Turbinas
de Gas
ÍNDICE:
1.
Introducción .
2.
Principio de funcionamiento .
3.
Historia y evolución de la turbina de gas.
1. Introducción
Las turbinas de gas son
turbomáquinas que, de un modo
general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya
franja de
operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las microturbinas)
hasta 500
MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los
motores
alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con la
instalaciones de
vapor de pequeña y media potencia.
Figura 1: Situación de las turbinas en el
conjunto de máquinas.
Sus principales
ventajas son su pequeño peso y
volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación.
Esto hace
que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones,
especialmente las
referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y
aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una
clara
ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de
movimientos
alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que
se dan
entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de
equilibrado y
menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto
con
superficies calientes ni con productos de combustión.
Comparadas con las
turbinas de vapor, las turbinas de
gas apenas tienen necesidades de refrigeración, lo que facilita
enormemente su
instalación. Además, su baja inercia térmica les permite alcanzar su
plena
carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determinadas
aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rápidas
(regulación de
red o abastecimiento de picos de demanda).
Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores
alternativos
otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales: un mantenimiento
sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada
fiabilidad. En
efecto, la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración,
la
continuidad del proceso de combustión y la ausencia de movimientos
alternativos
hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalación de
generación
eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad
valores de
disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al
99% si la
instalación está bien diseñada, bien construida, bien operada y con un
adecuado
nivel de mantenimiento.
No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre
los que
hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo
rendimiento
(30-35%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos
desarrollos ya
alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores
del 40%
son muy normales).
Normalmente se entiende por
turbina de gas el conjunto
formado por los siguientes elementos:
- Compresor,
responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo.
- Sistema
de aporte de calor al fluido.
- Elemento
expansor, o turbina propiamente dicha.
Sus
aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de
aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se
utilizaron
para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron
al campo
de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la
segunda
guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para la
generación
de energía eléctrica, aplicación para la que se han desarrollado
modelos
específicos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese
mercado. La
posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir
vapor
aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más
energía
eléctrica (en los denominados ciclos combinados gas-vapor) han
provocado una
auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la
turbina
de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años.
2. Principio de
funcionamiento
Una turbina de gas es un motor
térmico rotativo de
combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un
combustible se
produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor
en forma
de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.
Figura
2:
Flujos en una turbina de gas.
El ciclo térmico que representa
esta máquina es el ciclo
Brayton. La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva
continuamente
el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la
atmósfera y
comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se
mezcla con el
combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de
la
combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven
el eje,
que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
3.
Historia y evolución de la turbina de gas
Hoy en día, el diseño de
turbina de gas que se ha impuesto
está basado en un compresor axial multietapa, una cámara de combustión
interna
y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante
compacta
que da idea de un equipo unitario. Pero al diseño de turbina
predominante hoy
en día se ha llegado después de una larga evolución desarrollada a lo
largo del
sigo XX, principalmente.
La primera referencia al
fenómeno en que se basa la turbina
hay que buscarla en el año 150
A.C de manos del filósofo egipcio Hero, que
ideó un pequeño
juguete llamado Aeolípilo, que giraba a partir del vapor generado en
una
pequeña caldera (figura 3). El juguete era una pura elucubración
mental, pues
no se tiene constancia de que jamás fuera construido.
Figura
3: Aeolipilo de Hero.
En 1687 Isaac Newton anuncia
sus leyes del movimiento.
Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre
acción y
reacción: “para cada acción habrá una reacción de la misma fuerza e
intensidad
pero de sentido opuesto”. Un ejemplo puede verse en la figura 4 Cuando
las fuerzas
se equilibran, son iguales en todas las direcciones. Pero al pinchar el
globo o
soltar la boquilla ocurre una acción que desequilibra el sistema.
Figura
4: 3ª Ley de Newton.
La
primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F.
Stolze en 1872
a partir de una patente de Fernlhougs, y
construida
realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa,
un
intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la
cámara
de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para este
fin, y
una turbina de expansión multietapa. A pesar de lo genial del diseño,
el poco éxito
fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como de la turbina,
por las
bajas relaciones de compresión y la baja temperatura máxima alcanzada
en
función de los materiales disponibles en la época.
Figura 5: Turbina diseñada por Stolz en 1872.
(A) Compresor axial
multietapa; (B) Turbina de reacción multietapa; (C) Precalentador de
aire de
admisión con los gases de escape.
La relación de compresión era
sin duda uno de los retos a
superar para el desarrollo de las turbinas, pues mientras no se
consiguieran
compresores eficaces era imposible desarrollar turbinas con
rendimientos que
permitieran su desarrollo. Los primeros turbocompresores axiales de
rendimiento
aceptable aparecen en 1926,
A. A. Griffith establece los principios
básicos de su
teoría del perfil aerodinámico para el diseño de compresores y
turbinas, y es a
partir de aquí cuando se emprende el desarrollo de los compresores
axiales. La
teoría del perfil aerodinámico expuesta por Griffith es sin duda un
importante
hito en el desarrollo de las turbinas de gas tal y como las conocemos
hoy en
día, y gracias a los conocimientos desarrollados por Griffith se
consiguió
desarrollar compresores y turbinas de alto rendimiento.
Figura 6: Cortesía de ASEA Brown Boveri AG. La
primera turbina de
gas industrial para generación eléctrica, presentada en 1939 en la
Swiss National
Exhibition en 1939.
Su potencia era de 4000 KW.
Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenían
una finalidad
industrial, y no conseguían competir con los motores alternativos a
pistón,
debido siempre a su bajo rendimiento máximo (20%). Pero sus
características de
bajo peso y pequeño volumen hicieron que un poco antes del inicio de la
segunda
guerra mundial comenzara el desarrollo de turbinas para uso
aeronáutico.
Así, Whittle en Gran Bretaña en 1930 concibió y patentó el uso de un
reactor como
medio de propulsión. Alemania, por su parte, también desarrolló en
paralelo su
primer motor a reacción para aviación. En 1939 Heinkel hizo volar el
primer
avión utilizando un motor a reacción de gas. No obstante, con las
mayores
velocidades alcanzables aparecieron nuevos problemas aerodinámicos que
tuvieron
que ir solucionándose. Hasta el final de la guerra (1944-1945) no se
consiguió
que un avión propulsado consiguiera volar de forma eficiente.
Figura 7: HE 178 de Heinkel.
Este uso masivo del motor de
reacción unido a los nuevos
conocimientos de aerodinámica permitió el desarrollo de turbo máquinas
con alto
rendimiento. De esta forma, a partir de los años 60 el uso del reactor
se
generalizó y en la década de los 70 prácticamente toda la aviación de
gran
potencia era impulsada por turbinas.
El desarrollo de la turbina de gas ha tenido históricamente, pues, tres
obstáculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo:
- La
relación de compresión del compresor y su rendimiento.
- La
resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la
cámara
de combustión y en las primeras etapas de la turbina.
- En
menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma
manual.
El desarrollo de la turbina de
gas sólo ha sido posible
tras desarrollar un compresor axial a partir de la mejora de conceptos
aerodinámicos, que han permitido altas relaciones de compresión. El
segundo de
los pilares ha sido la innovación tecnológica en el campo de los
materiales,
con el desarrollo de nuevas aleaciones mono cristal y recubrimientos
cerámicos.
Esto, unido un profundo estudio de la refrigeración interior del alabe
ha
permitido alcanzar temperaturas muy altas tanto en cámara de combustión
como en
las primeras ruedas de álabes.
La tercera de las claves ha
sido el desarrollo de la
informática. El empleo de ordenadores ha permitido por un lado poder
simular
determinadas condiciones y comportamientos, para así mejorar los
diseños. Por
otro, ha permitido desarrollar sistemas de control que permiten de
forma muy
sencilla para el operador arrancar, parar y vigilar los principales
parámetros
de operación de la máquina minuto a minuto, y además pueden
diagnosticar el
estado técnico del equipo y predecir futuros fallos.
Figura 8: Interior del compresor de alta
presión de una turbina
industrial. El diseño aerodinámico de los álabes es una de las claves
de su
excelente rendimiento.
En la década de los 70 se
intensificó el uso de turbinas
para generación de electricidad. Así, en 1974 se construyó la primera
instalación de 50 MW. En España, la primera turbina de gas de gran
tamaño (260
MW) se puso en marcha en el año 2002, arrancando la era de las
centrales
térmicas de ciclo combinado que ya había comenzado hacía tiempo en
otros
países.
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