Turbina A Gas

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
COMPONENTES BASICAS
Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:
Compresor
Cámara de combustión
Turbina de expansión
Carcasa
Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como
son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
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. Para disminuir
la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en
etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la
entrada más fría del aire en la cámara de combustión.
El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades.
Turbinas monoeje: 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 máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo
tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas diseñan con geometría
variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo
menos potencia.
Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del
generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada
de aire para cada momento.
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.
Están diseñadas mediante una doble cámara:
Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el

comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3
fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama
piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión
completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el
resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y
equipos posteriores.
Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo
circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez
distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.
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.
Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas,
además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente,
saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.
Carcasa:
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: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al compresor, se
componen de 2 primeras fases de filtrado grosero, y una última con filtro de luz del orden de las
5 micras. En este proceso se puede aplicar diferentes tecnologías para aumentar la humedad y
disminuir la temperatura del aire.
Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según 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
antifricción 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 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. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mecánica
unida al eje de rotación, otra eléctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas
desaparece la turbina mecánica por una turbina eléctrica extra. Entre sus componentes
principales están el sistema de filtros, el extractor de vahos inflamables, refrigerador, termostato,
sensor de nivel, presostato, etc.
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. Debe contar con un sistema
contraincendios y de ventilación.
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. Esto evita que el rotor
se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, 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 razón la turbina se detiene
(avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar
que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.
PROCESOS TERMODINAMICOS
Las turbinas de gas (TG) operan bajo el ciclo termodinámico Brayton, los principios de la
tecnología se remontan al año 1900, y se comenzaron a usar para la generación eléctrica
estacionaria en los años 30. La turbinas revolucionaron la industria aérea en los años 40, y hasta
la actualidad, son la tecnología de mayor uso en el mundo.
Las TG convencionales son una tecnología madura. El rango de potencias es de 500 kW hasta 25
MW para aplicaciones medias, y hasta aproximadamente 250 MW para centrales de generación,
generalmente de ciclo combinado.
Funcionan con gas natural, petróleo, o una combinación de ellos (sistemas duales). Tienen
eficiencias típicas del 20 a 45% (basadas en el PCI) a plena carga y disminuye un poco a cargas
parciales.
Muchos factores afectan la eficiencia, pero en general, a mayor tamaño de la turbina mejor
eficiencia.
Se utilizan mucho en el sector eléctrico para cubrir las demandas punta de electricidad, siendo la
tecnología pilar de la industria de potencia.
Casi todas las plantas de nuevo desarrollo usan las turbinas de gas como ciclo combinado. Las
turbinas de gas medianas tienen características favorables para usar en aplicaciones de
cogeneración.
Las turbinas producen gases de escape de alta calidad que pueden usarse en configuraciones
CHP alcanzando una eficiencia global (electricidad y energía térmica útil) entre el 70 y 80%.
Las TG se pueden utilizar en varias configuraciones, operación a ciclo abierto, ciclo combinado y
aplicaciones de cogeneración, independientemente de la configuración constan básicamente de
3 componentes:
Comprensor
Cámara de Combustión
Turbina (Expansor)
Análisis termodinámico[editar]
Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina de gas el primero le entrega energía
a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Se puede
hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:
Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a
diferencia de otras nomenclaturas el trabajo es considerado positivo si sale del volumen de
control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; se refieren a la
entrada. Para simplificar el análisis se haren las siguientes consideraciones:
Considérese este proceso como adiabático
El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja densidad de los

gases.
Entonces de la primera ley de la termodinámica se puede deducir la expresión para obtener el

trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de
trabajo
El término h es la entalpía la cual se define como
La Turbina de Expansión
La 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.
Comparación entre compresores axiales y turbinas axiales
Un compresor axial simple suele estar constituido por múltiples etapas, tantas como sea
necesario hasta alcanzar la relación de presión que se busca. Es interesante comparar el número
de etapas que tiene un compresor axial con las de de una turbina axial: para la misma relación
de presiones (el primero comprimiendo, la segunda expandiendo), el compresor necesita de
muchas más etapas. Las diferencias provienen de los propios procesos del flujo; cuando el fluido
se acelera rápidamente en un conducto sufre una pérdida moderada de presión de remanso,
pero cuando experimenta una rápida deceleración, que provoca un gradiente adverso de
presión, se puede producir desprendimiento del flujo y, en consecuencia, grandes pérdidas. Para
limitar estas pérdidas, es necesario mantener la relación de deceleración del flujo a través de las
coronas de álabes en valores bajos, circunstancia que implica el que para una relación de
compresión dada, un compresor axial tenga muchos más escalonamientos que una turbina axial.
ciclos practicosde una turbina de gas
CICLOS DE POTENCIA DE GAS
En los ciclos reales productores de trabajo con gas, el fluido consiste principalmente de aire,
más los productos de la combustión como el dióxido de carbono y el vapor de agua. Como el gas
es predominantemente aire, sobre todo en los ciclos de las turbinas de gas, es conveniente
examinar los ciclos de trabajo con gas en relación a un ciclo con aire normal. Un ciclo con aire
normal es un ciclo idealizado que se basa en las siguientes aproximaciones:
a) El fluido de trabajo se identifica exclusivamente como aire durante todo el ciclo y el aire se
comporta como un gas ideal.
b) Cualquier proceso de combustión que ocurriese en la práctica, se sustituye por un proceso de

suministro de calor proveniente de una fuente externa.
c) Se usa un proceso de desecho o eliminación de calor hacia los alrededores para restaurar el
aire a su estado inicial y completar el ciclo.
Otra condición adicional que se puede imponer en el estudio, es considerar los calores
específicos CP y CV constantes y medidos a la temperatura ambiente. Este punto de vista se usa
con mucha frecuencia, pero sus resultados numéricos pueden ser considerablemente distintos
de los que se obtendrían tomando en cuenta calores específicos variables. Esto se debe a la
enorme variación de la temperatura en la mayoría de los ciclos de trabajo con gases, lo cual
altera considerablemente los valores de CP y CV durante el ciclo. En la práctica sería deseable
emplear información adicional acerca de los gases reales que se producen en la combustión de
los hidrocarburos mezclados con el aire.
EL CICLO BRAYTON
En un ciclo de una turbina de gas, se usa distinta maquinaria para los diversos procesos del
ciclo. Inicialmente el aire se comprime adiabáticamente en un compresor rotatorio axial o
centrífugo. Al final de este proceso, el aire entra a una cámara de combustión en la que el
combustible se inyecta y se quema a presión constante. Los productos de la combustión se
expanden después al pasar por una turbina, hasta que llegan a la presión de los alrededores. Un
ciclo compuesto de estos tres pasos recibe el nombre de ciclo abierto, porque el ciclo no se
completa en realidad. Figura 3.1.
Fig. 3.1 Turbina de gas que opera en un ciclo abierto.
Los ciclos de las turbinas de gas reales son ciclos abiertos, porque continuamente se
debe alimentar aire nuevo al compresor. Si se desea examinar un ciclo cerrado, los productos de
la combustión que se han expandido al pasar por la turbina deben pasar por un intercambiador
de calor, en el que se desecha calor del gas hasta que se alcanza la temperatura inicial. El ciclo
cerrado de la turbina de gas se muestra en la Figura 3.2.
Fig. 3.2 Turbina de gas que opera en un ciclo cerrado.
En el análisis de los ciclos de turbinas de gas, conviene comenzar usando un ciclo con aire
normal. Un ciclo de turbinas de gas con aire normal y de compresión y expansión isoentrópicas
se llama ciclo Brayton. En él se tiene que sustituir el proceso real de la combustión por un
proceso de suministro de calor. El uso del aire como único medio de trabajo en todo el ciclo es
un modelo bastante aproximado, porque es muy común que en la operación real con
hidrocarburos combustibles corrientes se usen relaciones aire-combustible relativamente
grandes, por lo menos 50:1 aproximadamente en términos de la masa.
En el ciclo Brayton se supone que los procesos de compresión y expansión son isoentrópicos
y que los de suministro y extracción de calor ocurren a presión constante. La Figura 3.3 muestra
Pv y Ts de este ciclo idealizado.
Fig. 3.3 Diagramas característicos Pv y Ts del ciclo Brayton con aire normal.
El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos internamente reversibles:
1-2 Compresión isoentrópica en un compresor.
2-3 Adición de calor a P=constante.
3-4 Expansión isoentrópica en una turbina.
4-1 Rechazo de calor a P=constante.
Aplicando la primera ley para flujo estable a cada uno de los procesos se puede determinar tanto
el calor como el trabajo transferido durante el ciclo.
Los procesos de 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y P2 = P3 y P4 = P5. Por tanto:
T2/T1=(P2/P1)"(K-1)L K=(P3-P4)"(K-1)LK=T3/T4 3.1
Para el proceso de calentamiento de 2 a 3
QH=H3-H2 3.2
Para el proceso de enfriamiento de 4 a 1
QL=H1-H4 3.3
En el compresor se tiene la expresión

WC=H1-H2 3.4
Para la turbina, la primera ley queda expresada como
WR=H3-H4 3.5
La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal se escribe como
NT, BRAYTON=W NETO/qh=qh-ql/qh=1-ql/qh=1-h4-h1/h3-h2=1-cp(t4-t1) /cp(t3-t2)
nt,brayton=1-t1/t2(t4/t1-1) /(t3/t2-1)=1-1/k-1/k/rp donde rp=p2/p1 3.6
variacion del ciclo y su eficiencia

EFICIENCIA ADIABÁTICA DE LOS DISPOSITIVOS DE TRABAJO
El rendimiento real de la maquinaria que produce trabajo o que lo recibe, que esencialmente
sea adiabática, está descrito por una eficiencia adiabática. Se define la eficiencia adiabática de la
turbina h T
nt=salida-real-de-trabajo/salida-isoentropica-de-trabajo=wr/wi 3.7
Aplicando la notación de la Figura 3.4 en la que el subíndice r representa la condición a la salida

real y el subíndice i representa el estado de salida isoentrópico,
Fig. 3.4 Proceso real e isoentrópico para una turbina.
se expresa la ecuación de la eficiencia como:
nt=h1-h2r/h1-h2i 3.8
suponiendo calor específico constante
nt=cp(t1-t2r) / cp(t1-t2i) donde t2r/t1=(p2/p1)"k-1/k 3.9
Si se conoce la eficiencia de la turbina, se puede hallar el valor de la temperatura real a la salida

de la turbina.
Para el compresor, se define la eficiencia adiabática del compresor como:

nc=entrada-isoentropica-de-trabajo/entrada-real-de-trabajo=wi/wr 3.10
En la Figura 3.5, se puede observar tanto el proceso real como el proceso isoentrópico de un
compresor adiabático.
Fig. 3.5. Proceso real e isoentrópico para un compresor.
Se expresa la ecuación de la eficiencia como:
nc=h2i-h1/h2r-h1 3.11
suponiendo calor específico constante:
nc=cp(t2r-t1)/cp(t2r-t1) donde t2r/t1=(p2/p1)"k-1/k 3.12
si se conoce el valor de la eficiencia del compresor, se puede hallar la temperatura de salida del
compresor.
Eficiencia
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. La potencia disminuye
debido a la disminución del flujo másico de aire (la densidad del aire disminuye a medida que
la temperatura aumenta) y la eficiencia disminuye debido a que el compresor requiere mayor
potencia para comprimir el aire a mayor temperatura.
Inversamente, la potencia y la eficiencia aumentan cuando la temperatura disminuye. De

forma general puede decirse que la potencia y el consumo de combustible disminuyen un 3,5%
cada 304,8 m sobre el nivel del mar, la potencia disminuye en un 0,3 a 0,5% por cada ºC de
incremento en la temperatura ambiente y el régimen térmico se incrementa en 0,1 a 0,2% por
cada ºC de incremento de la temperatura de entrada.
Existen varias tecnologías que pueden aumentar la potencia o la eficiencia de las turbinas de
gas, como son el uso de Recuperador de Calor, Interenfriadores, Enfriamiento del Aire de
Admisión.
Recuperador: el uso del combustible puede disminuir, y por tanto la eficiencia mejorar, con el
uso de intercambiadores de calor conocidos como recuperadores, que usan el calor de escape
de la turbina para precalentar el aire comprimido que entra a la cámara de combustión.
Dependiendo de los parámetros de operación de la turbina de gas el uso de este
intercambiador puede aumentar un 10% de eficiencia (por ejemplo de 30 a 40%).
Sin embargo, ya existe un aumento en la caída de presión del aire comprimido entre turbina y
el recuperador, la potencia típicamente se reduce en un 10 a un 15%. Además, los
recuperadores son costosos y su gasto puede justificarse cuando la turbina opera un gran
número de horas a carga total y el coste del combustible es alto.
Interenfriadores: los interenfriadores se utilizan para aumentar la potencia de la turbina

dividiendo el compresor en dos secciones y enfriando el aire comprimido que sale de la
primera sección antes de que entre a la segunda sección del comprensor.
La eficiencia de la turbina no cambia significativamente con el uso de los interenfriadores,

porque mientras que incrementan la potencia de salida, el consumo (reducido) de potencia de
la segunda sección del comprensor resulta en una menor temperatura del aire comprimido
que entra a la cámara de combustión y en consecuencia se requiere una mayor cantidad de
combustible.
Enfriamiento del Aire a la Entrada: la disminución de la potencia y la eficiencia de las turbinas

de gas a alta temperatura ambiente, significa un cambio en el rendimiento de la turbina.
Por ejemplo, si se enfría el aire de entrada de la turbina entre 5 y 10 ºC, en un día de calor se
puede aumentar la potencia en un 15 o 20%. La disminución de la potencia y la eficiencia
resultado de la alta temperatura ambiente pueden mitigarse por alguna forma de
enfriamiento de aire, incluyendo refrigeración, enfriamiento evaporativo, y almacenamiento
de energía térmica.
Con enfriamiento de refrigeración se puede utilizar un ciclo de refrigeración por compresión o

activado térmicamente (enfriador por absorción) para enfriar el aire utilizando un
intercambiador de calor.
El intercambiador de calor causa una caída de presión adicional al aire que entra al
comprensor, disminuyendo ligeramente la potencia y la eficiencia. Sin embargo, ya que el aire
de entrada es ahora sustancialmente más frío que el aire ambiente hay una ganancia
significativa de potencia y eficiencia.
El enfriamiento evaporativo, que es él que más se utiliza debido a su bajo coste, usa una
aspersión (spray) de agua directamente en el aire de entrada. La evaporación del agua reduce
la temperatura del aire ya que el enfriamiento está limitado a la temperatura del bulbo
húmedo (TBH), el enfriamiento evaporativo, es más efectivo cuando la TBH es
apreciablemente más baja que la temperatura del bulbo seco (TBS), lo que generalmente
sucede. El enfriamiento evaporativo puede consumir una gran cantidad de agua, haciéndola
difícil de operar en climas áridos.
El uso del almacenamiento de energía térmica, típicamente hielo, agua fría, o fluidos de baja
temperatura, es una opción viable si las puntas de potencia ocurren unas cuantas horas al día.
CICLO REGENERATIVO DE LA TURBINA DE GASEL
El ciclo básico de la turbina de gas puede ser modificado de varias e importantes maneras
para aumentar su eficiencia total. Una de estas formas es haciendo regeneración. El ciclo con
regeneración se puede realizar cuando la temperatura de los gases a la salida de la turbina es
mayor que la temperatura a la salida del compresor. En este caso, es posible reducir la cantidad
de combustible que se inyecta al quemador si el aire que sale del compresor se precalienta con
energía tomada de los gases de escape de la turbina. El intercambio de calor tiene lugar en un
intercambiador de calor que generalmente recibe el nombre de regenerador. La Figura 3.6
muestra un diagrama de flujo de ciclo regenerativo de una turbina de gas.
Fig. 3.6 El ciclo Brayton con regeneración.
Fig. 3.7 Diagrama T-s de un ciclo regenerativo de turbina de gas.
Si la operación del regenerador ocurre idealmente, Figura 3.7, será posible precalentar la
corriente de salida del compresor hasta la temperatura de la corriente de salida de la turbina. En
esta situación, el estado x de la Figura 3.7 queda sobre una línea horizontal desde el estado 4.
Sin embargo, esto es impráctico porque se requiere un área superficial muy grande para la
transferencia de calor al tender a cero la diferencia de temperatura entre las dos corrientes. Para
medir la proximidad a esta condición límite, se define la eficiencia del regenerador, (Figura 3.8) h
reg, como
nreg=hxr-h2/h4-h2=h4-hsr/h4-hs donde h4=hx y hs=h2 3.13
considerando el CP constante
nreg=txr-t2/t4-t2=t5-t5r/t4t5 3.14
Fig. 3.8 Diagrama T-s para el ciclo Brayton con regeneración, considerando eficiencia adiabática
en el regenerador.
La eficiencia térmica de este ciclo se puede expresar como
nt=1-h5r-h1/h3-hxr=1-t5r-t1/t3-txy 3.15
De esto se puede decir que la eficiencia térmica de un ciclo con regeneración es una función no
sólo de la relación de presiones, sino también de las temperaturas mínima y máxima que
ocurren en el ciclo.
EL CICLO OTTO CON AIRE NORMAL
El ciclo Otto es el ciclo ideal para el motor de cuatro tiempos con ignición o encendido por
chispa. El motor de cuatro tiempos con ignición por chispa aunque se ha sometido a
modificaciones con el objeto de cumplir normas para evitar contaminación, es sin duda que este
motor continuará teniendo un importante papel en la producción de cantidades relativamente
pequeñas de trabajo. Un diagrama PV representativo de este motor con válvula de mariposa o
estrangulador totalmente abierto se muestra en la Figura 3.11. La serie de eventos incluye el
tiempo de la admisión ab, el tiempo de compresión bc, el tiempo de expansión o de trabajo cd y
finalmente el tiempo de escape da.. Los tiempos de admisión y escape se efectúan
esencialmente a presión atmosférica. Las líneas de los procesos ab y da no coinciden.
Normalmente, el punto de ignición se localiza en el tiempo de compresión antes de la posición
del PMS, porque la propagación de la llama en la cámara de combustión requiere un tiempo
finito. En un motor dado, el punto de ignición puede alterarse hasta que se encuentre la posición
para una producción máxima de trabajo. Obsérvese que también la válvula de escape se abre
antes que el pistón llegue al PMI. Esto permite que la presión de los gases de escape casi alcance
la presión atmosférica antes que comience el tiempo de escape.
Fig. 3.11. Ciclo real en motores de encendido por chispa
El análisis termodinámico del ciclo de cuatro tiempos real descrito, no es una tarea sencilla. Sin
embargo, el análisis puede simplificarse de manera significativa si se utilizan las suposiciones de
aire normal. El ciclo que resulta y que se asemeja mucho a las condiciones de operación reales
es el ciclo ideal de Otto. Este se compone de cuatro procesos reversibles (Figura 3.12)
1-2 Compresión isoentrópica
2-3 Adición de calor a volumen constante
3-4 Expansión isoentrópica
4-5 Rechazo de calor a volumen constante
Fig. 3.12. Diagramas Pv y Ts de un ciclo Otto con aire normal.
El ciclo Otto se ejecuta en un sistema cerrado, por eso la relación de la primera ley para
cualquiera de los procesos se expresa, por unidad de masa, como
q-w=#u (kj/kg)3.18
Durante los dos procesos de transferencia de calor no hay trabajo ya que ambos tienen lugar a
volumen constante. Luego la transferencia de calor hacia y desde el fluido de trabajo puede
expresarse como
qh=q23=u3-u2=cv(t3-t2) 3.19
ql=q41=u1-u4=cv(t1-t4) 3.20
Para la eficiencia térmica del ciclo se tiene la siguiente expresión

ntotto=wneto/qh=1-ql/qh=1-t4-t1/t3-t2 3.21
Los procesos 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y v2 =v3 y
v4 =v1. De tal modo,
t1/t2=(v2/v1)k-1=(v3/v4)k-1=t4/t3 3.22
luego esta ecuación se puede escribir como
ntotto=1-1/r"k-1 3.23
donde
r=vmax/vmin=v1/v2=v1/v2 3.24
EL CICLO DIESEL CON AIRE NORMAL
El ciclo Diesel es el ciclo ideal para las máquinas reciprocantes de encendido por compresión.
En los motores de encendido por compresión, el aire se comprime hasta una temperatura
superior a la temperatura de autoencendido del combustible, y la combustión se inicia cuando el
combustible se inyecta dentro de este aire caliente. En consecuencia, en estos motores no existe
bujía sino un inyector de combustible.
Usando relaciones de compresión en la región de 14:1 a 24:1 y al usar combustible diesel en

lugar de gasolina, la temperatura del aire dentro del cilindro excederá la temperatura de ignición
al final del tiempo de compresión. Si el combustible estuviese premezclado con el aire, como en
el motor de ignición por chispa, la combustión comenzaría en toda la mezcla cuando se
alcanzara la temperatura de ignición; por consiguiente, no tendríamos control sobre el instante y
duración del proceso de combustión. Para evitar esta dificultad, el combustible se inyecta en el
cilindro en una operación independiente; la inyección comienza cuando el pistón está cerca de la
posición del punto muerto superior. Por consiguiente, el motor de ignición por compresión
difiere del motor con ignición por chispa principalmente en el método para lograr la combustión
y en el ajuste de la sincronización del proceso de combustión. El resto del ciclo de 4 tiempos con
ignición por compresión es similar al ciclo de ignición por chispa.
La Figura 3.13 muestra un diagrama PV característico de un motor de ignición por

compresión. El motor de ignición por compresión, tiene un diagrama PV muy similar al de un
motor de ignición por chispa.
Fig. 3.13. Diagrama PV de un motor de ignición por compresión.
El ciclo teórico Diesel de un motor reciprocante se muestra en la Figura 3.14 en diagramas PV

y Ts. Igual que el ciclo Otto, está compuesto de cuatro procesos internamente reversibles. La
única diferencia entre ambos ciclos es que el ciclo Diesel modela la combustión como un proceso
que ocurre a presión constante, mientras que el ciclo de Otto supone que se suministra calor a
volumen constante. Un ciclo con aire normal y la aplicación de calores específicos constantes
posibilitan la realización de un análisis útil del motor Diesel.
Fig. 3.14 Diagramas Pv y Ts del ciclo Diesel con aire normal.
La entrada y salida de calor del ciclo están dadas por
qh=cp(t3-t2) 3.25
ql=cv(t1-t4) 3.26
Luego, el rendimiento térmico se puede escribir como
nt diesel=qh-ql/qh=cp(t3-t2)-cv(t4-t1)/cp(t3-t2)=1-t4-t1/k(t3-t2) 3.27
La ecuación anterior se puede transformar si se introduce el concepto de relación de corte rc, la

cual se define como V3/V2. Sabiendo que la relación de compresión r se define como V1/V2, se
puede demostrar que la ecuación anterior, que contiene temperaturas, puede expresarse en
términos de volúmenes de la siguiente manera:
nt diesel=1-1/r"k-1(rc"k-1/k(rc-1)) 3.28
Esta ecuación indica que el ciclo Diesel teórico es fundamentalmente función de la relación de
compresión r, la relación de corte rc y del cociente de los calores específicos k.
aumento de la energia de salida

Rendimiento de Turbinas de Gas
Una turbina de gas simple está 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 presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expanderse a
través 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 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc.
Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El
regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de
escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. 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 compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más
potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los
gases calientes creados por la combustión, 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
Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es
la General Electric LM1600 versión marina.
Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con
interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:
desminucion del trabajo del compresor
El compresor es el primer elemento que forma parte de la turbina de gas propiamente dicha. Su
función es aumentar la presión del aire de admisión que proporciona el oxígeno comburente
para la cámara de combustión en relaciones de compresión que oscilan entre 1:15 y 1:30.
En el compresor se realiza la primera transición indicada por el ciclo Brayton: la compresión,

idealmente isoentrópica. Como puede apreciarse en la figura 2, la presión y la temperatura
aumentan, disminuye el volumen y la entropía se mantiene constante (en condiciones ideales):
Básicamente existen dos tipos de compresores: los centrífugos y los axiales. En los primeros, la
corriente de salida es perpendicular a la de entrada. En los segundos, ambas corrientes son
paralelas al eje de rotación. A pesar de que los primeros tienen saltos de presión mayores, las
ventajas de los compresores axiales y su facilidad de integración en el conjunto de la turbina
hace que estos sean preferibles a los centrífugos. El problema principal de su baja relación de
compresión se soluciona fácilmente colocando múltiples etapas. Cada etapa impulsa el aire hacia
la etapa siguiente, aumentando su presión en una relación de compresión por etapa que oscila
entre 1:1,15 y 1:1,35, hasta conseguir la relación de presión deseada
El diseño de los turbocompresores axiales entraña una gran dificultad ya que el diseño de los
álabes responde a estrictos criterios aerodinámicos.
desminucion del comsumo de combustible

El consumo de combustible puede disminuir precalentando el aire comprimido con el calor de
los gases de escape de la turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de
compresión puede reducirse y la potencia aumentar con el uso de interenfriamiento y
preenfriamiento, y los gases de escape utilizarse en un HRSG para producir vapor y generar
trabajo en un ciclo combinado.
ciclos teoricos de operaciones de la turbina a gas

Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El

regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de
escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. 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 compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más
potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los
gases calientes creados por la combustión, 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
Ingeniería de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es
la General Electric LM1600 versión marina.
Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con
interenfriador y regenerador en el mismo ciclo. Estos ciclos los podemos ver a continuación:
ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza
un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que
también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple.
En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, 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,
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relación
isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto es evidente en
el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1
a 1-2’-3’-4-1. El último 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 último
ciclo tiene una temperatura máxima (T3’) más alta que la del ciclo (T3). En la turbina de gas real,
la temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones
metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la relación de presión, el
ciclo resultante es 1-2’-3’’-4’’-1. Este ciclo tendrá un rendimiento más 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 través 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 presión en los pasos de flujo y en la cámara
de combustión (o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado). Los rendimientos de
l compresor y de la turbina están definidos en relación a los procesos isentrópicos. Los
rendimientos son los siguientes:
CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR
El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un
regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:
Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de
escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión.
Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4,
es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede
transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si
esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la
temperatura de los gases que salen del regenerador Tx’ pueden tener en el caso ideal, una
temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso
la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde
Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada pro el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y
representa el calor cedido.
La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador,
se ve al considerar el ciclo 1-2’-3’-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de la
turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo
tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar
el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.
El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:
Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,
Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo de
la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas.
También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al
aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este
ciclo
La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del

regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el
regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los
de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura Tx’ pero T3’ = T4. En el regenerador
real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura
real que sale del regenerador, es menor que Tx’. El rendimiento del regenerador se define como,
Si suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador
también está dado por la relación
Es bueno señalar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una
gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de
presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del
regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento
térmico del ciclo. Desde el punto de vista económico, el costo del regenerador debe tomarse en
cuenta para saber si justifica el ahorro que se obtendrá con su instalación y uso
componentes de paquetes de una turbina a gas

Las TG se pueden utilizar en varias configuraciones, operación a ciclo abierto, ciclo combinado y
aplicaciones de cogeneración, independientemente de la configuración constan básicamente de
3 componentes:
Comprensor
Cámara de Combustión
Turbina (Expansor)
La Cámara de Combustión
El calor se introduce en las turbinas de gas a través de la cámara de combustión. Esta cámara
recibe el aire comprimido proveniente del compresor y lo envía a una elevada temperatura hacia
la turbina expansora, idealmente sin pérdida de presión. De esta forma, la cámara de
combustión es un calentador de aire donde el combustible, mezclado con mucha mayor cantidad
de aire que lo que correspondería a una mezcla estequiométrica aire-gas. Existen varios tipos de
cámaras de combustión, pero en general pueden agruparse en tres categorías: las anulares, las
tuboanulares y las tipo silo.
El ciclo expansor
es un ciclo de potencia de los motores cohete bipropelente destinado a mejorar la eficiencia del
suministro de combustible.
sistema de regulacion en la turbina a gas

En las unidades con turbinas a gas las acciones de control son realizadas por 4 sistemas de
control que compiten por el manejo de la válvula de entrada de combustible a la cámara de
combustión:
• Los controles de arranque y parada, sólo toman el control en esas etapas.
• El control de aceleración sólo toma el control durante las secuencias de arranque y parada o
ante variaciones muy grandes de velocidad, por ejemplo por apertura del interruptor de
máquina en carga, pero no en operación en paralelo.
• En la operación en paralelo sólo compiten por el manejo de la válvula los lazos de temperatura
y velocidad.
• El manejo de la válvula lo realiza el control de carga/velocidad sujeto a un límite máximo dado

por el límite de temperatura. Límite que varía con las condiciones de operación (temperatura
ambiente).
Control carga/velocidad
Representa el regulador de velocidad de la unidad (figura 9.3.1), las entradas son la desviación
de velocidad (?N) y la referencia de carga de la unidad (VL), las salida es el flujo de combustible
FD para mantener la velocidad.
Figura 9.3.1: Control carga/velocidad.
Los parámetros W, X, Y y Z se pueden ajustar para que el regulador actúe con estatismo
permanente (Rp) o en forma sincrónica (Z=0).
FD representa el valor deseado de potencia mecánica de salida de la turbina determinado por el
control carga/velocidad. FD está limitada por los limitadores de temperatura y de aceleración a
través de una compuerta que selecciona el valor mínimo.
Sistemas de control de combustible
• El flujo de combustible tiene un límite superior que representa el máximo flujo de combustible
físicamente obtenible y un límite inferior que mantenga la combustión en toda condición de
operación.
• K6 es el valor de offset que representa el flujo de combustible en vacío a velocidad nominal.
• La velocidad de la bomba de combustible está vinculada con la velocidad del rotor, se

encuentra en el mismo eje.
• La constante de tiempo T representa el retardo de tiempo del regulador de velocidad que

utiliza lógica digital en vez de dispositivos analógicos.
• La dinámica de la válvula de combustible y del flujo de combustible en la tubería es

representada por sistemas de 1er orden con constante de tiempo b/c y tf.
Figura 9.3.2: Diagrama de bloques del sistema turbina-regulador de velocidad de una turbina a
gas.
Turbina a gas
• El flujo de combustible WF ingresa al sistema cámara de combustión.
• Los gases de combustión impulsan a la turbina que entrega un torque mecánico en su eje. El
torque multiplicado por la velocidad determina la potencia mecánica PMECH desarrollada por la
turbina.
• La potencia mecánica entregada por la turbina tiene un pequeño retardo ECR + TCD con
respecto al caudal de combustible dado por el proceso de combustión.
• ECR representa el retardo de tiempo de la cámara de combustión, TCD es la constante de

tiempo de descarga del compresor y ETD el retardo del sistema de escape.
Figura 9.3.3: Diagrama de bloques del sistema turbina-regulador de velocidad de una turbina a
gas con regulador Woodward.
Sistema de control de temperatura
• Se utilizan unas guías de admisión "Inlet guide vane" (IGV) para controlar la temperatura de los
gases de escape de la turbina.
• La temperatura de escape TE depende del flujo de combustible Wf. La medición de TE está

representada por la dinámica de una termocupla y del aislante de radiaciones (radiation shield).
• La medición de la temperatura de escape TE es comparada con la temperatura de referencia

TR, cuando TE < TR la salida del controlador PI alcanza el máximo (1.1 pu).
• Si TE > TR la salida del controlador disminuye hasta el punto donde su salida desplaza a la señal
FD en el bloque que selecciona el valor mínimo Vce.
• Asume el control de la válvula de admisión de combustible el controlador de temperatura de

escape.
El regulador Woodward consiste en un controlador PID para el control carga/velocidad. La

medición de la potencia eléctrica es adicionada a la señal de error para proveer estatismo
permanente KDROOP.
9.4. Unidades de ciclo combinado y sus sistemas de regulación de velocidad
Una planta de ciclo combinado puede ser vista como el acoplamiento de una turbina a gas y una
turbina a vapor a través de un generador de vapor por recuperación de calor "heat recovery
steam generator" (HRSG).
Figura 9.4.1: Esquema del sistema turbinas-regulador de velocidad de una unidad de ciclo
combinado.
En las unidades de ciclo combinado se aprovecha la temperatura de los gases de escape para
generar vapor. Los gases son volcados en una caldera recuperadora de calor la cual provee vapor
a una turbina a vapor.
Para lograr el mayor aprovechamiento energético de estas unidades es necesario mantener una
alta temperatura del vapor aún en condiciones de baja carga. Esto requiere la inclusión de una
estrategia de control de la temperatura de escape.
En la figura 9.4.1 se muestra la relación entre los componentes de una unidad de ciclo
combinado.
El modelo del controlador carga/velocidad y el sistema de control de combustible coinciden con

los analizados en el modelo de turbinas a gas.
Sistemas de control de aire
El sistema incluye un sistema de control de flujo de aire que ingresa a la cámara de combustión
(figura 9.4.2).
Figura 9.4.2: Control de los flujos de aire y de combustible.
En condiciones normales de carga el flujo de combustible y la admisión de aire con controlados

para mantener constante la temperatura de admisión de la turbina a gas Tf.
En base al requerimiento de combustible FD y a la temperatura ambiente TI se determina el flujo

de aire deseado (WD). La temperatura ambiente TI es la temperatura de admisión de aire al
compresor.
La respuesta del control del compresor está modelada con un retardo de 1er orden con
constante TV y un limitador dinámico que corresponde al rango de apertura de la admisión de
aire. El flujo de aire W es función de la apertura y de la velocidad en el eje de la máquina pues el
compresor está montado en su eje.
Sistema de control de temperatura
Se utilizan las guías de admisión "Inlet Guide Vane" (IGV) para controlar la temperatura de los
gases de escape de la turbina y así mantener la eficiencia del ciclo a vapor en condiciones de
baja carga.
Conociendo el flujo de aire WD se calcula el valor de referencia para la temperatura de escape

TR de manera tal de mantener la carga deseada a temperatura constante de admisión a la
turbina (Tf).
El cálculo de TR se realiza sobre la base de las relaciones termodinámicas de la turbina a gas. La

referencia TR ingresa al sistema de control de temperatura de escape a través de un retardo de
1er orden (TR1) y de un limitador dinámico.
Al igual que en el control de la turbina a gas la medición de temperatura de escape TE es

comparada con la referencia TR. Cuando TE>TR el controlador de temperatura de escape asume
el control de la válvula de admisión de combustible.
Turbina a gas
La figura 9.4.3 muestra las relaciones utilizadas para determinar la potencia mecánica
desarrollada por la turbina a gas y la temperatura de escape TE.
Figura 9.4.3: Modelo de una turbina a gas de una unidad de ciclo combinado.
En la potencia entregada por la turbina en el eje influyen, además del caudal de combustible WF
y de aire W, la temperatura Tf de admisión a la turbina, con una dinámica representada por un
sistema de primer orden con constante de tiempo TCD.
Turbina a vapor
El generador de vapor por recuperación de calor (HRSG) reacciona a los cambios en el caudal de
escape de la turbina a gas y en la temperatura de escape.
La figura 9.4.4 muestra el modelo del sistema HRSG – turbina a vapor, mientras que en la figura
9.4.5 se observa un modelo simplificado.
Figura 9.4.4: Modelo del sistema HRSG – turbina a vapor de una unidad de ciclo combinado.
manejo de las curvas

Procedimiento
1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente con todas las
válvulas de aislamiento de toberas abiertas.
2) Ajustar la válvula de admisión al valor deseado de la presión (p.e. 60 kN / m2) . Esta presión
debe mantenerse durante toda la prueba.
3) Aflojar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina funcione cerca de su velocidad
máxima, SIN exceder las 50.000 rpm.
4) Cuando las condiciones se estabilicen, anotar la velocidad, la fuerza, y el gasto de aire.
5) Girar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina gire a una velocidad menor, teniendo
en cuenta que habrá qe obtener al menos seis puntos de funcionamiento entre la velocidad
máxima y la velocidad nula. Cuando se estabilice, repetir las observaciones.
6) Repetir a disminuciones similares de velocidad hasta que la turbina se detenga finalmente.
7) Ahora se puede repetir el experimento a otras presiones constantes de entrada. ( p.e. 40 y 20

kN / m2 ).
Cálculos
Par M = Fuerza x Radio
Potencia al eje e = Par x Velocidad angular
Aplicación de la Primera ley de la Termodinámica
El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en
condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían
a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una
transferencia de trabajo y calor.
Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en

comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que
q = h2 - h1 + w
En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas,
y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa
unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse.
Por consiguiente w = h1 - h2
Expansión isentrópica
La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir,
adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el
estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico
(entropía constante).
Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar

la transferencia ideal de trabajo.
Rendimiento isentrópico
Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será
menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor
que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la
disipación de energía disponible.
Rendimiento global
Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:
- Fricción del fluido en el estator (toberas).

- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).
- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.
- Fricción entre el rotor y el fluido.
- Pérdidas por ventilación.
- Energía cinética rechazada en el rotor.
Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará

normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente
transferencia de calor a la caja.
Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de
temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.
caracteristi de operacion de rendimiento

El principio de operación en una turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al
compresor donde se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el
combustible y ocurre la combustión.
Los gases calientes se expanden hasta presión atmosférica y producen trabajo en la turbina.
El compresor opera con una parte de la energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un
65%), y la energía restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina.
Un generador eléctrico se conecta al eje de la turbina y produce electricidad. El calor de los

gases de combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG.
La combustión se lleva a cabo con un alto exceso de aire, por lo que los gases de escape a la
salida de la cámara de combustión, con una alta temperatura, poseen altas concentraciones de
oxígeno (hasta un 16%). La alta temperatura del ciclo se registra en este punto (la salida de la
cámara de combustión), a mayor temperatura mayor la eficiencia del ciclo y con la tecnología
disponible hasta el momento se pueden lograr temperaturas de hasta 1300 ºC. Posteriormente,
después de expandirse, los gases de escape abandonan la turbina a una temperatura entre 450 y
600 ºC.
Se debe poner especial atención al hecho de que los álabes de la turbina, en el ciclo abierto, se
exponen directamente a los gases de escape por lo que los productos de combustión no deben
contener constituyentes que causen corrosión.
A medida que la tecnología avance permitirá una mayor temperatura a la entrada de la turbina,
con una relación de presión también mayor. Mayor temperatura y relación de presión resultará
en una mayor eficiencia y potencia.
Así la tendencia general en las turbinas de gas es avanzar en una combinación de alta
temperatura y presión. Aunque estos avances aumentan los costes de fabricación de la máquina,
el alto valor, en términos de una mayor potencia y alta eficiencia, proporcionará beneficios
económicos netos.
Las características de operación de las turbinas de gas dependen de las condiciones del aire
ambiental, la calidad del combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyección de
agua y la altitud principalmente.
El consumo de combustible puede disminuir precalentando el aire comprimido con el calor de

los gases de escape de la turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de
compresión puede reducirse y la potencia aumentar con el uso de interenfriamiento y
preenfriamiento, y los gases de escape utilizarse en un HRSG para producir vapor y generar
trabajo en un ciclo combinado.
prosedimientos de aranques
El Proceso de Arranque de una Turbina de Gas
El proceso de arranque de una turbina de gas suele suponer entre 40 y 60 minutos, si la turbina
opera en ciclo abierto. Si opera en ciclo combinado suele suponer entre 1,5 horas (arranque
caliente) y 6 horas (arranque frío) hasta estar totalmente completado.
EL ARRANQUE DE UNA TURBINA DE GAS EN CICLO ABIERTO
Antes de poner ningún dispositivo en marcha, es conveniente realizar una serie de

comprobaciones, para asegurar que determinados sistemas se encuentran operativos y en la
situación necesaria. Estas comprobaciones son:
Presión de gas a la entrada de la turbina, en las condiciones requeridas
Sistema de refrigeración en funcionamiento
Red eléctrica de transporte de energía eléctrica perfectamente operativa
Niveles adecuados en los diversos calderines y en el tanque de agua de alimentación
Sistemas auxiliares del generador operativos (refrigeración, aceite de sellos, etc)

Sistema de lubricación operativo
Sistemas auxiliares de la turbina de gas operativos
Sistemas de seguridad (contraincendios, etc) operativos y sin alarmas activas
El eje de la turbina de gas, o el eje común en caso de ser una central de eje único, deben haber
estado a giro lento (menos de 1 rpm) durante varias horas. Esto se realiza para evitar que por
efecto del peso del eje o de la temperatura éste se haya deformado, arqueándose, lo que puede
producir desequilibrios y aumento de vibraciones, o incluso, el bloqueo del propio eje.
El operador debe seleccionar el tipo de arranque deseado, que como veremos más adelante,
depende de la temperatura del eje de la turbina de vapor y de las condiciones de presión y
temperatura de la caldera y del ciclo agua vapor, fundamentalmente. Lógicamente, hay una
relación entre el tiempo transcurrido entre la parada y esas temperaturas y presiones.
El proceso de arranque propiamente dicho se inicia cuando el operador selecciona la opción

‘Arranque’ en el sistema de control. Lo habitual en este tipo de centrales es que se disponga de
un sistema de control distribuido, y que una unidad central (también llamado secuenciador)
coordine las acciones que se van realizando en los diferentes sistemas durante el arranque.
Teóricamente, sin más intervención manual que la de selección de la opción ‘arranque’ las
modernas centrales de ciclo combinado deberían completar todo el proceso. Pero la experiencia
demuestra que la intervención manual del operador de la central acelera el proceso, resuelve
problemas que van surgiendo sobre la marcha y hace que el número de ‘arranques fallidos’
descienda.
En una primera etapa, como hemos dicho, el sistema comprobará que se dan todas las
condiciones necesarias para el arranque. Una vez comprobadas, se inicia la aceleración de la
turbina de gas. El generador funciona en esta fase como motor, que se alimenta de la propia red
eléctrica. Para conseguir un arranque suave, se utiliza un variador de frecuencia, que va
controlando la velocidad del generador en cada momento de forma muy precisa.
Se hace en primer lugar un barrido de gases, para asegurar que no hay ninguna bolsa de gas en
el interior de la turbina. La turbina gira durante este barrido a unas 500 r.p.m. durante 5-10
minutos. Una vez acabado el barrido, la turbina va aumentando su velocidad. Atraviesa varias
velocidades críticas, en las que el nivel de vibraciones en los cojinetes aumenta
considerablemente. En esas velocidades críticas el gradiente de aceleración se aumenta para
reducir el tiempo de estancia.
A una velocidad determinada (generalmente por encima del 50% de la velocidad nominal, que
es de 3000 r.p.m. para Europa y Asia, y 3600 para América), comienza a entrar gas a los
quemadores y una bujía o ignitor hace que comience la ignición en cada uno de los quemadores.
La cámara de combustión está equipada con varios detectores de llama, y si no se detecta
ignición pasados algunos segundos, se abortará la maniobra de arranque, y será necesario hacer
un barrido de gases y comenzar de nuevo. Para estos ignitores se suele utilizar un combustible
con un poder calorífico superior al del gas natural (propano, por ejemplo).
Si los quemadores se encienden correctamente, los gases provocados por la combustión del gas
natural empezarán a empujar los álabes de la turbina. A medida que se va ganando en velocidad,
el generador empuja menos y los gases de escape cada vez más, y a una velocidad determinada
(unas 2500 r.p.m.) el generador, que hasta ahora actúa como motor, se desconectará y la
combustión será la única responsable de la impulsión de la turbina.
Cuando se alcanzan las 3000 r.p.m. (o 3600 en América), entra en funcionamiento el

sincronizador, que automáticamente regulará frecuencia, tensión y desfase de la curva de
tensión del generador y de la red eléctrica. Cuando las curvas de tensión de generador y red
coinciden plenamente se cierra el interruptor del generador y la energía eléctrica generada se
exporta a la red a través del transformador principal.
Si la turbina opera en ciclo abierto, esto es, sin estar enlazado a un ciclo de vapor, la subida de
carga hasta la potencia deseada se realiza con rápidez, puediendo alcanzar la plena carga en
menos de 20 minutos. Esta gran velocidad hace que las turbinas de gas sean ideales como
máquinas térmicas para la producción de electricidad en nudos de la red que requieren gran
potencia y una respuesta rápida
EL ARRANQUE DE UN CICLO COMBINADO
Con la turbina de gas en marcha, la caldera empieza a recibir gases de escape calientes,
generalmente a más de 600 ºC, y comienza a calentarse el agua contenida en los haces tubulares
de la caldera. Se comienzan a cerrar venteos de caldera, y a los pocos minutos ya se empieza a
formar vapor, con lo que la presión comienza a subir rápidamente.
Cuando se alcanza la presión adecuada, se comienza la operación en by-pass, esto es, el vapor
generado se deriva hacia el condensador directamente, sin pasar por la turbina de vapor. La
razón es que el valor de conductividad del vapor no es el adecuado, y los diversos contaminantes
que contiene, sobre todo sílice, hierro, sodio y cobre, pueden dañar los álabes de la turbina de
vapor. Se purga gran cantidad de agua de la caldera, y se sustituye por agua de refresco, de
menor conductividad, proveniente de la planta de producción de agua desmineralizada.
Cuando se alcanza el valor de conductividad conveniente se comienza a hacer girar la turbina de

vapor. Poco a poco va aumentando de velocidad, y cuando se llega a 3000 r.p.m., su generador
sincroniza con la red, aportando más energía eléctrica (aproximadamente un 50% de lo que
aporte la turbina de gas). En las centrales de eje único, en las que la turbina de gas y la de vapor
están unidas a un único generador, cuando se alcance la velocidad nominal se conectarán
mecánicamente el eje del generador y el de la turbina de vapor, generalmente por medio de un
embrague.
Se comienza entonces a subir carga, y se hace de forma lenta, para minimizar los efectos del
estrés térmico. Cuando la planta alcance la carga deseada, que puede ser el mínimo técnico, la
plena carga o cualquier otra entre estas dos, el proceso de arranque habrá finalizado.
Por tanto, podemos desglosar el tiempo empleado en el arranque de la siguiente forma
T1: Desde el inicio del arranque hasta la sincronización
T2: Tiempo de espera hasta que los by-pass están presurizados y perfectamente operativos
T3: Tiempo necesario para conseguir la calidad de vapor adecuada
T4: Tiempo necesario para acelerar y acoplar la turbina de vapor
T5: Tiempo necesario para subir carga desde la carga mínima con turbina de vapor hasta la carga
deseada
TIPOS DE ARRANQUE
Es muy importante para el cálculo preciso de los tiempos de arranque definir los diferentes tipos
de arranque que pueden darse en una central. Hay que tener en cuenta que los programas de
carga pactados con el mercado eléctrico deben cumplirse, pues las repercusiones económicas
derivadas de un incumplimiento son notorias. Por otro lado, el rendimiento de la planta
(consumo de combustible frente a producción de energía eléctrica) son bajos a cargas bajas, y
notablemente bajos en los procesos iniciales. Por tanto, tampoco es económicamente factible
asegurar el cumplimiento del programa pactado con el mercado eléctrico introduciendo grandes
márgenes de seguridad en cada uno de las fases del arranque, pues esto hace que el proceso sea
mucho más gravoso. La decisión acertada es, pues, determinar con exactitud la duración del
proceso de arranque. Como ese tiempo no es siempre el mismo, sino que depende de las
condiciones presentes en la planta en el momento del arranque, para poder determinar la
duración con precisión es necesario diferenciar los diversos tipos de arranque que pueden darse
dependiendo de las condiciones al inicio.
Los factores que diferencian los diferentes tipos de arranques son los siguientes:
Temperatura de los elementos internos de la turbina de vapor. Se suele tomar como referencia el
eje del rotor de la turbina. Es con diferencia el factor que más marca la duración del arranque.
Lógicamente, cuanto más fría esté esta turbina, el arranque será más lento. Afecta
fundamentalmente a T4 (Tiempo necesario para acelerar y acoplar la turbina de vapor)
Conductividad y pH del agua contenida en los calderines. Cuanto más se aparten estos valores
de los limites máximos más tiempo se necesitará para completar el proceso. Afecta
fundamentalmente a T3 (Tiempo necesario para conseguir la calidad de vapor adecuada)
Condiciones de presión y temperatura de caldera. Cuanto menores temperaturas y presiones,

más largos serán T2 y T3 (tiempos necesarios para conseguir las condiciones de presión en el
circuito y de calidad en el vapor)
Temperatura de los elementos internos de la turbina de gas, sobre todo cámaras de combustión
y álabes. Afectará sobre todo a T1 (tiempo hasta la sincronización)
Aunque en la práctica se demuestra que hay muchos más tipos de arranque, generalmente se
reconocen cinco tipos: rearranque, arranque caliente, arranques templados y arranque frío y
arranque superfrío.
Arranques superfríos
Las condiciones de un arranque superfrío son las siguientes:
Caldera despresurizada y fría, en todos sus puntos (a temperatura ambiente)
Necesario aportar una gran cantidad de agua ‘fresca’ para conseguir alcanzar el nivel de
arranque
Eje de la turbina de vapor a temperatura ambiente
Internos de la turbina de gas a temperatura ambiente
A estas condiciones suele llegarse después de largos tiempos de parada, como los
correspondientes a una gran revisión. Este tiempo es generalmente superior a 2 semanas. Los
arranques superfríos son los que más tiempo requieren para completar el proceso,
fundamentalmente por :
Alto T1. La turbina de gas estará muy fría, los gradientes de subida de temperatura serán bajos
para que se produzca un calentamiento uniforme y gradual en las cámaras de combustión y en
los elementos internos en la caldera.
Sin influencia en T2. La potencia de espera a que los by-pass estén operativos será igual a la de
los demás arranques.
Alto T3,. Después de una parada larga y dependiendo del tipo de conservación de la caldera, se
introducirá una gran cantidad de agua “nueva” a la caldera la cual traerá mucho oxígeno disuelto
y a la que habrá que dosificar grandes cantidades de sustancias para regular pH. Esto implica una
alta conductividad que habrá que ir reduciendo lentamente.
Alto T4, al estar la turbina de vapor fría, esta se deberá ir calentando de una manera uniforme y
gradual para evitar estrés térmico y mecánico en sus diferentes elementos..
Alto T5, La velocidad de este proceso está limitada por el estrés térmico de la turbina de vapor.
Arranques fríos
Las condiciones que tiene la central justo antes del arranque son parecidas a las de arranque
superfrío, con la diferencia de que la turbina de vapor no se encuentra a temperatura ambiente,
sino a una temperatura superior (entre 25-50% de la temperatura en funcionamiento normal.
Por tanto, las condiciones presentes en el momento del arranque pueden resumirse así:
Caldera despresurizada y fría,
Necesario aportar una gran cantidad de agua ‘fresca’ para conseguir alcanzar el nivel de
arranque
Eje de la turbina de vapor a temperatura superior a la ambiental
Internos de la turbina de gas a temperatura superior a la ambiental
Estas condiciones suelen alcanzarse tras 4-5 días de parada. Los arranques fríos requieren menos
tiempo que los anteriores, ya que el estrés de la turbina de vapor será menor. Por tanto, para
este tipo de arranques tendremos:
Alto T1.
Sin influencia en T2.
Alto T3,
T4 medio, al tener cierta temperatura la turbina de vapor
T5 medio, por la misma razón.
Arranques templados
En los arranques templados los elementos internos de la turbina de gas y de vapor están en
torno al 50% de su temperatura en funcionamiento normal. Sería la situación de la central tras
una parada normal de fin de semana. Las condiciones podrían resumirse así:
Caldera con poco presión, y templada
No es necesario aportar una gran cantidad de agua para conseguir alcanzar el nivel de arranque
Eje de la turbina de vapor a temperatura superior al 50% de su temperatura nominal
Internos de la turbina de gas a temperatura superior al 50% de su temperatura nominal.
En estas condiciones, las diferentes fases de arranque se ven afectadas de esta manera:
T1 medio.
T3 medio,. Hasta conseguir el valor de conductividad adecuado no se tardará mucho tiempo,

aunque habrá que esperar, pues se habrá tenido que adicionar algo de agua desmineralizada.
T4 medio. La rampa de subida no estará tan condicionada por el estrés de la turbina de vapor
que en los arranques fríos.
T5 medio, por las mismas razones que en la fase anterior
Arranques calientes
Este tipo de arranque es el propio tras una parada de un día, incluso unas horas. Turbina de gas y
de vapor están a una temperatura superior al 75% de la nominal, y la caldera está presurizada y
caliente. La distribución de tiempos en el arranque será la siguiente:
T1 bajo.
T3 medio,. hasta conseguir el valor de conductividad adecuado, pues aunque no se haya

adicionado agua puede haber entrado aire en el sistema (sobre todo por el condensador, al
perder el vacío) .
T4 medio. La rampa de subida estará poco condicionada por el estrés de la turbina de vapor.
T5 medio, por las mismas razones que en la fase anterior
Rearranques
Se trata de arranques que se realizan tras una parada imprevista de la central. En general, el
arranque se produce antes de 2 horas desde la parada. Las condiciones de la planta en esos
momentos pueden resumirse así:
Caldera con presión y temperatura en todos sus puntos

No es necesario aportar agua
Eje de la turbina de vapor prácticamente a temperatura de trabajo
Internos de la turbina de gas a alta temperatura
Con ello, los tiempos de las diversas etapas del proceso de arranque pueden resumirse así:
Pequeño T1. Al estar calientes las cámaras de combustión y los álabes se podrá subir la
temperatura de manera más rápida.
Pequeño T2. Al tener los calderines presurizados los by-pass tendrán un tiempo de preparación
escaso, incluso nulo.
Pequeño T3, La calidad del agua y del vapor pueden ser óptimas en el momento del arranque.
Pequeño T4 y T5. Al estar la turbina de vapor caliente no habrá que esperar a que baje su estrés
tanto para la aceleración como para la subida de carga.
Lógicamente, el rearranque es el que proceso que menos tiempo requiere
parada
aplicaciones
Las turbinas de gas son ideales para aplicaciones CHP debido a su alta temperatura de escape
que puede usarse para generar vapor de proceso en condiciones de hasta 81,6 bares (man.) y
480 ºC o usarse directamente en procesos industriales para aplicaciones de calentamiento o
secado. En algunas aplicaciones se utilizan recuperadores de calor (Heat Recovery Steam
Generator, HRSG) con y sin combustión suplementaria.
En casos de aplicaciones comerciales e institucionales, con una turbina de gas de 5 MW

aproximadamente se produce de 8 MWh de vapor (o agua caliente) con una presión de 10 a 27
bar, en un HRSG sin combustión suplementaria, el calor se puede utilizar en invierno para
calefacción y en verano para enfriamiento utilizando la absorción.
El combustible suele ser gas natural, aunque puede emplearse gas LP o diesel. Su capacidad esta
en el rango de 265 kW a 50,000 kW; permiten obtener eficiencias eléctricas del 30% y eficiencias
térmicas del 55%; los gases de combustión tienen una temperatura de 430 a 480 ºC para
pequeñas turbinas y hasta 600 ºC para grandes turbinas y turbinas aeroderivadas, ofrecen una
alta seguridad de operación; tienen un bajo coste de inversión, con un tiempo de arranque corto
(5-10 minutos), y requieren un mínimo de espacio físico.
La mayoría de las TG están disponibles para utilizar gas natural, existen cámaras de combustión,
capaces de manejar combustibles líquidos y sólidos. Los combustibles líquidos requieren su
propia bomba, control de flujo, toberas y sistemas de mezclado.
Muchas turbinas tienen la capacidad de quemar gas o líquido, conocidas como TG duales.
También pueden utilizar gas de síntesis, gas de relleno y combustóleo.
analisis de fallas y posibles soluciones

La mayor parte de los fallos en motores de gas tienen cuatro orígenes principales, y estos son:
Los fallos de diseño.
La competencia comercial entre fabricantes, que lleva a que éstos garanticen prestaciones que
no se corresponden con el desarrollo de la técnica.
Las duras condiciones de uso de algunos equipos, obligados a producir al 100% de si capacidad
(en muchos casos, realmente por encima de ese 100% real).
Y las negligencias graves de operación.
Factores que influyen en la vida útil de las partes críticas de las turbinas de gas
Ciclos de arranque: el arranque es uno de los momentos más críticos donde todo debe estar
funcionando perfectamente, ya que si hay algo mal puede acarrear problemas como por
ejemplo un desequilibrado que provoque un exceso de vibraciones, en caso de arranques y
paradas cada poco tiempo. Es decir, la realización de forma continuada de muchos arranques y
paradas en un corto espacio de tiempo son negativas para mantener un correcto
funcionamiento en la turbina de gas y además acortará su vida útil. La fatiga mecánica por
temperatura será un limitador de vida importante, ya que los materiales se resentirán al
enfriarse y calentarse mucho cada poco tiempo.
Temperatura de llama: una alta temperatura de llama degradará más rápidamente el

recubrimiento cerámico y los metales.
Funcionamiento correcto del sistema de admisión y filtración de aire: se debe tener especial
cuidado con los sistemas de admisión y filtración de aire. Deben estar en un estado adecuado y
funcionar bien, ya que su deterioro con el paso del tiempo y con la exposición a los elementos
atmosféricos provoca ensuciamientos bruscos y averías en el comprensor, y en otras partes de la
turbina de gas.
Vibraciones en las turbinas de gas
Además de los problemas anteriormente mencionados, en este tipo de equipos, debido a su

elevada velocidad de rotación, cualquier desalineamiento o anomalía mecánica se traduce en un
aumento del nivel de vibración.
Éste es el motivo por el que se utilizan sistemas de control de vibraciones en continuo, para la
turbina de gas, y en los casos en que ésta funcione como turbogenerador de electricidad a gas;
también se deben controlar el reductor y el generador.
La vibración es uno de los problemas más habituales en turbinas de gas, puesto que la mayoría
de los problemas de la turbina se refleja en el espectro de vibración de la turbina.
Las grandes turbinas suelen ir equipadas con un complejo sistema tanto de medición de
amplitud como de medición de espectro, para poder determinar con rapidez y claridad la causa
que origina la vibración.
Sin embargo, se debe explicar que por sí sola la vibración en una turbina de gas no es una avería,
sino un síntoma de un problema que existe en la turbina y que puede derivar en graves
consecuencias.
Vibraciones en el reductor
El reductor no es más que un conjunto de engranajes de diferentes diámetros y número de

dientes cuya función es reducir y/o adaptar el número de revoluciones por minuto de la turbina
de gas (ya sea del generador de gases o de una turbina libre o de potencia) y el alternador, u
otros elementos como por ejemplo una hélice en un turbohélice).
Esto es así porque la velocidad de rotación del eje de potencia suele ser muy superior a la
necesaria para el accionamiento de un alternador o de un compresor y suele necesitarse una
caja reductora para reducir el número de revoluciones.
Por tanto, cualquiera de las causas que provocan vibración en una máquina rotativa puede
provocar la vibración del reductor, que puede transmitirse a la turbina y provocar la parada de
ésta.
Vibraciones en el alternador
El alternador o generador es el elemento que consume la energía mecánica aportada por la

turbina y el que genera la corriente eléctrica.
El alternador es una máquina muy sencilla, y por tanto, el número de problemas que suele dar
es también pequeño.
Sin embargo suele producirse un nivel considerable de vibraciones debido a diversos motivos.
soluciones
Inspecciones y revisiones boroscópicas: inspección visual de partes internas con el boroscopio,
sin tener que desmontar la turbina de gas.
Análisis de aceites y lubricantes (espectrometrías del aceite): consiste en analizar el aceite para
ver el contenido en metales y así comprobar si se está produciendo desgaste en las zonas
lubricadas de la turbina Degas.
Análisis de vibraciones: para comprobar que todo está con un nivel de vibraciones adecuado a
un funcionamiento normal; y en caso contrario ver dónde está el desequilibrio y el fallo que lo
produce.
Análisis de gases de escape.
Medidas de temperatura, presión, caudal de gases, etc.
Termografías.
Análisis de ultrasonidos.
Pruebas con líquidos penetrantes y radiografías, para detectar posibles grietas.
Inspecciones generales de todos los sistemas y del exterior de la turbina para buscar posibles
daños estructurales.
Revisión de los parámetros de funcionamiento de la turbina, y compararlos con el histórico para

comprobar la condición actual respecto a la referencia.
Si en las revisiones se encuentra algún defecto admisible o alguna degradación, se deberá

adelantar la siguiente revisión para comprobar si ha empeorado o se mantiene constante.
En caso de que el fallo o avería sea peligroso para el funcionamiento de la turbina de gas o de la
central, se deberá parar, para actuar sobre ella y solucionarlo reparando todo lo que sea
necesario.
De paso se revisarán todas las piezas que están alrededor o conectadas con la pieza o parte
dañada para ver si el fallo se ha podido extender o si el fallo detectado es consecuencia de otro
teoria sobre el analis de las vibraciones

El interés de de las Vibraciones Mecánicas llega al Mantenimiento Industrial de la mano del
Mantenimiento Preventivo y Predictivo, con el interés de alerta que significa un elemento
vibrante en una Maquina, y la necesaria prevención de las fallas que traen las vibraciones a
medio plazo.
Registro de vibraciones en un ciclo de trabajo de la pala
El interés principal para el mantenimiento deberá ser la identificación de las amplitudes

predominantes de las vibraciones detectadas en el elemento o máquina, la determinación de las
causas de la vibración, y la corrección del problema que ellas representan. Las consecuencias de
las vibraciones mecánicas son el aumento de los esfuerzos y las tensiones, pérdidas de energía,
desgaste de materiales, y las más temidas: daños por fatiga de los materiales, además de ruidos
molestos en el ambiente laboral, etc.
Parámetros de las vibraciones.
Frecuencia: Es el tiempo necesario para completar un ciclo vibratorio. En los estudios de

Vibración se usan los CPM (ciclos por segundo) o HZ (hercios).
Desplazamiento: Es la distancia total que describe el elemento vibrante, desde un extremo al

otro de su movimiento.
Velocidad y Aceleración: Como valor relacional de los anteriores.
Dirección: Las vibraciones pueden producirse en 3 direcciones lineales y 3 rotacionales
Tipos de vibraciones.
Vibración libre: causada por un sistema vibra debido a una excitación instantánea.
Vibración forzada: causada por un sistema vibra debida a una excitación constante las causas de
las vibraciones mecánicas
A continuación detallamos las razones más habituales por las que una máquina o elemento de la
misma puede llegar a vibrar.
Vibración debida al Desequilibrado (maquinaria rotativa).
Vibración debida a la Falta de Alineamiento (maquinaria rotativa)
Vibración debida a la Excentricidad (maquinaria rotativa).
Vibración debida a la Falla de Rodamientos y cojinetes.
Vibración debida a problemas de engranajes y correas de Transmisión (holguras, falta de

lubricación, roces, etc.)
analisis termodinamico del ciclo de brayton simple en la turbina a gas

El ciclo Brayton describe el comportamiento ideal de un motor de turbina de gas, como los
utilizados en las aeronaves. Las etapas del proceso son las siguientes:
Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
Compresor
El aire es comprimido y dirigido hacia la cámara de combustión mediante un compresor (movido
por la turbina). Puesto que esta fase es muy rápida, se modela mediante una compresión
adiabática A→B.
En la cámara, el aire es calentado por la combustión del queroseno. Puesto que la cámara está
abierta el aire puede expandirse, por lo que el calentamiento se modela como un proceso
isóbaro B→C.
Turbina
El aire caliente pasa por la turbina, a la cual mueve. En este paso el aire se expande y se enfría
rápidamente, lo que se describe mediante una expansión adiabática C →D.
Escape
Por último, el aire enfriado (pero a una temperatura mayor que la inicial) sale al exterior.
Técnicamente, este es un ciclo abierto ya que el aire que escapa no es el mismo que entra por la
boca de la turbina, pero dado que sí entra en la misma cantidad y a la misma presión, se hace la
aproximación de suponer una recirculación. En este modelo el aire de salida simplemente cede
calor al ambiente y vuelve a entrar por la boca ya frío. En el diagrama PV esto corresponde a un
enfriamiento a presión constante D→A.
Existen de hecho motores de turbina de gas en los que el fluido efectivamente recircula y solo el
calor es cedido al ambiente. Para estos motores, el modelo del ciclo de Brayton ideal es más
aproximado que para los de ciclo abierto.
3.3 Rendimiento termico
El rendimiento (o eficiencia) de una máquina térmica se define, en general como “lo que
sacamos dividido por lo que nos cuesta”. En este caso, lo que sacamos es el trabajo neto útil, | W
| . Lo que nos cuesta es el calor Qc, que introducimos en la combustión. No podemos restarle el
calor | Qf | ya que ese calor se cede al ambiente y no es reutilizado (lo que violaría el enunciado
de Kelvin-Planck). Por tanto
Sustituyendo el trabajo como diferencia de calores
Esta es la expresión general del rendimiento de una máquina térmica.
Mantenimiento
El mantenimiento de la TG consiste principalmente en rutinas de lavado del compresor
mensualmente, o cuando el fabricante lo especifique, el lavado remueve depósitos en los álabes,
mantenimiento de los rodamientos y el mantenimiento mayor debe hacerse cada 9.000 o 10.000
horas de operación, el remplazo de los álabes para turbina de gas que operan con gas natural se
hace cada 25.000 horas de operación y de 20.000 horas aproximadamente para combustibles
líquidos.
relacion optica de presion
El principio de operación en una turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al
compresor donde se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el
combustible y ocurre la combustión.
Los gases calientes se expanden hasta presión atmosférica y producen trabajo en la turbina.
El compresor opera con una parte de la energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un
65%), y la energía restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina.
Un generador eléctrico se conecta al eje de la turbina y produce electricidad. El calor de los

gases de combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG.
La combustión se lleva a cabo con un alto exceso de aire, por lo que los gases de escape a la
salida de la cámara de combustión, con una alta temperatura, poseen altas concentraciones de
oxígeno (hasta un 16%).
ciclos basicos y rendimiento real

Se denomina ciclo termodinámico a
cualquier serie de procesos termodinámicos tales que, al transcurso de todos ellos, el sistema
regresa a su estado inicial; es decir, que la variación de las magnitudes termodinámicas propias
del sistema se anula.
No obstante, a las variables como el calor o el trabajo no es aplicable lo anteriormente dicho ya

que éstas no son funciones de estado del sistema, sino transferencias de energía entre éste y su
entorno. Un hecho característico de los ciclos termodinámicos es que la primera ley de la
termodinámica dicta que: la suma de calor y trabajo recibidos por el sistema debe ser igual a la
suma de calor y trabajo realizados por el sistema.
El ciclo Brayton,
también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su
forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento
isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es uno de los
ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina de gas, por
lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para la
producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento –
caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos,
respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
rendimiento real
efectocto de la variable temperatura y eficiencia:

temperatura
Efectos de la Temperatura Ambiente.
El “Standard Day”, se refiere a unas condiciones especiales de prueba de las turbinas y que se
usa en la Marina de los Estados Unidos. Estas condiciones son a nivel del mar:
Presión barométrica de 29.92 mmHg.
Humedad (presión del vapor de agua) 0.00 Hg.
Temperatura 59 ºF.
La operación de turbinas por debajo de los 59ºF afecta a la potencia de salida en más de un 15%
o 20%. La potencia de la Turbina de Gas está afectada por variables de entrada y de salida. El
volumen del aire es directamente afectado por la temperatura. Si la temperatura disminuye el
volumen disminuye y su densidad aumenta. Consecuentemente, el peso de la masa de aire
aumenta, causando que la turbina opere más eficientemente. Esto ocurre porque se necesita
menos energía para alcanzar la misma presión en las cámaras de combustión. Esto también
produce menores temperaturas en dichas cámaras. El resultado es una vida más larga de la
turbina.
Por ejemplo, una turbina trabajando al 100% recibe el aire a una temperatura de 70ºF. Si ha
aumentamos la temperatura a 120ºF, el volumen de aire requerido se incrementará. El peso de
la masa disminuirá porque disminuyó la densidad. Puesto que la cantidad de combustible
añadido está limitado por la temperatura de entrada que la turbina puede soportar, el peso de la
masa de flujo no puede ser alcanzado, el resultado es una pérdida de potencia neta disponible.
La planta entonces solo produce entre un 90% y un 95% de su potencia nominal.
eficiencia
Dado que la turbina de gas es un motor que respira aire del ambiente, su desempeño cambia
con cualquier cosa que afecte el flujo de masa de aire de admisión al compresor, y con mayor
razón los cambios en las condiciones de referencia de la Internacional Standards Organization
(ISO) de 15ºC (59ºF), 60% de humedad relativa y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el
desempeño de las turbinas de gas varía significativamente con las condiciones locales, y la
temperatura ambiente es un factor determinante (1).
Si se disminuye la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de gas se

incrementan, debido a que esta disminución induce un aumento en la densidad del aire en la
succión del compresor y, para una velocidad constante del mismo, esto se traduce en un
incremento en el flujo másico.
La presión atmosférica tiene, igualmente, un efecto importante sobre la capacidad de las

turbinas de gas, aunque no sobre su eficiencia. Cuando la presión atmosférica disminuye, la
densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa hacia la turbina y, por tanto, su
capacidad. De igual modo, el aire húmedo, al ser más denso que el aire seco, también afecta la
producción de potencia.
El tipo de combustible también influye en el rendimiento. Es así como el gas produce alrededor
del 2 % más de salida de potencia que los destilados del petróleo.
La figura 1 presenta los resultados obtenidos de una prueba realizada a una unidad en ciclo
combinado compuesto por una turbina de gas de 100 MW y una turbina de vapor de 50 MW,
ubicado en Barranquilla, durante dos días (no consecutivos) que estuvo operando con carga base
las 24 horas. En esta prueba se observó que por cada grado Fahrenheit de incremento en la
temperatura del aire a la entrada del compresor, la potencia final de la turbina de combustión
cayó en promedio 0.54 MW el primer día y 0.41 MW el segundo. En la misma figura se observa
también una disminución casi lineal en la potencia de salida con respecto al incremento en la
temperatura ambiente.
Esta unidad posee un enfriador evaporativo, por lo que las temperaturas señaladas en la figura 1
no corresponden a la temperatura ambiente de Barranquilla sino a la de bulbo seco, modificada
por el enfriador, inmediatamente antes de la primera rueda de álabes del compresor.
ciclo brayton regenerativo

Ciclo Brayton
1. CICLO TERMODINAMICO 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 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:
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.
ciclo cerrado
combustion y combustible
Combustión en turbinas de gas
La utilización de turbinas de gas para generación de energía ha ido adquiriendo una importancia
creciente, y puede decirse que se trata de una tecnología relativamente bien establecida,
incluyendo las configuraciones con muy bajas emisiones contaminantes. Sin embargo, existen
algunos aspectos que están motivando un notable esfuerzo científico y tecnológico. Entre ellos
se cuentan el problema de inestabilidades y pulsaciones o la utilización de nuevos combustibles.
El LCI está desarrollando una línea de investigación centrada en el desarrollo de nuevos métodos
de diagnóstico y control, orientados a la detección/prevención de inestabilidades, con aplicación
específica a la utilización de combustibles alternativos. Entre estos se incluyen diversos tipos de
derivados de biomasa, subproductos de procesos o combustibles enriquecidos en hidrógeno.
Esta gama de combustibles se simula mediante gases sintéticos de hasta cuatro componentes
(CH4, CO, H2, CO2), que pueden prepararse en línea en proporciones en un amplio rango de
composiciones mediante una instalación de mezclado y regulación automática.
El problema de inestabilidades termo-acústicas se está estudiando desde tanto desde el punto

de vista experimental, como mediante el desarrollo de modelos predictivos que describen el
comportamiento acústico del conjunto inyección-combustor y su acoplamiento con el proceso
de combustión. Además de intentar avanzar en la comprensión de estos fenómenos, el objetivo
final es desarrollar herramientas útiles para la descripción, prevención y corrección de
inestabilidades, que constituye un problema de primera magnitud en el diseño y operación de
grandes turbinas de gas.
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 en caso de combustibles gaseosos, y superior en caso de
combustibles líquidos.
combustible
proceso de operacion
Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como
son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.
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. Para disminuir
la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en
etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la
entrada más fría del aire en la cámara de combustión.
El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades.
Turbinas monoeje: 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 máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo
tanto producimos menos potencia. En este caso las primeras etapas diseñan con geometría
variable, dejando pasar más o menos aire según su posición relativa, y por lo tanto consumiendo
menos potencia.
Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del
generador, la velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada
de aire para cada momento.
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.
Están diseñadas mediante una doble cámara:
Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el

comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3
fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama
piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión
completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el
resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y
equipos posteriores.
Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo
circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez
distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.
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.
Carcasa:
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.
es un ciclo termodinámico
consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de
calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. Es
uno de los ciclos termodinámicos de más amplia aplicación, al ser la base del motor de turbina
de gas, por lo que el producto del ciclo puede ir desde un trabajo mecánico que se emplee para
la producción de electricidad en los quemadores de gas natural o algún otro aprovechamiento –
caso de las industrias de generación eléctrica y de algunos motores terrestres o marinos,
respectivamente–, hasta la generación de un empuje en un aerorreactor.
El ciclo de Rankine
EL CICLO RANKINE
El ciclo Rankine es el ciclo ideal para las plantas de potencia de vapor. El ciclo ideal Rankine,
Figura 2.28, no incluye ninguna irreversibilidad interna y está compuesto por los siguientes
cuatro procesos reversibles:
1-2 Compresión isoentrópica en una bomba.
2-3 Adición de calor apresión constante en una caldera.
3-4 Expansión isoentrópica en una turbina.
4-5 Rechazo de calor a presión constante en un condensador.

importancia
El vapor es el fluido de trabajo más empleado en los ciclos de potencia de vapor gracias a sus
numerosas ventajas, como bajo costo, disponibilidad y alta entalpía de vaporización. Otros
fluidos de trabajo incluyen al sodio, el potasio y el mercurio en aplicaciones de alta temperatura.
El objetivo principal de una planta de potencia de vapor es producir energía eléctrica.
El ciclo de Carnot no es un modelo adecuado para los ciclos de potencia de vapor porque no
se puede alcanzar en la práctica. El ciclo modelo para los ciclos de potencia de vapor es el ciclo
Rankine.
remdimiento termico
su eficiencia está acotada por la eficiencia termodinámica de un ciclo de Carnot que operase
entre los mismos focos térmicos (límite máximo que impone el Segundo Principio de la
Termodinámica). Debe su nombre a su desarrollador, el ingeniero y físico escocés William John
Macquorn Rankine
CICLO IDEAL RANKINE CON REGENERACION

Otra manera de aumentar la eficiencia térmica del ciclo Rankine es por medio de la
regeneración. Durante un proceso de este tipo, el agua líquida (agua de alimentación ) que sale
de la bomba se calienta mediante algo de vapor extraído de la turbina a cierta presión
intermedia en dispositivos denominados calentadores de agua de alimentación. Figura 2.31. Las
dos corrientes se mezclan en calentadores de agua de alimentación abiertos, y la mezcla sale
como un líquido saturado a la presión del calentador. En calentadores de agua de alimentación
cerrados, el calor se transfiere del vapor al agua de alimentación sin mezcla. Por tanto, un
calentador de agua de alimentación abierto es, en esencia, una cámara de mezcla, y un
calentador de agua de alimentación cerrado es un intercambiador de calor. Figura 2.32
Fig. 2.30 El ciclo ideal Rankine con recalentamiento.
Fig. 2.31. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación abierto.
Fig. 2.32. El ciclo ideal Rankine regenerativo con un calentador de agua de alimentación cerrado.
expacion real
objetivo la conversión de calor en trabajo, constituyendo lo que se denomina un ciclo de
potencia. Como cualquier otro ciclo de potencia
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene
lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora
y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como
en los ciclos Rankine orgánicos).
Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la
presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la
misma.
rendimiento interno
El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene
lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora
y condensa, típicamente agua (existen otros tipos de sustancias que pueden ser utilizados, como
en los ciclos Rankine orgánicos). Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es
producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande
para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador
eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que
sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al
estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración
procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de
aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la
caldera, cerrando de esta manera el ciclo.
Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo
sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de
turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares),
en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un
sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de
almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas. El resto del ciclo, así como de los
equipos que lo implementan, serían los mismos que se utilizan en una central térmica de vapor
convencional

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Fig. 3.1 Turbina de gas que opera en un ciclo abierto.

El ciclo Brayton está integrado por cuatro procesos internamente reversibles:

1-2 Compresión isoentrópica en un compresor.

2-3 Adición de calor a P=constante.

3-4 Expansión isoentrópica en una turbina.

4-1 Rechazo de calor a P=constante.

Los procesos de 1-2 y 3-4 son isoentrópicos y P2 = P3 y P4 = P5. Por tanto:

T2/T1=(P2/P1)"(K-1)L K=(P3-P4)"(K-1)LK=T3/T4 3.1

Para el proceso de calentamiento de 2 a 3

Para el proceso de enfriamiento de 4 a 1

En el compresor se tiene la expresión

Para la turbina, la primera ley queda expresada como

La eficiencia térmica del ciclo Brayton ideal se escribe como

NT, BRAYTON=W NETO/qh=qh-ql/qh=1-ql/qh=1-h4-h1/h3-h2=1-cp(t4-t1) /cp(t3-t2)

nt,brayton=1-t1/t2(t4/t1-1) /(t3/t2-1)=1-1/k-1/k/rp donde rp=p2/p1 3.6

variacion del ciclo y su eficiencia

Aplicando la notación de la Figura 3.4 en la que el subíndice r representa la condición a la salida

Fig. 3.4 Proceso real e isoentrópico para una turbina.

se expresa la ecuación de la eficiencia como:

suponiendo calor específico constante

nt=cp(t1-t2r) / cp(t1-t2i) donde t2r/t1=(p2/p1)"k-1/k 3.9

Si se conoce la eficiencia de la turbina, se puede hallar el valor de la temperatura real a la salida

Para el compresor, se define la eficiencia adiabática del compresor como:

Fig. 3.5. Proceso real e isoentrópico para un compresor.

Se expresa la ecuación de la eficiencia como:

suponiendo calor específico constante:

nc=cp(t2r-t1)/cp(t2r-t1) donde t2r/t1=(p2/p1)"k-1/k 3.12

Inversamente, la potencia y la eficiencia aumentan cuando la temperatura disminuye. De

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CICLO REGENERATIVO DE LA TURBINA DE GASEL

Fig. 3.6 El ciclo Brayton con regeneración.

Fig. 3.7 Diagrama T-s de un ciclo regenerativo de turbina de gas.

nreg=hxr-h2/h4-h2=h4-hsr/h4-hs donde h4=hx y hs=h2 3.13

La eficiencia térmica de este ciclo se puede expresar como

EL CICLO OTTO CON AIRE NORMAL

Fig. 3.11. Ciclo real en motores de encendido por chispa

1-2 Compresión isoentrópica