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• Galvan Salgado Maria Fernanda

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INSTITUTO TECNOLOGICO

ZACATEPEC

MAQUINAS Y EQP. TÉRMICOS II ING. DEL VALLE SOBERANES BENIGNO ALEJANDRO

TURBINAS DE GAS ANDREA GALVAN SALGADO – 17090733

INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

MAQUINAS Y EQUIPOS

INVESTIGACIÓN

TERMICOS II

CONTENIDO

Titulo

Pagina

Turbina de gas - ciclo Brayton. ............................................................................... 1 Principio de funcionamiento. ................................................................................ 1 Tipos de instalaciones. ........................................................................................ 2 Partes principales de la turbina de gas. ............................................................... 3 Admisión de aire .............................................................................................. 3 Compresor de aire. .......................................................................................... 3 Cámara de combustión. ................................................................................... 4 Turbina de expansión. ...................................................................................... 4 Ciclo termodinámico de las turbinas de gas. ....................................................... 4 Modificaciones del ciclo básico en las turbinas de gas. ....................................... 6 Ciclo con enfriamiento intermedio de aire. ........................................................... 8 Ciclo con recalentamiento intermedio. ................................................................. 9 Ciclo regenerativo. ............................................................................................. 11 Ventajas de la turbina de gas. ........................................................................... 13 Desventajas de la turbina de gas. ...................................................................... 14 Clasificación de las turbinas de gas.

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Turbina de gas - ciclo Brayton. 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 las instalaciones de vapor de pequeña y media potencia. 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).

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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 diésel (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. Principio de funcionamiento.

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En primer lugar, el aire admitido al motor se comprime en el compresor, ya que para que posteriormente la turbina (máquina térmica) desarrolle trabajo tiene que existir una diferencia de presiones entre su entrada y su salida. En la cámara de combustión se quema el combustible, utilizando como comburente el aire que proviene del compresor. Los gases resultantes salen de la cámara con una gran energía térmica que se convierte en energía mecánica en la turbina y dicha energía mecánica se transmite al exterior a través del eje de la máquina en forma de par motor. Parte de la potencia mecánica generada se invierte en mover el compresor y el resto se utiliza, dependiendo de la aplicación, por ejemplo, en accionar bombas o compresores en instalaciones de bombeo, en producir energía eléctrica si se conecta a un alternador, en mover una hélice para propulsión marina, o incluso en tracción de vehículos. Tipos de instalaciones.

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La práctica totalidad de las turbinas de gas actuales operan en ciclo abierto (figura 1-a), siendo, por tanto, motores de combustión interna. Ello puede atribuirse a que la elevada potencia específica, inherente a este tipo de instalaciones, constituye uno de sus principales atractivos. No obstante, existe alguna instalación puntual que trabaja en ciclo cerrado (figura 1-b), incorporando un equipo en el que se refrigera el fluido a las salidas de la turbina para restablecer el estado termodinámico inicial de entrada al compresor.

Figura 1. Esquemas de turbinas de gas. a) Ciclo abierto (MCI) y b) Ciclo cerrado accionando un alternador (MCE).

Este es el caso concreto de las instalaciones que emplean combustible nuclear, ya que la utilización de este tipo de combustible hace indispensable que la transferencia de la energía térmica al fluido de trabajo se realice a través de una pared, para evitar problemas por contaminación radiactiva del fluido motor. Cabe destacar que las turbinas de gas que operan según un ciclo cerrado se consideran motores de combustión externa; su potencia específica es baja en relación a las turbinas de gas de ciclo abierto debido al peso del intercambiador del foco frío, si

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bien, pueden presentar algunas ventajas, como la posibilidad de utilizar mayor variedad de combustibles, ya que también podrían emplearse combustibles fósiles sólidos. Partes principales de la turbina de gas. Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisión de aire, el compresor, la cámara de combustión, la turbina de expansión y el rotor. A continuación, se detallan las principales características de cada uno de estos elementos.

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Figura 2. Partes principales de una turbina de gas. Admisión de aire El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire. Compresor de aire. La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.

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El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y, por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante. Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin. Cámara de combustión. En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar.

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Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes Turbina de expansión. En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%). Ciclo termodinámico de las turbinas de gas. El modelo termodinámico de las turbinas de gas se fundamenta en el ciclo de Brayton, a pesar de que se generaliza como ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no cumple un ciclo completo en las turbinas de gas ya que este

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finaliza en un estado diferente al que tenía cuando inició los procesos, se podría decir que es un ciclo abierto. Las turbinas de gas de ciclo abierto simple utilizan una cámara de combustión interna para suministrar calor al fluido de trabajo y las turbinas de gas de ciclo cerrado simple utilizan un proceso de transferencia para agregar o remover calor del fluido de trabajo. El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: • •

• •

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1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-1. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.

Figura 3. Diagrama T-S de turbina de gas.

En el ciclo Brayton, el trabajo neto realizado por unidad de masa es la diferencia entre el trabajo obtenido en la expansión y el trabajo invertido en la compresión, es decir: Wnet = Wt − Wc Para un gas ideal, el trabajo neto puede escribirse como: Wnet = m ̅ Cpg (T3 − T4 ) − m ̅ Cpa (T2 − T1 ) Y el calor de adición por unidad de masa será: qA = m ̅ Cpg (T3 − T2 ) Al igual que en el ciclo Ranking, la eficiencia térmica del ciclo Brayton es la relación entre el trabajo neto desarrollado y el calor adicionado: ηter =

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m ̅ Cpg (T3 − T4 ) − m ̅ Cpa (T2 − T1 ) m ̅ Cpg (T3 − T2 )

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En la figura se muestra una segunda representación esquemática del ciclo Brayton.

Figura 4. Esquema del ciclo básico en las turbinas de gas.

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Modificaciones del ciclo básico en las turbinas de gas. La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal depende de la compresión. Si se aumenta la relación de compresión en el ciclo será necesario suministrar más calor al sistema debido a que las líneas de presión constante divergen hacia arriba y hacia la derecha en el diagrama Ts y la temperatura máxima del ciclo será mayor. Como el calor suministrado es mayor, la eficiencia térmica aumentará con la ratio de compresión. Sin embargo la Figura 5. Diagrama T-S de ciclos termodinámicos básicos de las turbinas de gas con diferentes relaciones de compresión. temperatura máxima del ciclo está limitada por los materiales en los cuales están construidos los componentes y por lo tanto se requerirán sistemas de refrigeración más eficientes.

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La eficiencia del ciclo también se ve afectada por las pérdidas en el compresor, en la turbina y en las caídas de presión en la cámara de combustión y otros pasajes. Podemos verlo en el diagrama que representa estas condiciones en el ciclo, disminuyendo en consecuencia la eficiencia del ciclo.

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A diferencia del ciclo Ranking, el proceso de compresión para elevar la presión en el ciclo Brayton requiere un gran consumo de energía y gran parte del trabajo producido por la turbina es consumido por el compresor, en un porcentaje que puede estar entre 40% y 80%. Esta desventaja frente al ciclo Ranking hace necesario prestar una Figura 6. Diagrama T-s del ciclo termodinámico mayor atención en el diseño de turbinas básico real de las turbinas de gas. de gas ya que cualquier pérdida de presión en la cámara de combustión y demás componentes entre el compresor y la turbina debe compensarse con mayor trabajo en el compresor. Adicionalmente, la eficiencia del compresor y la turbina juegan un papel muy importante, debido a que eficiencias cercanas al 60% en estos componentes ocasionarían que todo el trabajo producido por la turbina sea consumido por el compresor y por tanto la eficiencia global sería cero. Es posible hacer algunas modificaciones al ciclo Brayton básico para obtener valores más favorables de eficiencia térmica y trabajo neto. Las modificaciones que podemos hacer son las siguientes:

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Ciclo con enfriamiento intermedio de aire. Con este método lo que hacemos comprimir los gases de admisión en dos etapas con una refrigeración intermedia, para sacar parte del calor que han adquirido en la primera etapa de compresión. La representación de estos procesos se muestra en la siguiente figura: De la secuencia anterior, es Figura 7. Ciclo Brayton con enfriamiento del aire. claro que el trabajo que debe realizar el compresor para elevar la presión desde el estado 1 hasta el estado 2’ sin enfriador, es mayor que el trabajo que deben hacer los compresores con la misma eficiencia para elevar la presión del aire desde el estado 1 al 2 y del estado 3 al 4 con un enfriador de aire intermedio. Esta disminución en el trabajo total de compresión se debe a que las líneas de presión divergen hacia la derecha del gráfico T-s. 8

Se ha demostrado que el trabajo de compresión con enfriador es menor cuando la relación de presiones en las dos etapas es igual (P4/P3) = (P2/P1) y la temperatura de entrada a la segunda etapa de compresión (T 3) es igual a la temperatura de entrada a la primera etapa de compresión (T1). Al tener un menor trabajo de compresión, el trabajo neto del ciclo con enfriador será mayor que el trabajo neto del ciclo sin enfriador, siendo: Wnet (sin enfriador) = Cpg (T5 − T6 ) − Cpa (T2 ′ − T1 ) Wnet (con enfriador) = Cpg (T5 − T6 ) − Cpa ((T2 − T1 ) + (T4 − T3 )) Como: Cpa ((T2 − T1 ) + (T4 − T3 )) < Cpa (T2 ′ − T1 ) Entonces: Wnet (sin enfriador) < Wnet (con enfriador)

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Por otro lado, se requiere suministrar una mayor cantidad de calor al ciclo con enfriador para aumentar la temperatura desde (T4) hasta (TS) que, en el ciclo sin enfriador, donde únicamente es necesario elevar la temperatura desde (T2’) hasta (TS). En el diagrama T-s, puede apreciarse que la cantidad de calor adicional agregada al sistema, es mayor que la equivalente en calor del trabajo ahorrado por el compresor cuando trabaja con el enfriador de aire y por lo tanto la eficiencia térmica del ciclo con enfriador será menor que sin enfriador.

Figura 8. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con enfriamiento de aire.

ηter(sin enfriador) > ηter(con enfriador) Ciclo con recalentamiento intermedio. 9

La expansión de los gases en el ciclo Brayton puede configurarse de tal forma que se realice en dos etapas. La primera expansión ocurre en lo que se conoce como turbina de alta presión (HP) o turbina del compresor (CT) acoplada al compresor mediante un eje. Todo el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión es consumido por el compresor. La segunda expansión tiene lugar en la turbina de baja presión (LP) o turbina de potencia (PT) acoplada a un eje diferente al de la turbina del compresor y produce el trabajo neto aprovechado en varias aplicaciones, como para mover el generador. En el ciclo con recalentamiento se instala una segunda cámara de combustión a la salida de la turbina de alta presión para elevar la temperatura de los gases que entran a la turbina de baja presión, y como estos gases todavía son ricos en oxigeno no suele hacer falta un aporte extra de comburente.

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La representación de estos procesos se muestra en la siguiente secuencia.

Figura 9. Ciclo Brayton con recalentamiento intermedio.

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En la secuencia anterior, se puede observar que el trabajo de compresión es el mismo para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento y en consecuencia el trabajo desarrollado por la turbina de alta presión será también igual para los dos ciclos. Sin embargo, el trabajo desarrollado por la turbina de baja presión es claramente mayor para el ciclo con recalentamiento que para el ciclo sin recalentamiento, debido a que las líneas de presión divergen hacia la derecha del diagrama T-s siendo mayor la diferencia entre las temperaturas (T5) y (T6) que entre las temperaturas (T4) y (T4’). El trabajo neto desarrollado por cada unidad de masa de gas en el ciclo es el trabajo desarrollado por la turbina de baja presión e igual a: Wnet (sin recalentamiento) = Cpg (T4 − T4 ′) Wnet (con recalentamiento) = Cpg (T5 − T6 ) Debido a que T5 – T6 > T4 – T4’, entonces:

Wnet (sin recalentamiento) < Wnet (con recalentamiento)

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A pesar de que hay un incremento en el trabajo neto desarrollado en el ciclo con recalentamiento por cada unidad de masa de gas, una cantidad de calor adicional debe suministrarse al sistema para elevar la temperatura de los gases que salen de la turbina de alta presión.

Figura 10. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con recalentamiento.

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En el diagrama T-s, puede apreciarse que la cantidad adicional de calor Cp. (T S T4) suministrada al ciclo con recalentamiento es mayor que el aumento del trabajo neto desarrollado por la turbina y, por lo tanto, la eficiencia térmica del ciclo con recalentamiento será menor que sin recalentamiento. ηter (sin recalentamiento) > ηter (con recalentamiento) Ciclo regenerativo. En ocasiones se presenta que la temperatura de los gases a la salida de la turbina en el ciclo Brayton es mayor que la temperatura del aire a la salida del compresor. El ciclo regenerativo aprovecha esta diferencia de temperaturas para transferir a un regenerador o intercambiador de calor, energía térmica de los gases que salen de la turbina, al aire que sale del compresor.

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Figura 11. Diagrama T-s del ciclo termodinámico de las turbinas de gas con regeneración.

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En el caso representado en el diagrama T-s, la temperatura (TS) de los gases que salen de la turbina en el estado 5 es mayor que la temperatura (T 2) del aire que sale del compresor en el estado 2. En el regenerador, los gases ceden su calor al aire comprimido desde el estado 5 hasta el estado 6 cuando son evacuados a la atmósfera. En el caso ideal, el aire comprimido en el estado 2 tendrá la misma temperatura de los gases en el estado 6 y de igual manera la temperatura del aire en el estado 3 será la misma que la de los gases en el estado 5. En consecuencia, el calor suministrado en la cámara de combustión será únicamente el necesario para elevar la temperatura de (T3) a (T4) y no de (T2) a (T4). El trabajo neto desarrollado en el ciclo regenerativo 1-2-3-4-5-6, es el mismo que en el ciclo Brayton simple 1-2-4-1 ya que le trabajo realizado por el compresor y el trabajo producido por la turbina no varía en los dos casos. Sin embargo, al requerirse un menor calor de adición para elevar la temperatura al valor máximo del ciclo (T4), se obtendrán eficiencias térmicas más favorables para el ciclo regenerativo. Siendo: ηter = Wnet

(con generacion)

Wnet qA

= Wnet (sin generacion)

q A (con regeneracion) < q A (sin regeneracion) Entonces: ηter (sin regeneracion) > ηter (con regeneracion) En el caso ideal, se considera que una diferencial infinitesimal en la diferencia de temperatura es suficiente para que el calor fluya en el regenerador de los gases que

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salen de la turbina al aire que sale del compresor. En el caso real, se requiere más que una diferencia infinitesimal y por lo tanto no se puede decir que (T3) es igual a (T5), ni que (T2) es igual a (T6). La diferencia de temperaturas (T3 – Tx) requerida por el regenerador para transferir energía térmica de un fluido al otro define su eficiencia: ηreg =

hx − h2 m ̅ a Cpa (Tx − T1 ) ó ηreg = ̅̅̅̅ h5 − h2 m ̅ g Cpg (T5 − T2 )

Si el flujo másico y los calores específicos del aire y el gas se suponen similares, es decir, ma ≈ mb y Cpa≈ Cp, entonces: ηreg =

Tx − T2 T5 − T2

Cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas (T3 – TX), menor será la diferencia (TX – T2) y en consecuencia la eficiencia del regenerador será menor. La selección del regenerador o intercambiador de calor debe ser un ejercicio cuidadoso ya que la eficiencia de éste puede mejorarse aumentando el área de transferencia y en consecuencia la caída de presión será mayor perjudicando la eficiencia térmica del ciclo. 13

Ventajas de la turbina de gas. • • • • • • • • • • • •

Muy buena relación potencia vs. peso y tamaño. Bajo costo de instalación. Rápida puesta en servicio. Es una máquina rotante (no tiene movimientos complejos como son los movimientos roto alternativos de los motores de combustión interna). Al ser una máquina rotante el equilibrado de la misma es prácticamente perfecto y simple, a diferencia de máquinas con movimiento alternativos. Menos piezas en movimiento (comparado con los motores de combustión interna). Menores pérdidas por rozamiento al tener menores piezas en movimiento. Sistema de lubricación más simple por lo expresado anteriormente. Bajas presiones de trabajo (es la máquina térmica que funciona a más baja presiones). El proceso de combustión es continuo y se realiza a presión constante en la cámara de combustión (diferente a los motores de combustión interna). Pocos elementos componentes: compresor, cámara/s de combustión y turbina propiamente dicha. No necesitan agua (diferente a las turbinas a vapor que requieren de un condensador).

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Permiten emplear diferentes tipos de combustibles como kerosene, gasoil, gas natural, carbón pulverizado, siempre que los gases de combustión no corroan los álabes o se depositen en ellos. El par motor es uniforme y continuo

Desventajas de la turbina de gas. Bajo rendimiento térmico (alto consumo específico de combustible) debido a: • •

Alta pérdida de calor al ambiente que se traduce por la alta temperatura de salida de los gases de escape por chimenea, entre 495ºC a 560 ºC. Gran parte de la potencia generada por la turbina es demandada por el compresor axial, en el orden de las ¾ partes, o sea un 75% de la potencia total de la turbina.

Clasificación de las turbinas de gas. Las turbinas a gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en: • • 14

Turbinas a gas de acción. Turbinas a gas de reacción.

En las turbinas de acción la caída total de presión de los gases de combustión se produce en las toberas que están ubicadas antes del/los estadios móviles y fijos de la misma. De esta manera se produce una transformación de energía de presión a energía de velocidad (energía cinética) en los gases. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, permanece constante. En las turbinas de reacción, en cambio, la caída de presión de los gases de combustión se produce tanto en las toberas, como en los estadios móviles y fijos que componen la misma. La presión de los gases dentro de la turbina, estadios móviles y fijos, va disminuyendo. También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser: • •

Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil). Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles).

Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de la turbina, pudiendo en este especto clasificarlas como: • •

Turbinas a gas de un solo eje. Turbinas a gas de dos ejes.

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