniforme del Ni coherente.
3(Al, Ti ) fases gamma prima (γ '). Los precipitados γ 'finamente dispersos impiden el movimiento de dislocación e introducen una tensión umbral, lo que aumenta la tensión necesaria para el inicio de la fluencia. Además, γ 'es una fase L1 2 ordenada que dificulta que las dislocaciones la traspasen. [35] Se pueden agregar más elementos refractarios como renio y rutenio en solución sólida para mejorar la resistencia a la fluencia. La adición de estos elementos reduce la difusión de la fase gamma prima, preservando así la resistencia a la fatiga , la fuerza y la resistencia a la fluencia. [36] El desarrollo de superaleaciones monocristalinas también ha llevado a mejoras significativas en la resistencia a la fluencia. Debido a la falta de límites de grano, los cristales simples eliminan la fluencia de Coble y, en consecuencia, se deforman en menos modos, lo que disminuye la tasa de fluencia. [37] Aunque los monocristales tienen una fluencia más baja a altas temperaturas, tienen tensiones de fluencia significativamente más bajas a temperatura ambiente donde la resistencia está determinada por la relación Hall-Petch. Se debe tener cuidado para optimizar los parámetros de diseño para limitar la fluencia a alta temperatura sin disminuir el límite elástico a baja temperatura.
Tipos
Motores de jet
Los motores a reacción con respiración de aire son turbinas de gas optimizadas para producir empuje de los gases de escape o de ventiladores con conductos conectados a las turbinas de gas. [38] Los motores a reacción que producen empuje a partir del impulso directo de los gases de escape a menudo se denominan turborreactores , mientras que los que generan empuje con la adición de un ventilador con conductos a menudo se denominan turbofan o (raramente) fan-jet.
Las turbinas de gas también se utilizan en muchos cohetes de combustible líquido , donde las turbinas de gas se utilizan para impulsar una turbobomba para permitir el uso de tanques ligeros de baja presión, reduciendo el peso vacío del cohete.
Motores turbohélice
Un motor turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión utilizando un engranaje reductor. Los motores turbohélice se utilizan en aviones pequeños como el Cessna 208 Caravan de aviación general y el entrenador militar Embraer EMB 312 Tucano , aviones de cercanías de tamaño mediano como el Bombardier Dash 8 y aviones grandes como el transporte Airbus A400M y el de 60 años. antiguo bombardero estratégico Tupolev Tu-95 .
Turbinas de gas aeroderivadas
Las turbinas de gas aeroderivadas se basan generalmente en motores de turbinas de gas de aviones existentes y son más pequeñas y ligeras que las turbinas de gas industriales. [39]
Los aeroderivados se utilizan en la generación de energía eléctrica debido a su capacidad para apagarse y manejar los cambios de carga más rápidamente que las máquinas industriales. [ cita requerida ] También se utilizan en la industria marina para reducir el peso. Los tipos comunes incluyen General Electric LM2500 , General Electric LM6000 y versiones aeroderivadas de Pratt & Whitney PW4000 y Rolls-Royce RB211 . [39]
Turbinas de gas amateur
Un número cada vez mayor de turbinas de gas están siendo utilizadas o incluso construidas por aficionados.
En su forma más sencilla, se trata de turbinas comerciales adquiridas a través de excedentes militares o ventas de chatarra, que luego se utilizan para su exhibición como parte del pasatiempo de la recolección de motores. [40] [41] En su forma más extrema, los aficionados incluso han reconstruido motores más allá de la reparación profesional y luego los han usado para competir por el récord de velocidad en tierra.
La forma más simple de turbina de gas autoconstruida emplea un turbocompresor de automóvil como componente central. Se fabrica y conecta una cámara de combustión entre las secciones del compresor y la turbina. [42]
También se construyen turborreactores más sofisticados, donde su empuje y peso ligero son suficientes para propulsar aviones de gran tamaño. [43] El diseño de Schreckling [43] construye todo el motor a partir de materias primas, incluida la fabricación de una rueda de compresor centrífugo de madera contrachapada, epoxi y hebras de fibra de carbono envueltas.
Varias pequeñas empresas fabrican ahora pequeñas turbinas y piezas para aficionados. La mayoría de los modelos de aviones propulsados por turborreactores utilizan ahora estas microturbinas comerciales y semicomerciales, en lugar de una construcción de viviendas tipo Schreckling. [44]
Unidades de potencia auxiliares
Las turbinas de gas pequeñas se utilizan como unidades de energía auxiliar (APU) para suministrar energía auxiliar a máquinas móviles más grandes, como un avión . Suministran:
- aire comprimido para aire acondicionado y ventilación,
- potencia de arranque de aire comprimido para motores a reacción más grandes ,
- potencia mecánica (eje) a una caja de cambios para impulsar accesorios con eje o para arrancar grandes motores a reacción, y
- fuentes de transmisión de energía eléctrica, hidráulica y de otro tipo a dispositivos consumidores alejados de la APU.
Turbinas de gas industriales para generación de energía
Las turbinas de gas industriales se diferencian de los diseños aeronáuticos en que los bastidores, los cojinetes y las palas son de construcción más pesada. También están mucho más integrados con los dispositivos que alimentan, a menudo un generador eléctrico, y el equipo de energía secundaria que se utiliza para recuperar la energía residual (principalmente calor).
Varían en tamaño, desde plantas móviles portátiles hasta sistemas grandes y complejos que pesan más de cien toneladas alojados en edificios construidos especialmente. Cuando la turbina de gas se utiliza únicamente para la potencia del eje, su eficiencia térmica es de aproximadamente el 30%. Sin embargo, puede resultar más barato comprar electricidad que generarla. Por lo tanto, muchos motores se utilizan en configuraciones CHP (Combined Heat and Power) que pueden ser lo suficientemente pequeñas como para integrarse en configuraciones de contenedores portátiles .
Las turbinas de gas pueden ser particularmente eficientes cuando el calor residual de la turbina se recupera mediante un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) para alimentar una turbina de vapor convencional en una configuración de ciclo combinado . [45] La General Electric 9HA de 605 MW logró una tasa de eficiencia del 62,22% con temperaturas de hasta 1.540 ° C (2.800 ° F). [46] Para 2018, GE ofrece sus 826 MW HA con una eficiencia superior al 64% en ciclo combinado debido a los avances en la fabricación aditiva y los avances en la combustión, frente al 63,7% en los pedidos de 2017 y en camino de alcanzar el 65% a principios de la década de 2020. [47] En marzo de 2018, GE Power logró una eficiencia bruta del 63,08% para su turbina 7HA. [48]
Las turbinas de gas aeroderivadas también se pueden usar en ciclos combinados, lo que conduce a una mayor eficiencia, pero no será tan alta como una turbina de gas industrial diseñada específicamente. También pueden funcionar en una configuración de cogeneración : el escape se utiliza para calentar el espacio o el agua, o acciona un enfriador de absorción para enfriar el aire de entrada y aumentar la potencia de salida, tecnología conocida como enfriamiento de aire de entrada de turbina .
Otra ventaja significativa es su capacidad para encenderse y apagarse en minutos, suministrando energía durante los picos de demanda o no programados. Dado que las plantas de energía de ciclo único (solo turbinas de gas) son menos eficientes que las plantas de ciclo combinado, generalmente se utilizan como plantas de energía pico , que operan desde varias horas por día hasta unas pocas docenas de horas por año, dependiendo de la demanda de electricidad y la capacidad de generación de la región. En áreas con escasez de carga base y carga después de la capacidad de la planta de energía o con bajos costos de combustible, una planta de energía de turbina de gas puede operar regularmente la mayoría de las horas del día. Una gran turbina de gas de ciclo único generalmente produce de 100 a 400 megavatios de energía eléctrica y tiene una eficiencia termodinámica del 35 al 40% . [49]
Turbinas de gas industriales para accionamiento mecánico
Las turbinas de gas industriales que se utilizan únicamente para accionamiento mecánico o que se utilizan en colaboración con un generador de vapor de recuperación se diferencian de los grupos electrógenos en que a menudo son más pequeñas y presentan un diseño de doble eje en lugar de un solo eje. El rango de potencia varía desde 1 megavatio hasta 50 megavatios. [ cita requerida ] Estos motores están conectados directamente o mediante una caja de cambios a una bomba o un conjunto de compresor. La mayoría de las instalaciones se utilizan en las industrias del petróleo y el gas. Las aplicaciones de accionamiento mecánico aumentan la eficiencia en aproximadamente un 2%.
Las plataformas de petróleo y gas requieren que estos motores impulsen compresores para inyectar gas en los pozos para forzar el petróleo a través de otro pozo o para comprimir el gas para su transporte. También se utilizan a menudo para proporcionar energía a la plataforma. Estas plataformas no necesitan usar el motor en colaboración con un sistema de cogeneración debido a que obtienen el gas a un costo extremadamente reducido (a menudo sin gas quemado). Las mismas empresas utilizan conjuntos de bombas para impulsar los fluidos a tierra y a través de tuberías en varios intervalos.
Almacenamiento de energía de aire comprimido
Un desarrollo moderno busca mejorar la eficiencia de otra manera, separando el compresor y la turbina con un acumulador de aire comprimido. En una turbina convencional, hasta la mitad de la energía generada se utiliza para impulsar el compresor. En una configuración de almacenamiento de energía de aire comprimido, la energía, tal vez de un parque eólico o comprada en el mercado abierto en un momento de baja demanda y bajo precio, se usa para impulsar el compresor, y el aire comprimido se libera para operar la turbina cuando es necesario.
Motores turboeje
Los motores turboeje se utilizan para impulsar compresores en estaciones de bombeo de gas y plantas de licuefacción de gas natural. También se utilizan para impulsar todos los helicópteros modernos, excepto los más pequeños. Un eje primario lleva el compresor y su turbina que, junto con una cámara de combustión, se denomina Generador de gas . Por lo general, se utiliza una turbina de potencia que gira por separado para impulsar el rotor en helicópteros. Permitir que el generador de gas y la turbina / rotor de potencia giren a su propia velocidad permite una mayor flexibilidad en su diseño.
Turbinas de gas radiales
Motores a reacción a escala
También conocidas como turbinas de gas en miniatura o micro-chorros.
Con esto en mente, el pionero de los Micro-Jets modernos, Kurt Schreckling , produjo una de las primeras Micro-Turbinas del mundo, la FD3 / 67. [43] Este motor puede producir hasta 22 newtons de empuje y puede ser construido por la mayoría de personas con mentalidad mecánica con herramientas básicas de ingeniería, como un torno de metal . [43]
Microturbinas
Las microturbinas , que se desarrollaron a partir de turbocompresores de motor de pistón , APU de aviones o pequeños motores a reacción , son turbinas de 25 a 500 kilovatios del tamaño de un refrigerador . Las microturbinas tienen eficiencias en torno al 15% sin recuperador , del 20 al 30% con uno y pueden alcanzar un 85% de eficiencia termoeléctrica combinada en cogeneración . [50]
Combustión externa
La mayoría de las turbinas de gas son motores de combustión interna, pero también es posible fabricar una turbina de gas de combustión externa que es, efectivamente, una versión de turbina de un motor de aire caliente . Estos sistemas generalmente se indican como EFGT (turbina de gas de encendido externo) o IFGT (turbina de gas de encendido indirecto).
La combustión externa se ha utilizado con el fin de utilizar carbón pulverizado o biomasa finamente molida (como el aserrín) como combustible. En el sistema indirecto, se usa un intercambiador de calor y solo aire limpio sin productos de combustión viaja a través de la turbina de potencia. La eficiencia térmica es menor en el tipo indirecto de combustión externa; sin embargo, las palas de la turbina no están sujetas a productos de combustión y se pueden utilizar combustibles de calidad mucho más baja (y por lo tanto más baratos).
Cuando se usa combustión externa, es posible usar aire de escape de la turbina como aire de combustión primario. Esto reduce efectivamente las pérdidas de calor globales, aunque las pérdidas de calor asociadas con los gases de combustión siguen siendo inevitables.
Las turbinas de gas de ciclo cerrado basadas en helio o dióxido de carbono supercrítico también son prometedoras para su uso en la futura generación de energía solar y nuclear de alta temperatura.
En vehículos de superficie
Las turbinas de gas se utilizan a menudo en barcos , locomotoras , helicópteros , tanques y, en menor medida, en automóviles, autobuses y motocicletas.
Una ventaja clave de los jets y turbopropulsores para la propulsión de aviones, su rendimiento superior a gran altitud en comparación con los motores de pistón, en particular los de aspiración natural , es irrelevante en la mayoría de las aplicaciones de automóviles. Su ventaja potencia-peso, aunque menos crítica que la de los aviones, sigue siendo importante.
Las turbinas de gas ofrecen un motor de alta potencia en un paquete muy pequeño y liviano. Sin embargo, no son tan sensibles y eficientes como los motores de pistón pequeños en la amplia gama de RPM y potencias necesarias en las aplicaciones de vehículos. En los vehículos híbridos en serie , dado que los motores eléctricos impulsores están separados mecánicamente del motor generador de electricidad, los problemas de capacidad de respuesta, bajo rendimiento a baja velocidad y baja eficiencia a baja potencia son mucho menos importantes. La turbina puede funcionar a una velocidad óptima para su potencia de salida, y las baterías y los ultracondensadores pueden suministrar energía según sea necesario, con el motor encendido y apagado para que funcione solo con alta eficiencia. La aparición de la transmisión continuamente variable también puede aliviar el problema de la capacidad de respuesta.
Históricamente, las turbinas han sido más caras de producir que los motores de pistón, aunque esto se debe en parte a que los motores de pistón se han producido en masa en grandes cantidades durante décadas, mientras que los motores de turbina de gas pequeños son una rareza; sin embargo, las turbinas se fabrican en serie en la forma estrechamente relacionada del turbocompresor .
El turbocompresor es básicamente una turbina de gas radial de eje libre compacta y simple que es impulsada por los gases de escape del motor de pistón . La rueda de turbina centrípeta impulsa una rueda de compresor centrífugo a través de un eje giratorio común. Esta rueda sobrealimenta la entrada de aire del motor en un grado que puede controlarse mediante una válvula de descarga o modificando dinámicamente la geometría de la carcasa de la turbina (como en un turbocompresor de geometría variable ). Sirve principalmente como un dispositivo de recuperación de energía que convierte una gran cantidad de energía térmica y cinética desperdiciada en un impulso del motor.
Los motores turbocompuestos (que de hecho se emplean en algunos camiones semirremolques ) están equipados con turbinas de purga que son similares en diseño y apariencia a un turbocompresor, excepto que el eje de la turbina está conectado mecánica o hidráulicamente al cigüeñal del motor en lugar de a un compresor centrífugo. , proporcionando así potencia adicional en lugar de impulso. Mientras que el turbocompresor es una turbina de presión, una turbina de recuperación de energía es una de velocidad.
Vehículos de pasajeros por carretera (automóviles, bicicletas y autobuses)
Se han realizado varios experimentos con automóviles propulsados por turbinas de gas , el más grande de Chrysler . [51] [52] Más recientemente, ha habido cierto interés en el uso de motores de turbina para automóviles eléctricos híbridos. Por ejemplo, un consorcio liderado por la empresa de micro turbinas de gas Bladon Jets ha asegurado la inversión del Technology Strategy Board para desarrollar un Ultra Lightweight Range Extender (ULRE) para vehículos eléctricos de próxima generación. El objetivo del consorcio, que incluye al fabricante de automóviles de lujo Jaguar Land Rover y la empresa líder en máquinas eléctricas SR Drives, es producir el primer generador de turbina de gas comercialmente viable y respetuoso con el medio ambiente del mundo diseñado específicamente para aplicaciones automotrices. [53]
El turbocompresor común para motores de gasolina o diesel también es un derivado de la turbina.
Coches de concepto
La primera investigación seria sobre el uso de una turbina de gas en automóviles fue en 1946 cuando dos ingenieros, Robert Kafka y Robert Engerstein de Carney Associates, una firma de ingeniería de Nueva York, idearon el concepto en el que un diseño de motor de turbina compacto único proporcionaría energía para un coche de tracción trasera. Después de que apareció un artículo en Popular Science , no hubo más trabajo, más allá de la etapa de papel. [54]
En 1950, el diseñador FR Bell y el ingeniero jefe Maurice Wilks de los fabricantes de automóviles británicos Rover presentaron el primer automóvil propulsado con un motor de turbina de gas. El JET1 biplaza tenía el motor colocado detrás de los asientos, rejillas de entrada de aire a cada lado del automóvil y salidas de escape en la parte superior de la cola. Durante las pruebas, el automóvil alcanzó velocidades máximas de 140 km / h (87 mph), a una velocidad de turbina de 50.000 rpm. El coche funcionaba con gasolina , parafina (queroseno) o gasóleo , pero los problemas de consumo de combustible resultaban insuperables para un coche de producción. Está en exhibición en el Museo de Ciencias de Londres .
Un automóvil francés propulsado por turbinas, el SOCEMA-Grégoire, se exhibió en el Auto Show de París de octubre de 1952 . Fue diseñado por el ingeniero francés Jean-Albert Grégoire . [55]
El primer automóvil propulsado por turbina construido en los EE. UU. Fue el GM Firebird I, que comenzó las evaluaciones en 1953. Si bien las fotos del Firebird I pueden sugerir que el empuje de la turbina a reacción impulsaba el automóvil como un avión, la turbina en realidad impulsaba las ruedas traseras. El Firebird 1 nunca fue diseñado como un automóvil comercial de pasajeros y fue construido únicamente para pruebas y evaluación, así como para fines de relaciones públicas. [56]
A partir de 1954 con un Plymouth modificado , [57] el fabricante de automóviles estadounidense Chrysler demostró varios prototipos de automóviles propulsados por turbinas de gas desde principios de la década de 1950 hasta principios de la de 1980. Chrysler construyó cincuenta Chrysler Turbine Cars en 1963 y realizó la única prueba de consumo de automóviles propulsados por turbinas de gas. [58] Cada una de sus turbinas empleaba un recuperador rotatorio único , conocido como regenerador que aumentaba la eficiencia. [57]
En 1954, Fiat presentó un prototipo con motor de turbina, llamado Fiat Turbina . Este vehículo, que parece un avión con ruedas, utiliza una combinación única de propulsión a chorro y del motor que impulsa las ruedas. Se afirmaron velocidades de 282 km / h (175 mph). [59]
El General Motors Firebird original era una serie de prototipos desarrollados para los salones de autos Motorama de 1953, 1956 y 1959 , propulsados por turbinas de gas.
En la década de 1960, Ford y GM estaban desarrollando semirremolques con turbina de gas. Uno de esos camiones conceptuales se conocía como Big Red. Con el remolque, tenía 29 m (96 pies) de largo y 4,0 m (13 pies) de alto y estaba pintado de rojo carmesí. Contenía el motor de turbina de gas desarrollado por Ford, con 450 kW (600 hp) y 1.160 N⋅m (855 lb⋅ft). El taxi contaba con un mapa de carreteras de los EE. UU. Continental, una mini cocina, un baño y un televisor para el copiloto. El destino del camión fue desconocido durante varias décadas, pero fue redescubierto a principios de 2021 en manos privadas, después de haber sido restaurado a su estado de funcionamiento. [60] [61] [62]
Como resultado de las Enmiendas de 1970 a la Ley de Aire Limpio de EE. UU. , Se financió la investigación para desarrollar tecnología de turbinas de gas para automóviles. [63] Los conceptos de diseño y los vehículos fueron realizados por Chrysler , General Motors , Ford (en colaboración con AiResearch ) y American Motors (junto con Williams Research ). [64] Se realizaron pruebas a largo plazo para evaluar la rentabilidad comparable. [65] Varios AMC Hornets fueron propulsados por una pequeña turbina de gas regenerativa Williams que pesaba 250 lb (113 kg) y producía 80 hp (60 kW; 81 PS) a 4450 rpm. [66] [67] [68]
Toyota demostró varios concept cars propulsados por turbinas de gas, como el híbrido de turbina de gas Century en 1975, el Sports 800 Gas Turbine Hybrid en 1979 y el GTV en 1985. No se fabricaron vehículos de producción. El motor GT24 se exhibió en 1977 sin vehículo.
A principios de la década de 1990, Volvo presentó el Volvo ECC, que era un vehículo eléctrico híbrido propulsado por turbina de gas . [69]
En 1993, General Motors presentó el primer vehículo híbrido comercial propulsado por turbina de gas , como una producción limitada del híbrido de la serie EV-1 . Una turbina de Williams International de 40 kW accionaba un alternador que accionaba el tren motriz eléctrico de batería . El diseño de la turbina incluía un recuperador. En 2006, GM se embarcó en el proyecto de automóvil conceptual EcoJet con Jay Leno .
En el Salón del Automóvil de París de 2010, Jaguar hizo una demostración de su concept car Jaguar C-X75 . Este superdeportivo eléctrico tiene una velocidad máxima de 204 mph (328 km / h) y puede ir de 0 a 62 mph (0 a 100 km / h) en 3.4 segundos. Utiliza baterías de iones de litio para alimentar cuatro motores eléctricos que se combinan para producir 780 CV. Viajará 68 millas (109 km) con una sola carga de las baterías y utiliza un par de micro turbinas de gas Bladon para recargar las baterías extendiendo el alcance a 560 millas (900 km). [70]
Carros de carreras
El primer auto de carreras (solo en concepto) equipado con una turbina fue en 1955 por un grupo de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Como un proyecto de hobby con una turbina prestada por Boeing y un auto de carreras propiedad de la compañía Firestone Tire & Rubber. [71] El primer coche de carreras equipado con una turbina para el objetivo de las carreras reales fue Rover y el equipo BRM de Fórmula Uno unió fuerzas para producir el Rover-BRM , un cupé propulsado por turbina de gas, que entró en las 24 Horas de Le Mans de 1963. , conducido por Graham Hill y Richie Ginther . Tenía un promedio de 173,5 km / h (107,8 mph) y tenía una velocidad máxima de 229 km / h (142 mph). El estadounidense Ray Heppenstall se unió a Howmet Corporation y McKee Engineering para desarrollar su propio automóvil deportivo de turbina de gas en 1968, el Howmet TX , que organizó varios eventos estadounidenses y europeos, incluidas dos victorias, y también participó en las 24 Horas de Le Mans de 1968 . Los autos usaban turbinas de gas Continental , que finalmente establecieron seis récords de velocidad en tierra de la FIA para autos con turbinas. [72]
Para las carreras de ruedas abiertas , el revolucionario STP-Paxton Turbocar de 1967 conducido por la leyenda empresarial y de las carreras Andy Granatelli y conducido por Parnelli Jones casi ganó las 500 Millas de Indianápolis ; el coche de turbina motorizado Pratt & Whitney ST6B-62 estaba casi una vuelta por delante del coche del segundo lugar cuando un cojinete de la caja de cambios falló a solo tres vueltas de la línea de meta. Al año siguiente, el coche de turbina STP Lotus 56 ganó la pole position de las 500 Millas de Indianápolis a pesar de que las nuevas reglas restringieron la entrada de aire de forma espectacular. En 1971 , el director del equipo Lotus , Colin Chapman, presentó el auto Lotus 56B F1, propulsado por una turbina de gas Pratt & Whitney STN 6/76 . Chapman tenía la reputación de fabricar coches radicales ganadores de campeonatos, pero tuvo que abandonar el proyecto porque había demasiados problemas con el retraso del turbo .
Autobuses
La llegada de Capstone Turbine ha dado lugar a varios diseños de autobuses híbridos, comenzando con HEV-1 por AVS de Chattanooga, Tennessee en 1999, y seguido de cerca por Ebus e ISE Research en California, y DesignLine Corporation en Nueva Zelanda (y más tarde los Estados Unidos Estados). Los híbridos de turbinas AVS estuvieron plagados de problemas de confiabilidad y control de calidad, lo que resultó en la liquidación de AVS en 2003. El diseño más exitoso de Designline ahora opera en 5 ciudades en 6 países, con más de 30 autobuses en operación en todo el mundo, y el pedido de varios cientos entregado a Baltimore y la ciudad de Nueva York.
Brescia Italia está utilizando autobuses híbridos en serie propulsados por microturbinas en rutas a través de las secciones históricas de la ciudad. [73]
Motocicletas
La MTT Turbine Superbike apareció en 2000 (de ahí la designación de Y2K Superbike por MTT) y es la primera motocicleta de producción impulsada por un motor de turbina, específicamente, un motor de turboeje Rolls-Royce Allison modelo 250, que produce aproximadamente 283 kW (380 bhp). Probado a una velocidad de 365 km / ho 227 mph (según algunas historias, el equipo de pruebas se quedó sin carretera durante la prueba), tiene el récord mundial Guinness de la motocicleta de producción más potente y la motocicleta de producción más cara, con una etiqueta de precio. de US $ 185.000.
Trenes
Varias clases de locomotoras han sido impulsadas por turbinas de gas, siendo la encarnación más reciente el JetTrain de Bombardier .
Tanques
La división de desarrollo de la Wehrmacht Heer del Tercer Reich , la Heereswaffenamt (Junta de Artillería del Ejército), estudió varios diseños de motores de turbina de gas para su uso en tanques a partir de mediados de 1944. El primer diseño de motor de turbina de gas destinado a su uso en la propulsión de vehículos de combate blindados, el GT 101 basado en BMW 003 , estaba destinado a la instalación en el tanque Panther . [74]
El segundo uso de una turbina de gas en un vehículo de combate blindado fue en 1954 cuando una unidad, PU2979, desarrollada específicamente para tanques por CA Parsons and Company , se instaló y probó en un tanque británico Conqueror . [75] El Stridsvagn 103 fue desarrollado en la década de 1950 y fue el primer tanque de batalla principal producido en serie que utilizó un motor de turbina, el Boeing T50 . Desde entonces, los motores de turbina de gas se han utilizado como unidades de energía auxiliares en algunos tanques y como centrales eléctricas principales en los tanques T-80 soviéticos / rusos y los tanques M1 Abrams de EE. UU. , Entre otros. Son más livianos y más pequeños que los motores diésel con la misma potencia sostenida, pero los modelos instalados hasta la fecha son menos eficientes en combustible que el diésel equivalente, especialmente en ralentí, y requieren más combustible para lograr el mismo rango de combate. Los modelos sucesivos de M1 han abordado este problema con paquetes de baterías o generadores secundarios para alimentar los sistemas del tanque mientras está parado, ahorrando combustible al reducir la necesidad de inactividad de la turbina principal. Los T-80 pueden montar tres bidones de combustible externos grandes para ampliar su alcance. Rusia ha detenido la producción del T-80 a favor del T-90 con motor diésel (basado en el T-72 ), mientras que Ucrania ha desarrollado el T-80UD y el T-84 con motor diésel con casi la potencia del gas. -tanque de turbina. El motor diesel del tanque francés Leclerc cuenta con el sistema de sobrealimentación híbrido "Hyperbar", donde el turbocompresor del motor se reemplaza completamente por una pequeña turbina de gas que también funciona como un turbocompresor de escape diesel asistido, lo que permite un control del nivel de sobrealimentación independiente de las RPM del motor y un mayor presión de sobrealimentación máxima que se debe alcanzar (que con los turbocompresores normales). Este sistema permite utilizar un motor de menor cilindrada y más ligero como planta de energía del tanque y elimina eficazmente el retraso del turbo . Esta turbina / turbocompresor de gas especial también puede funcionar independientemente del motor principal como una APU ordinaria.
Una turbina es teóricamente más confiable y más fácil de mantener que un motor de pistón, ya que tiene una construcción más simple con menos partes móviles, pero en la práctica, las partes de la turbina experimentan una mayor tasa de desgaste debido a sus velocidades de trabajo más altas. Las palas de la turbina son muy sensibles al polvo y la arena fina, por lo que en las operaciones en el desierto los filtros de aire deben instalarse y cambiarse varias veces al día. Un filtro mal colocado, o un fragmento de bala o proyectil que perfora el filtro, pueden dañar el motor. Los motores de pistón (especialmente si están turboalimentados) también necesitan filtros en buen estado, pero son más resistentes si el filtro falla.
Como la mayoría de los motores diésel modernos utilizados en tanques, las turbinas de gas suelen ser motores de varios combustibles.
Aplicaciones marinas
Las turbinas de gas se utilizan en muchos buques de guerra , donde se valoran por su alta relación potencia / peso y la aceleración resultante de sus buques y su capacidad para ponerse en marcha rápidamente.
La primera turbina de gas alimentado buque de la marina fue la marina de guerra real 's motor de la pistola Barco MGB 2009 (anteriormente MGB 509 ) convertida en 1947. Metropolitan-Vickers equipada su F2 / 3 motor a reacción con una turbina de potencia. El Steam Gun Boat Grey Goose se convirtió en turbinas de gas Rolls-Royce en 1952 y se operó como tal desde 1953. [76] Los barcos patrulleros rápidos clase Bold Bold Pioneer y Bold Pathfinder construidos en 1953 fueron los primeros barcos creados específicamente para la propulsión de turbinas de gas. . [77]
Los primeros barcos a gran escala, parcialmente propulsados por turbinas de gas, fueron las fragatas Tipo 81 (clase Tribal) de la Royal Navy con centrales eléctricas combinadas de vapor y gas . El primero, el HMS Ashanti, se encargó en 1961.
La Armada alemana lanzó la primera fragata clase Köln en 1961 con 2 turbinas de gas Brown, Boveri & Cie en el primer sistema combinado de propulsión diesel y gas del mundo.
La Armada Soviética encargó en 1962 el primero de los 25 destructores de la clase Kashin con 4 turbinas de gas en un sistema combinado de propulsión de gas y gas . Esos buques utilizaron 4 turbinas de gas M8E, que generaron 54 000 a 72 000 kW (72 000 a 96 000 hp). Esos barcos fueron los primeros barcos grandes del mundo propulsados únicamente por turbinas de gas.
La Armada danesa tuvo 6 lanchas torpederos clase Søløven (la versión de exportación de la lancha patrullera rápida de la clase Brave británica ) en servicio desde 1965 hasta 1990, que tenían 3 turbinas de gas marino Bristol Proteus (más tarde RR Proteus) con una potencia de 9.510 kW (12.750 shp). ) combinados, más dos motores diésel de General Motors , con una potencia nominal de 340 kW (460 shp), para una mejor economía de combustible a velocidades más lentas. [78] Y también produjeron 10 botes de misiles guiados / torpedos de la clase Willemoes (en servicio desde 1974 hasta 2000) que tenían 3 turbinas de gas Rolls Royce Marine Proteus también con una potencia de 9.510 kW (12.750 shp), al igual que los barcos de la clase Søløven, y 2 motores diésel de General Motors, con una potencia nominal de 600 kW (800 shp), también para una mejor economía de combustible a bajas velocidades. [79]
La Armada sueca produjo 6 torpederos de la clase Spica entre 1966 y 1967 propulsados por 3 turbinas Bristol Siddeley Proteus 1282 , cada una de las cuales entregó 3210 kW (4300 shp). Más tarde se les unieron 12 barcos mejorados de la clase Norrköping, todavía con los mismos motores. Con sus tubos de torpedos de popa reemplazados por misiles antibuque, sirvieron como botes de misiles hasta que el último fue retirado en 2005. [80]
La Armada de Finlandia encargó dos Turunmaa -class corbetas , Turunmaa y Karjala , en 1968. Estaban equipados con uno 16.410 kW (22.000 env) Rolls-Royce Olympus turbina de gas TM1 y tres Wärtsilä motores diesel marinos para velocidades más lentas. Eran los buques más rápidos de la Armada finlandesa; regularmente alcanzaban velocidades de 35 nudos y 37,3 nudos durante las pruebas de mar. Los Turunmaa fueron clausurados en 2002. Karjala es hoy un barco museo en Turku , y Turunmaa sirve como taller de maquinaria flotante y barco de entrenamiento para Satakunta Polytechnical College.
La siguiente serie de buques de guerra importantes fueron los cuatro helicópteros canadienses de clase Iroquois que se pusieron en servicio por primera vez en 1972. Utilizaron motores de propulsión principales de 2 pies-4, motores de crucero de 2 pies-12 y 3 generadores Solar Saturn de 750 kW.
El primer barco estadounidense propulsado por turbinas de gas fue el Point Thatcher de la Guardia Costera de los Estados Unidos , un cortador encargado en 1961 que funcionaba con dos turbinas de 750 kW (1000 shp) que utilizaban hélices de paso controlable. [81] Los cortadores de alta resistencia más grandes de la clase Hamilton , fueron la primera clase de cortadores más grandes en utilizar turbinas de gas, el primero de los cuales ( USCGC Hamilton ) se encargó en 1967. Desde entonces, han impulsado al Oliver Hazard Perry de la Marina de los EE. UU . fragatas de la clase , Spruance y Arleigh Burke -Clase destructores, y Ticonderoga -class cruceros de misiles guiados . El USS Makin Island , un barco de asalto anfibio de clase Wasp modificado , será el primer barco de asalto anfibio de la Armada propulsado por turbinas de gas. La turbina de gas marino funciona en una atmósfera más corrosiva debido a la presencia de sal marina en el aire y el combustible y al uso de combustibles más baratos.
Marítimo civil
Hasta finales de la década de 1940, gran parte del progreso de las turbinas de gas marinas en todo el mundo se llevó a cabo en oficinas de diseño y talleres de construcción de motores, y el trabajo de desarrollo estuvo a cargo de la Royal Navy británica y otras armadas. Si bien el interés por la turbina de gas para fines marinos, tanto naval como mercantil, siguió aumentando, la falta de disponibilidad de los resultados de la experiencia operativa en los primeros proyectos de turbinas de gas limitó el número de nuevas empresas en embarcaciones comerciales marítimas. En 1951, el petrolero diesel-eléctrico Auris , de 12.290 toneladas de peso muerto (DWT) se utilizó para obtener experiencia operativa con una turbina de gas de propulsión principal en condiciones de servicio en el mar y así se convirtió en el primer buque mercante de alta mar en ser propulsado por un gas. turbina. Construido por Hawthorn Leslie en Hebburn-on-Tyne , Reino Unido, de acuerdo con los planos y especificaciones elaborados por la Anglo-Saxon Petroleum Company y botado en el cumpleaños número 21 de la princesa Isabel del Reino Unido en 1947, el barco fue diseñado con una sala de máquinas. diseño que permitiría el uso experimental de combustible pesado en uno de sus motores de alta velocidad, así como la futura sustitución de uno de sus motores diésel por una turbina de gas. [82] El Auris operó comercialmente como camión cisterna durante tres años y medio con una unidad de propulsión diesel-eléctrica como se puso en servicio originalmente, pero en 1951 uno de sus cuatro motores diesel de 824 kW (1105 bhp), que se conocían como "Faith", "Hope", "Charity" y "Prudence": fue reemplazado por el primer motor de turbina de gas marino del mundo, un turboalternador de gas de ciclo abierto de 890 kW (1200 bhp) construido por British Thompson-Houston Company en Rugby . Después de pruebas exitosas en el mar frente a la costa de Northumbria, el Auris zarpó de Hebburn-on-Tyne en octubre de 1951 con destino a Port Arthur en los EE. UU. Y luego a Curazao en el Caribe sur y regresó a Avonmouth después de 44 días en el mar, completando con éxito su histórico trans. -Travesía atlántica. Durante este tiempo en el mar, la turbina de gas quemó combustible diesel y funcionó sin una parada involuntaria o dificultad mecánica de ningún tipo. Posteriormente visitó Swansea, Hull, Rotterdam , Oslo y Southampton cubriendo un total de 13.211 millas náuticas. El Auris entonces tenía todas sus plantas de energía reemplazado con un 3910 kW (5250 SHP) de turbina de gas acoplado directamente para convertirse en la primera nave civil para operar exclusivamente en potencia de la turbina de gas.
A pesar del éxito de este viaje experimental temprano, la turbina de gas no reemplazó al motor diesel como planta de propulsión para los grandes buques mercantes. A velocidades de crucero constantes, el motor diésel simplemente no tenía rival en el área vital de la economía de combustible. La turbina de gas tuvo más éxito en los barcos de la Royal Navy y las otras flotas navales del mundo donde los buques de guerra en acción requieren cambios repentinos y rápidos de velocidad. [83]
La Comisión Marítima de los Estados Unidos estaba buscando opciones para actualizar los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial , y las turbinas de gas de servicio pesado fueron una de las seleccionadas. En 1956, el John Sergeant se alargó y se equipó con una turbina de gas HD General Electric de 4.900 kW (6.600 shp) con regeneración de gases de escape, engranajes reductores y una hélice de paso variable . Operó durante 9.700 horas utilizando combustible residual ( Bunker C ) durante 7.000 horas. La eficiencia del combustible estuvo a la par con la propulsión de vapor a 0.318 kg / kW (0.523 lb / hp) por hora, [84] y la potencia de salida fue mayor de lo esperado a 5.603 kW (7.514 shp) debido a la temperatura ambiente de la ruta del Mar del Norte. siendo menor que la temperatura de diseño de la turbina de gas. Esto le dio al barco una capacidad de velocidad de 18 nudos, frente a los 11 nudos con la central eléctrica original, y muy por encima de los 15 nudos previstos. El barco hizo su primera travesía transatlántica con una velocidad media de 16,8 nudos, a pesar de algunas inclemencias del tiempo en el camino. El combustible Bunker C adecuado solo estaba disponible en puertos limitados porque la calidad del combustible era de naturaleza crítica. El fueloil también tuvo que ser tratado a bordo para reducir los contaminantes y este fue un proceso intensivo en mano de obra que no era adecuado para la automatización en ese momento. Finalmente, la hélice de paso variable, que era de un diseño nuevo y no probado, terminó la prueba, ya que tres inspecciones anuales consecutivas revelaron agrietamiento por tensión. Sin embargo, esto no se reflejó mal en el concepto de turbina de gas de propulsión marina, y la prueba fue un éxito en general. El éxito de esta prueba abrió el camino para un mayor desarrollo por parte de GE sobre el uso de turbinas de gas HD para uso marino con combustibles pesados. [85] El John Sergeant fue desechado en 1972 en Portsmouth PA.
Boeing lanzó su primer hidroala Boeing 929 propulsado por chorro de agua para pasajeros en abril de 1974. Esos barcos estaban propulsados por dos turbinas de gas Allison 501- KF. [86]
Entre 1971 y 1981, Seatrain Lines operó un servicio de contenedores programado entre puertos en la costa este de los Estados Unidos y puertos en el noroeste de Europa a través del Atlántico Norte con cuatro portacontenedores de 26,000 toneladas DWT. Esos barcos estaban propulsados por turbinas de gas gemelas Pratt & Whitney de la serie FT 4. Los cuatro barcos de la clase se denominaron Euroliner , Eurofreighter , Asialiner y Asiafreighter . Tras los dramáticos aumentos de precios de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) de mediados de la década de 1970, las operaciones se vieron limitadas por el aumento de los costos del combustible. Se emprendió alguna modificación de los sistemas de motor de esos barcos para permitir la quema de un combustible de menor grado (es decir, diesel marino ). La reducción de los costos de combustible fue exitosa utilizando un combustible diferente no probado en una turbina de gas marina, pero los costos de mantenimiento aumentaron con el cambio de combustible. Después de 1981, los barcos se vendieron y se reacondicionaron con lo que en ese momento eran motores de combustible diesel más económicos, pero el mayor tamaño del motor redujo el espacio de carga. [ cita requerida ]
El primer ferry de pasajeros que utilizó una turbina de gas fue el GTS Finnjet , construido en 1977 y propulsado por dos turbinas Pratt & Whitney FT 4C-1 DLF, que generaban 55.000 kW (74.000 shp) y propulsaban el barco a una velocidad de 31 nudos. Sin embargo, el Finnjet también ilustró las deficiencias de la propulsión de turbinas de gas en embarcaciones comerciales, ya que los altos precios del combustible hicieron que su funcionamiento no fuera rentable. Después de cuatro años de servicio, se instalaron motores diesel adicionales en el barco para reducir los costos de funcionamiento durante la temporada baja. El Finnjet también fue el primer barco con una propulsión combinada diesel-eléctrica y de gas . Otro ejemplo de uso comercial de turbinas de gas en un barco de pasajeros es Stena Line 's HSS clase transbordadores fastcraft. Los buques Stena Explorer , Stena Voyager y Stena Discovery de la clase HSS 1500 utilizan configuraciones de gas y gas combinadas de GE LM2500 gemelas más GE LM1600 para un total de 68,000 kW (91,000 shp). El Stena Carisma de la clase HSS 900, un poco más pequeño , utiliza turbinas gemelas ABB - STAL GT35 con una potencia bruta de 34.000 kW (46.000 shp). El Stena Discovery fue retirado del servicio en 2007, otra víctima de los costos de combustible demasiado altos. [ cita requerida ]
En julio de 2000, el Millennium se convirtió en el primer crucero propulsado por turbinas de gas y de vapor. El barco contaba con dos generadores de turbina de gas General Electric LM2500 cuyo calor de escape se utilizó para operar un generador de turbina de vapor en una configuración COGES (combinación de gas eléctrico y vapor). La propulsión fue proporcionada por dos cápsulas azimutales Rolls-Royce Mermaid accionadas eléctricamente. El transatlántico RMS Queen Mary 2 utiliza una configuración combinada de gas y diesel. [87]
En aplicaciones de carreras marinas, el catamarán C5000 Mystic 2010 Miss GEICO utiliza dos turbinas Lycoming T-55 para su sistema de potencia. [ cita requerida ]
Avances en tecnología
La tecnología de las turbinas de gas ha avanzado constantemente desde sus inicios y continúa evolucionando. El desarrollo está produciendo activamente tanto turbinas de gas más pequeñas como motores más potentes y eficientes. Para ayudar en estos avances están el diseño basado en computadora (específicamente la dinámica de fluidos computacional y el análisis de elementos finitos ) y el desarrollo de materiales avanzados: Materiales base con resistencia superior a altas temperaturas (por ejemplo, superaleaciones monocristalinas que exhiben anomalías en el límite elástico ) o barrera térmica. Recubrimientos que protegen el material estructural de temperaturas cada vez más elevadas. Estos avances permiten mayores relaciones de compresión y temperaturas de entrada a la turbina, una combustión más eficiente y una mejor refrigeración de las piezas del motor.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) ha contribuido a mejoras sustanciales en el rendimiento y la eficiencia de los componentes del motor de turbina de gas a través de una mejor comprensión de los complejos fenómenos de transferencia de calor y flujo viscoso involucrados. Por esta razón, CFD es una de las herramientas computacionales clave utilizadas en el diseño y desarrollo de motores de turbina de gas [88] [89] .
Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas prácticamente se duplicaron al incorporar enfriamiento intermedio, regeneración (o recuperación) y recalentamiento. Estas mejoras, por supuesto, se producen a expensas de un aumento de los costos iniciales y operativos, y no pueden justificarse a menos que la disminución de los costos de combustible compense el aumento de otros costos. Los precios relativamente bajos del combustible, el deseo general de la industria de minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a alrededor del 40 por ciento dejaron poco deseo de optar por estas modificaciones. [90]
Por el lado de las emisiones, el desafío es aumentar las temperaturas de entrada de la turbina y, al mismo tiempo, reducir la temperatura máxima de la llama para lograr menores emisiones de NOx y cumplir con las últimas regulaciones de emisiones. En mayo de 2011, Mitsubishi Heavy Industries alcanzó una temperatura de entrada de turbina de 1.600 ° C en una turbina de gas de 320 megavatios y 460 MW en aplicaciones de generación de energía de ciclo combinado de turbinas de gas en las que la eficiencia térmica bruta supera el 60%. [91]
Los cojinetes de láminas compatibles se introdujeron comercialmente en las turbinas de gas en la década de 1990. Estos pueden soportar más de cien mil ciclos de arranque / parada y han eliminado la necesidad de un sistema de aceite. La aplicación de la microelectrónica y la tecnología de conmutación de energía han permitido el desarrollo de una generación de electricidad comercialmente viable mediante microturbinas para distribución y propulsión de vehículos.
Ventajas y desventajas
Las siguientes son ventajas y desventajas de los motores de turbina de gas: [92]
Ventajas
- Muy alta relación potencia-peso en comparación con motores alternativos.
- Más pequeño que la mayoría de los motores alternativos de la misma potencia nominal.
- La rotación suave del eje principal produce mucha menos vibración que un motor alternativo.
- Menos piezas móviles que los motores alternativos dan como resultado un menor costo de mantenimiento y una mayor confiabilidad / disponibilidad durante su vida útil.
- Mayor confiabilidad, particularmente en aplicaciones donde se requiere una salida de alta potencia sostenida.
- El calor residual se disipa casi por completo en el escape. Esto da como resultado una corriente de escape a alta temperatura que es muy útil para hervir agua en un ciclo combinado o para la cogeneración .
- Presiones máximas de combustión más bajas que los motores alternativos en general.
- Altas velocidades de eje en "unidades de turbina libre" más pequeñas, aunque las turbinas de gas más grandes empleadas en la generación de energía operan a velocidades sincrónicas.
- Bajo coste y consumo de aceite lubricante.
- Puede funcionar con una amplia variedad de combustibles.
- Emisiones tóxicas muy bajas de CO y HC debido al exceso de aire, combustión completa y ausencia de "apagado" de la llama en superficies frías.
- No requiera el típico "calentamiento" después de arrancar que los motores alternativos; Las turbinas se pueden poner bajo carga operativa normal inmediatamente después de que se completa el procedimiento de arranque y se estabiliza el ralentí.
Desventajas
- Los costos del motor central pueden ser altos debido al uso de materiales exóticos.
- Menos eficiente que los motores alternativos al ralentí.
- Arranque más prolongado que los motores alternativos.
- Menos sensible a los cambios en la demanda de potencia en comparación con los motores alternativos.
- El quejido característico puede ser difícil de reprimir.
Pruebas
Se utilizan códigos de prueba británicos, alemanes y otros códigos de prueba nacionales e internacionales para estandarizar los procedimientos y definiciones utilizados para probar turbinas de gas. La selección del código de prueba que se utilizará es un acuerdo entre el comprador y el fabricante, y tiene cierta importancia para el diseño de la turbina y los sistemas asociados. En los Estados Unidos, ASME ha elaborado varios códigos de prueba de rendimiento en turbinas de gas. Esto incluye ASME PTC 22-2014. Estos códigos de prueba de rendimiento de ASME han ganado reconocimiento y aceptación internacional para probar turbinas de gas. La característica más importante y diferenciadora de los códigos de prueba de rendimiento de ASME, incluido el PTC 22, es que la incertidumbre de la prueba de la medición indica la calidad de la prueba y no debe utilizarse como tolerancia comercial.
Ver también
- Sistema de arranque por aire
- Compresor axial
- Compresor centrífugo
- Generación distribuida
- Locomotora eléctrica de turbina de gas
- Locomotora de turbina de gas
- Reactor de helio modular de turbina de gas
- Medición de tensión no intrusiva
- Motor neumatico
- Turbina de vapor
- Fallo del motor de turbina
- Turbina eólica
Referencias
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'Para la lámpara de caballo al trote, haga un corte de papel como objetos en forma de rueda y la vela calentará el aire que se elevará y empujará el corte de papel para que se mueva, y las sombras del corte de papel serán proyectadas por la luz de la vela en el pantalla.' ... El juicio de los registros de la dinastía Song muestra que la invención de la lámpara de caballo al trote de China no fue posterior al año 1000 d.C. ... Evidentemente, la lámpara del caballo al trote ya ha tenido el rudimento de una turbina de gas.
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- " Gas Turbine Performance, 2nd Edition" por Philip Walsh y Paul Fletcher, Wiley-Blackwell, 2004ISBN 978-0-632-06434-2
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enlaces externos
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- Bonnier Corporation (diciembre de 1939). "Nueva era en el poder para girar ruedas" . Ciencia popular . Bonnier Corporation. pag. 81.
- Velocidad tecnológica de los motores a reacción civiles
- Laboratorio de turbinas de gas del MIT
- Investigación de microturbinas del MIT
- Guía de recursos de energía distribuida de California: generadores de microturbinas
- Introducción al funcionamiento de una turbina de gas de "cómo funcionan las cosas.com". Archivado el 16 de junio de 2008 en Wayback Machine.
- Simulador de turbina de gas de avión para aprendizaje interactivo
- Un manual en línea sobre tecnologías de turbinas de gas estacionarias compilado por el Departamento de Energía de EE. UU.