La turbina de gas es una máquina motora que utiliza un gas como fluido de trabajo. Funciona de manera similar a una máquina de vapor pero usando aire en lugar de agua. El aire es comprimido, se le agrega combustible y se quema, generando gases calientes que se expanden en la turbina para producir movimiento mecánico. Las turbinas de gas se usan comúnmente para generar electricidad y propulsar aviones, entre otras aplicaciones.

1. TURBINA DE
GAS
AUTORES
NORKIS SALAS 23495703
JUAN GIMENEZ 21728425
CARLOS ZAVARCE 25178021

2. ¿Que es una
turbina de Gas?
Es una turbomáquina motora, cuyo fluido de
trabajo es un gas. Como la compresibilidad de
los gases no puede ser despreciada, las turbinas
de gas son turbomáquinas térmicas.
Comúnmente se habla de las turbinas de gas por
separado de las turbinas ya que, aunque
funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus
características de diseño son diferentes, y,
cuando en estos términos se habla de gases, no
se espera un posible cambio de fase, en cambio
cuando se habla de vapores sí.
Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de
potencia como el ciclo Brayton y en algunos
ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje
cotidiano referirse a los motores de los aviones
como turbinas, pero esto es un error conceptual,
ya que éstos son turborreactores los cuales son
máquinas que, entre otras cosas, contienen una
turbina de gas.
La operación básica de la turbina de gas es
similar a la máquina de vapor, excepto que en
lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la
atmósfera fluye a través de un compresor que lo
eleva a una alta presión. Luego se añade
energía dispersando combustible en el mismo y
quemándolo de modo que la combustión genera
un flujo de alta temperatura. Este gas de alta
temperatura y presión entra a una turbina, donde
se expande disminuyendo la presión de salida,
produciendo el movimiento del eje durante el
proceso. El trabajo de este eje de la turbina es
mover el compresor y otros dispositivos como
generadores eléctricos que pueden estar
acoplados. La energía que no se usa para el
trabajo sale en forma de gases, por lo cual
tendrán o una alta temperatura o una alta
velocidad.

3. Principios de Funcionamiento
N O M A D I C | 2 4
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.
Las pérdidas de energía se desprenden en forma de calor
que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son
superiores al 3% de la energía aportada.

4. Partes de una
turbina
• Compresor
• Cámara de
combustión
• Turbina de
expansión
• Carcasa

5. Compresor:
Su función consiste en comprimir el aire de admisión,
hasta la presión indicada para cada turbina, para
introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es
principalmente axial y necesita un gran número de
etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión
de 1:30, comparada con la turbina de expansión.
Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través
de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada
vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso
que consume mucha energía, llegando a significar
hasta el 60% de la energía producida por la turbina
Cámara de combustión:
A pesar de los distintos tipos de cámaras de
combustión todas ellas siguen un diseño general
similar.
Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión
tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar
en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las
cámaras de combustión esta enfocado a soportar
temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC,
mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez
evitar que el calor producido dañe otras partes de la
turbina que no está diseñadas para soportar tan altas
temperaturas.
Turbina de expansión
Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida
de los gases de combustión y convertir su energía
cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus
etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la
suficiente energía para alimentar al compresor y la
producción de energía eléctrica en el generador. Suele
estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas
integrada por una corona de alabes con un adecuado
diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer
girar el rotor al que están unidos solidariamente.
Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto
de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es
redireccionar el aire de salida de la cámara de
combustión y de cada etapa en la dirección adecuada
hasta la siguiente.

6. La carcasa protege y aisla el interior de
la turbina pudiéndose dividir en 3
secciones longitudinales:
• Carcasa del compresor: Está
compuesta por una única capa para
soporte de los alabes fijos y para
conducción del aire de refrigeración a
etapas posteriores de la turbina de gas.
• Carcasa de la cámara de combustión:
Tiene múltiples capas, para protección
térmica, mecánica y distribución de aire
para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.
• Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de
sujeción de los alabes fijos y otra externa para la distribución del aire de
refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de proveer protección
térmica frente al exterior
Otros componentes de la turbina de gas:
• Casa de filtros:
• Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o
el provocado por el giro del eje.
• Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes
turbinas de generación eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener
una película de aceite entre los mecanismos en contacto.
• Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función
es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido.
• Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con
una cimentación propia para que no se transmitan las vibraciones propias del
funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la planta.
• Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico
(normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta en
funcionamiento.
Carcasa

7. HISTORIA Y
EVOLUCIÓN DE LA
TURBINA DE GAS
THoy 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.
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..
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.
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.
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%).

8. Aplicaciones
Turbogeneradores
Un turbogenerador consiste de una
turbina directamente acoplada a un
generador eléctrico, con el objetivo de
obtener energía eléctrica, es decir, al
accionarse la turbina, provee al generador del
torque (giro y velocidad angular) necesarias para
que éste sea capaz de generar energía eléctrica
(convirtiendo la energía mecánica del giro en energía eléctrica). Pequeñas
turbogeneradoras con turbinas de gas son usualmente utilizadas para la cogeneración
eléctrica.
Transporte
Automóviles
Generación eléctrica
Las centrales eléctricas de turbina de gas son empleadas por la industria de
generación eléctrica en emergencias y durante
períodos picos
gracias a su bajo costo y rápido tiempo de respuesta.
En las turbinas de gas la combustión se realiza dentro de la máquina. Su
fluido de trabajo
son los
gases de combustión

9. De forma general, la eficiencia aumenta a mayor
tamaño de la turbina de gas, a medida que la
eficiencia eléctrica aumenta, la cantidad total de
energía térmica disponible disminuye por unidad de
potencia, y la relación potencia-calor aumenta.
Las turbinas de gas necesitan una presión de gas de
alrededor de 37 bar para las pequeñas, con una presión
sustancialmente mayor para las grandes turbinas de gas
y las aeroderivadas (entre 70 bares hasta 320 bares
manométricos). Dependiendo de estos factores el
compresor de gas adicional es un factor importante.
Las condiciones ambientales bajo las cuales opera la
turbina de gas tienen un efecto notable sobre la
potencia y la eficiencia.
A temperatura elevada del aire, la potencia y eficiencia
disminuyen
Eficiencia
Operación a Carga
Parcial
Recuperación de calor
El funcionamiento a carga parcial afecta la operación
de la turbina de dos formas:
a) Conforme la carga disminuye también lo hace el
rendimiento, de manera que cada kWh producido
supone un mayor coste de combustible.
b) Al disminuir la carga, la temperatura de escape y el
flujo másico también disminuyen, por lo que se tendrá
una baja en la energía térmica disponible para los
procesos. Este efecto es compensado en parte, por el
aumento en la ener-gía residual que supone la
disminución del rendimiento térmico.
La economía de la turbina de gas en aplicaciones de proceso depende usualmente del uso efectivo
de la energía térmica contenida en los gases de escape, que generalmente representan del 60 al 70%
de la energía de entrada.