Principio termodinámico
Una turbina de gas funciona según el principio de ciclo abierto. Una característica típica del ciclo abierto es que: la sustancia activa se toma del ambiente y se vuelve al ambiente.
- Compresión adiabática del gas frío con un compresor (A) de presión ambiente p1 a la presión p2, con el aumento de temperatura respectivo de T1 a T2.
- Calentamiento isobárico de gas de T2 a T3 mediante la alimentación de calor. La alimentación de calor se realiza quemando combustible con el oxígeno atmosférico en la cámara de combustión (B).
- Expansión adiabática von
de gas caliente en una turbina (C) de presión p2 a p1, con la reducción de temperatura correspondiente de T3 a T4.
Una parte de la potencia, que se extrae con la turbina, sirve para el accionamiento del compresor. El resto queda disponible como potencia útil. Así se puede accionar, p. ej., un generador (D).
Diagrama T-s: representación del proceso ideal de turbina de gas
q1 absorbción de calor, q2 cesión de calor, w trabajo útil, T temperatura, s entropía
Áreas de aplicación
Se utilizan turbinas de gas cuando se requiere una potencia alta y un peso escaso.
- propulsión de aviones con motores turborreactores y de hélice
- propulsión de barcos rapidos, locomotoras y vehículos de carga rápidos
- propulsión de generadores eléctricos en centrales energéticas
- propulsión de compresores y bombas en la extracción de gas natural y aceite
Esquema de un sistema de turbina de gas sencillo:
A compresor, B cámara de combustión, C turbina, D generador;
flechas: aire (azul), combustible (rojo), gas residual (naranja)
Una ventaja adicional es la rápida disposición de servicio. Las turbinas de gas pueden ponerse a carga total en muy poco tiempo y por ello se utilizan como accionamientos para las horas punta y de reserva. Un inconveniente es el alto consumo de combustible en comparación con el motor diesel.
Principio de una turbina de gas de eje doble
Una turbina de gas de eje doble consta de dos turbinas independientes. La primera turbina (de alta presión) está acoplada de forma fija con el compresor y lo acciona. La segunda turbina (de potencia) no está conectada mecánicamente con la turbina de alta presión y produce la potencia útil del sistema. Con esta se acciona un vehículo, una hélice o un generador. La ventaja de la turbina de gas de eje doble consiste en que el compresor y la turbina de alta presión se pueden utilizar con un número de revoluciones óptimo para la potencia. La turbina de potencia, por el contrario, se puede adaptar de forma ideal con el número de revoluciones o con el par a la función de propulsión. Mientras que en los vehículos se demanda una potencia muy variable, un alternador sincrónico funciona con un número de revoluciones lo más constante posible.
Esquema del proceso de la turbina de gas de eje doble ET 794 con turbina de potencia libre y generador
La turbina se acciona con gas combustible. Un compresor auxiliar accionado eléctricamente (soplado inicial) pone en marcha la turbina. Con un número de revoluciones mínimo determinado, se insufla el gas combustible en la cámara de combustión y se enciende con electricidad. Al alcanzar el número de revoluciones de autoclavado, el compresor auxiliar se apaga y la turbina sigue funcionando con su propia energía. La lubricación y refrigeración de los cojinetes de la turbina la realiza un circuito de aceite con refrigerante de agua y aceite regulado por termostato, una bomba de aceite y un filtro de aceite.
La turbina se apaga automáticamente cuando la temperatura del aceite es demasiado alta o la presión del aceite es escasa.