Ao de la Diversificacin Productiva y del Fortalecimiento de la Educacin

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA ACADMICA PROFESIONAL
INGENIERA MECNICA

I UNIDAD
ASIGANTURA

Mquinas Trmicas

DOCENTE

Luis Caldern

INTEGRANTES

- Chorres Pereda Brajhan

-Collantes Alonso Alexander
-Cueva Rodrguez Ricardo
-Vargas Haro Gary
CICLO

:
8

Nuevo Chimbote, 9 de septiembre de 2015

1) INTRODUCCIN:
EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 1

Es importante para el ingeniero mecnico el conocer profundamente el funcionamiento y los

conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas. Esto es debido a que el ingeniero
probablemente se encontrara en su trabajo con el uso o mantenimiento de este tipo de
equipos. Por esto, es de vital importancia conocer los conceptos bsicos de estas mquinas
de combustin. En este pequeo trabajo se conocer las partes ms resaltantes de la turbina
de gas.
2) OBJETIVO:
El objetivo principal de este trabajo es conocer el funcionamiento de la turbina de gas a lo
largo de su vida til, Su importancia sus partes, y su principal aplicacin en el
aprovechamiento de la necesidad del hombre.

OBJETIVO DE LA TURBINA A GAS:

El objetivo de la Turbina es pasar la energa de los gases de la combustin, en energa

mecnica para mover el compresor, y el remanente de la energa cintica para generar
EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 2

energa elctrica en el generador. Extrae la energa de los gases calientes (potencial +

cintica) y la convierte en energa mecnica. Gracias a esta energa, la turbina incrementa la
velocidad y transmite ese movimiento al compresor y al generador.

DESCRIPCION DE SUS PARTES:

Principales Partes Turbinas

Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:

Compresor

Cmara de combustin

Turbina de expansin

Carcasa
Adems cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento,
como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricacin, recinto acstico, bancada,
virador, etc.
Compresor:
Su funcin consiste en comprimir el aire de admisin, hasta la presin indicada para cada
turbina, para introducirla en la cmara de combustin. Su diseo es principalmente axial y
necesita un gran nmero de etapas, alrededor de 20 para una razn de compresin de 1:30,
comparada con la turbina de expansin.
Su funcionamiento consiste en empujar el aires a travs de cada etapa de alabes por un
estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presin es un proceso que consume
mucha energa, llegando a significar hasta el 60% de la energa producida por la turbina.
Para disminuir la potencia necesaria para este proceso, puede optarse por un diseo que
enfre el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresin, aunque reduce la eficiencia
de la turbina por la entrada ms fra del aire en la cmara de combustin.
El control de la admisin de aire en el compresor puede realizarse segn dos posibilidades.

Turbinas mono eje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada
por el generador, y por lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para
comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos a carga mxima como si
trabajamos a cargas ms bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este
caso las primeras etapas disean con geometra variable, dejando pasar ms o
menos aire segn su posicin relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.

Turbinas multi eje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es
independiente del generador, la velocidad de rotacin del compresor puede regularse
para una admisin adecuada de aire para cada momento.
Cmara de combustin:
A pesar de los distintos tipos de cmaras de combustin todas ellas siguen un diseo general
similar.
Cuanto mayor sea la temperatura de la combustin tanto mayor ser la potencia que
podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseo de las cmaras de
combustin est enfocado a soportar temperaturas mximas, superiores a los 1000 C,
mediante recubrimientos cermicos, pero a su vez evitar que el calor producido dae otras
partes de la turbina que no est diseadas para soportar tan altas temperaturas.
Estn diseadas mediante una doble cmara:

Cmara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el

comburente, que rodea y accede a sta mediante distribuidores desde la cmara
exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su
combustin mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor
cantidad de aire para asegurar la combustin completa, y por ltimo y antes de la
salida de los gases a la turbina de expansin se introduce el resto del aire
comprimido para refrigerar los gases de escape y que no daen las estructuras y
equipos posteriores.

Cmara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del

compresor, hacerlo circular por el exterior de la cmara interior para refrigerar los
paneles cermicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cmara interior de
forma adecuada.
EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 3

Turbina de expansin:
Est diseada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustin y convertir
su energa cintica en energa mecnica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de
reaccin, y deben generar la suficiente energa para alimentar al compresor y la produccin
de energa elctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de
ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseo aerodinmico, que son los
encargados de hacer girar el rotor al que estn unidos solidariamente. Adems de estos, hay
antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misin es
redireccionar el aire de salida de la cmara de combustin y de cada etapa en la direccin
adecuada hasta la siguiente.
Los alabes deben estar recubiertos por material cermico para soportar las altas
temperaturas, adems, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa
internamente, saliendo al exterior por pequeos orificios practicados a lo largo de toda su
superficie.
Carcasa:
La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudindose dividir en 3 secciones
longitudinales:

Carcasa del compresor: Est compuesta por una nica capa para soporte de los
alabes fijos y para conduccin del aire de refrigeracin a etapas posteriores de la
turbina de gas.

Carcasa de la cmara de combustin: Tiene mltiples capas, para proteccin trmica,

mecnica y distribucin de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la
combustin.

Carcasa de la turbina de expansin: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de

sujecin de los alabes fijos y otra externa para la distribucin del aire de
refrigeracin por el interior de los alabes. Debe tambin de proveer proteccin
trmica frente al exterior.
Otros componentes de la turbina de gas:

Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisin que se introduce al
compresor, se componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una ltima con
filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes
tecnologas para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.

Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, segn sujeten el desplazamiento axial o el

provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por
un material especial antifriccin llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez
lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y
se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el
contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento
montados en angulo para detectar vibraciones.

Sistema de lubricacin: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes

turbinas de generacin elctrica, su misin es tanto el refrigerar como mantener una
pelcula de aceite entre los mecanismos en contacto. El sistema de lubricacin suele
contar con una bomba mecnica unida al eje de rotacin, otra elctrica y otra de
emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecnica por una
turbina elctrica extra. Entre sus componentes principales estn el sistema de filtros,
el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel,
presostato, etc.

Recinto acstico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su funcin

es aislarla de las inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe
contar con un sistema contra incendios y de ventilacin.

Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una

cimentacin 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 elctrico o hidrulico (normalmente

el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no est en funcionamiento.
Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansin trmica, en
parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un
giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud
del rotor. Si por alguna razn la turbina se detiene (avera del rotor, avera de la
EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 4

turbina, inspeccin interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de

arrancar, estar girando varias horas con el sistema virador.

PARAMETROS Y CICLO DE FUNCIONAMIENTO:

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 presin) est acoplada de forma fija con
el compresor y lo acciona. La segunda turbina (de potencia) no est conectada
mecnicamente con la turbina de alta presin y produce la potencia til del sistema. Con
esta se acciona un vehculo, una hlice o un generador. La ventaja de la turbina de gas de
eje doble consiste en que el compresor y la turbina de alta presin se pueden utilizar con un
nmero de revoluciones ptimo para la potencia. La turbina de potencia, por el contrario, se
puede adaptar de forma ideal con el nmero de revoluciones o con el par a la funcin de
propulsin. Mientras que en los vehculos se demanda una potencia muy variable, un
alternador sincrnico funciona con un nmero de revoluciones lo ms constante posible.

El ciclo trmico que representa esta mquina es el ciclo Brayton. La mquina sigue un ciclo
abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a travs de ella. El aire es
aspirado de la atmsfera y comprimido para despus pasar a la cmara de combustin,
donde se mezcla con el combustible y se produce la ignicin. Los gases calientes, producto
de la combustin, fluyen a travs de la turbina. All se expansionan y mueven el eje, que
acciona el compresor de la turbina y el alternador.
CICLO BRAYTON:

El ciclo Brayton, tambin conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinmico
consistente, en su forma ms sencilla, en una etapa de compresin adiabtica, una etapa de
calentamiento isobrico y una expansin adiabtica de un fluido termodinmico compresible.
Es uno de los ciclos termodinmicos de ms amplia aplicacin, al ser la base del motor de
turbina de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecnico que se
emplee para la produccin de electricidad en los quemadores de gas natural o algn otro
aprovechamiento caso de las industrias de generacin elctrica y de algunos motores
terrestres o marinos, respectivamente, hasta la generacin de un empuje en un
aerorreactor.

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 5

4
TRANSFORMACION DE ENERGIA MECANICA Y DE FLUIDO EN EL RODETE
(DEPENDIENDO DE LA MAQUINA TERMICA):
La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a travs de una red de
transporte, se produce bsicamente al transformar la energa cintica en energa elctrica.
Para ello, se utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son equipos sofisticados que,
impulsados por una energa externa provocan el movimiento de unas turbinas interiores. Los
generadores son aparatos que transforman la energa cintica de una turbina, en energa
elctrica.
Las turbinas son mquinas rotativas. Se clasifican en tres grandes grupos:
Las turbinas hidrulicas, que son las ms antiguas, usan el agua como fluido de trabajo.

Las

turbinas

vapor,

que

su

fluido

de

trabajo

es

el

vapor

de

agua.

Las turbinas a gas, que son las ms actuales. Se diferencia de las anteriores en el
sentido de que la combustin se realiza dentro de la mquina. Su fluido de trabajo
son los gases de combustin.
Las turbinas a gas pueden operar como sistemas abiertos o cerrados. Para el ciclo abierto los
elementos principales son: turbina a gas, compresor, cmara de combustin y turbina. Para
el ciclo cerrado estos elementos son: turbina y dos intercambiadores de calor. El ciclo abierto
es el ms comn.

Las turbinas tienen temperaturas de salida de los gases de combustin de 450 a 600 C y un
caudal de gases de combustin de 12 kg/h por kW. Estas dos caractersticas hacen que sea
ms fcil el aprovechamiento del calor de los gases de escape.

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 6

La energa del combustible que entra en una mquina se utiliza de la siguiente manera:

Energa elctrica 30 a 35%.

Energa trmica 60 a 65%.
Prdidas 5 a 10%.
El ejemplo, ms antiguo de la propulsin a gas que se conoce lo realizo el egipcio Hero en el
ao 150 a C., que invent un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo
debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de
manera radial en un solo sentido. Fue en el ao 1872 cuando un ingeniero llamada Stolze
dise la primera turbina a gas.

PERDIDAS-RENDIMIENTO Y POTENCIA DE LA MAQUINA TERMICA:

Rendimiento de Turbinas de Gas

Una turbina de gas simple est compuesta de tres secciones principales: un compresor, un
quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del
ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo
condiciones de presin constante. El gas caliente producido por la combustin se le permite
expanderse a travs de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina
de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido se usa
comprimiendo el aire. El otro 1/3 est disponible para generar electricidad, impulsar un
dispositivo mecnico, etc.
Una variacin del sistema de turbina simple (Brayton) es el de aadir un regenerador. El
regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energa de los gases calientes
de escape al precalentar el aire que entra a la cmara de combustin. Este ciclo
normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas
que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de
35000 hp.
Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para
enfriar el aire ente las etapas de compresin, permitiendo quemar ms combustible y
generar ms potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la
temperatura de los gases calientes creados por la combustin, debido a que existen
restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes
de la misma. Con los avances en la Ingeniera de los materiales, estos lmites siempre van
aumentando. Una turbina de este tipo es la General Electric LM1600 versin marina.
Existen tambin turbinas de gas con varias etapas de combustin y expansin y otras con

interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuacin:

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 7

El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo
abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustin interna se puede
observar en la grfica siguiente. Cabe anotar que tambin existe un ciclo cerrado terico de
una turbina de gas simple.
En esta grfica podemos observar el compresor, la cmara de combustin, la turbina, el aire
y combustible en el ciclo abierto Brayton.
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

sin embargo notamos que,

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 8

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una funcin de la relacin
isentrpica de presin. El rendimiento aumenta con la relacin de presin, y esto es evidente
en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relacin de presin, se cambiar el ciclo de 12-3-4-1 a 1-2-3-4-1. El ltimo ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de
calor cedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin
embargo, que el ltimo ciclo tiene una temperatura mxima (T3) ms alta que la del ciclo
(T3). En la turbina de gas real, la temperatura mxima del gas que entra a la turbina es
determinada por consideraciones metalrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y
aumentamos la relacin de presin, el ciclo resultante es 1-2-3-4-1. Este ciclo tendr un
rendimiento ms alto que el del ciclo original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por
kilogramo de substancia de trabajo.
Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha
cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a travs de un
segundo fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina
de gas; el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio exterior.
La turbina de gas real, difiere principalmente del ciclo ideal a causa de las irreversibilidades
en el compresor y en la turbina y debido al descenso de presin en los pasos de flujo y en la
cmara de combustin (o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado). Los
rendimientos del compresor y de la turbina estn definidos en relacin a los procesos
isentrpicos. Los rendimientos son los siguientes:

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 9

CONCLUSIONES :

Se logr explicar conceptos bsicos de la operacin de las turbinas de gas, as como

una presentacin ms profunda de los ciclos ms importantes de las turbinas de gas
(Brayton y Regenerativo), pero teniendo en cuenta que existen otros como el de
varias etapas, interenfriamiento y mezclas de estos.

Se determin las variables que determinan la eficiencia del ciclo de trabajo.

Es importante para el ingeniero mecnico el conocer profundamente

funcionamiento y los conceptos que rigen los principios de las turbinas de gas.

El aumento en el flujo msico a travs de la turbina y la disminucin del trabajo

demandado por el compresor, que se logran enfriando el aire en la succin del
mismo, adems de incrementar la potencia representan la alternativa ms econmica
para mejorar la eficiencia y la competitividad de las turbinas de gas. Lo anterior
teniendo en cuenta que con estos sistemas es posible alcanzar incrementos en la
potencia de salida alrededor del 20% con inversiones de capital comparativamente
bajas.

el

RECOMENDACIN:

Tener conocimientos previos del curso de termodinmica para el mejor entendimiento de

mquinas trmicas II.
Tener cercano los diagramas de mollier para mejor entendimiento.

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 10

EAP. Ingeniera Mecnica

Pgina 11