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Termodinámica Técnica

TURBINAS A GAS

Una turbina de gas, también llamada turbina de combustión, es una turbo-máquina que extrae energía de un flujo de gases de combustión. Tiene un compresor acoplado a una turbina y una cámara de combustión entre ambos dispositivos. Las turbinas de gas se utilizan en diversas aplicaciones: producción de electricidad, buques, locomotoras, helicópteros y en tanques. El uso de turbinas de gas en tanques militares ha tenido mucho éxito. Varias clases de locomotoras han sido impulsadas por turbinas de gas.

Las turbinas de gas se describen  termodinámicamente por el ciclo de Brayton. El ciclo de Brayton es un proceso cíclico generalmente asociado con la turbina de gas. Como otros ciclos de potencia de combustión interna es un sistema abierto, aunque para el análisis termodinámico es una suposición conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en la aspiración, lo que posibilita el análisis como un sistema cerrado. Fue nombrado por George Brayton, y es también conocido como ciclo de Joule

Un motor de tipo Brayton consta de tres componentes: un compresor de gas, una cámara de mezcla, un expansor. El termino ciclo Brayton ha sido aplicado posteriormente al motor de turbina de gas. Este también tiene tres componentes: un compresor de gas, un quemador (o cámara de combustión), una turbina de expansión. El Aire ambiente es introducido en el compresor, donde es presurizado, en un proceso teóricamente isentrópico. El aire comprimido a continuación, se conduce a través de una cámara de combustión, donde se quema combustible, calentando este aire, en un proceso  presión constante, ya que la cámara está abierta a la entrada y salida de flujo. El aire caliente, presurizado, a continuación, cede su energía, al expandirse a través de una turbina (o una serie de turbinas), otro proceso teóricamente isentrópico. Parte del  trabajo extraído por la turbina se utiliza para impulsar el compresor

En este capítulo nos ocuparemos de estudiar los procesos termodinámicos implicados en las turbinas de gas desde un punto de vista esencialmente teórico-
 

A gas turbine, also called a combustion turbine, is a rotary engine that extracts energy from a flow of combustion gas. It has an upstream compressor coupled to a downstream turbine, and a combustion chamber in-between. Gas turbines are used on several purposes: electrical generation, ships, locomotives, helicopters, and in tanks. Use of gas turbines in military tanks has been more successful. Several locomotive classes have been powered by gas turbines.

Gas turbines are described thermodynamically by the Brayton cycle. The Brayton cycle is a cyclic process generally associated with the gas turbine. Like other internal combustion power cycles it is an open system, though for thermodynamic analysis it is a convenient fiction to assume that the exhaust gases are reused in the intake, enabling analysis as a closed system. It named for George Brayton, and is also known as the Joule cycle.

A Brayton-type engine consists of three components: A gas compressor, A mixing chamber, An expander. The term Brayton cycle has more recently been given to the gas turbine engine. This also has three components: A gas compressor, A burner (or combustion chamber), An expansion turbine Ambient air is drawn into the compressor, where it is pressurized, a theoretically isentropic process. The air compressed then runs through a combustion chamber, where fuel is burned, heating that air, a constant-pressure process, since the chamber is open to flow in and out. The heated, pressurized air then gives up its energy, expanding through a turbine (or series of turbines), another theoretically isentropic process. Some of the work extracted by the turbine is used to drive the compressor.

In this chapter we will look into studying the processes involved in gas turbines from a theoretical view point
 

Generalidades

La turbina de gas es un dispositivo diseñado para extraer energía química de un fluido que fluye a su través y transformarla en energía mecánica.

 

Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica.

 

brayton1.jpg

Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto, como muestra la figura 1. Aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire a alta presión va a la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante.  Luego los gases resultantes a alta temperatura entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), por ello el ciclo se clasifica como un ciclo abierto. Este ciclo de turbina de gas abierto puede modelarse como un ciclo cerrado, del modo que se muestra en la figura 2, mediante las suposiciones de aire estándar.

 

En este caso los procesos de compresión y expansión permanecen iguales, pero el proceso de combustión se sustituye por un proceso de adición de calor a presión constante de una fuente externa, y el proceso de escape se reemplaza por uno de rechazo de calor a presión constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, que esta integrado por cuatro procesos internamente reversibles:

1-2 Compresión isentrópica (en un compresor).

2-3 Adición de calor a  presión constante.

3-4 Expansión isentrópica (en una turbina).

4-1 Rechazo de calor a presión constante.

 

El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado 2, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado 3. Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierto trabajo. El fluido sale de la turbina al estado 4 y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de baja temperatura, de donde sale al estado 1, listo para entrar al compresor, y el  ciclo se repite.

Compresor

El compresor comprime el aire entrante hasta cerca de 5 o 6 veces la presión atmosférica. Generalmente en turbinas grandes, se utilizan compresores axiales, en lugar de los compresores radiales o centrífugos.

Se comprime el aire pues la combustión del aire comprimido y del combustible es más eficiente que la combustión del aire sin comprimir y del combustible.

Cámara de Combustión

Es el lugar donde el combustible es quemado junto al aire presurizado del compresor. Esquemáticamente la cámara de combustión se representa como un objeto rectangular, cuando de hecho allí están generalmente pequeñas y numerosas cámaras de combustión alrededor de la superficie externa cilíndrica del cuerpo del compresor.  Las cámaras de combustión a veces se llaman las “latas”, ¡porque son realmente eso – cajas de metal huecas y vacías! El combustible se inyecta en la cámara  a alta presión y el combustor esta construido para mezclar de manera óptima el aire presurizado con el combustible para la combustión completa.

Turbina.

El único propósito de la turbina en  el motor de turbina de gas de un turborreactor, es proporcionar la energía mecánica en el eje para rotar el compresor. (La corriente de aire acelerada que propulsa el avión).

Bien, pero eso no es verdad para otros usos de la turbina de gas. En el avión  turbopropulsor” el avión es propulsado por una corriente de aire acelerada, pero esa corriente aérea es generada por un propulsor que rota - aquí la turbina debe proporcionar la energía mecánica para el compresor y el propulsor.

Ciclo Brayton -  

 

El Ciclo Brayton es un proceso cíclico  asociado generalmente a una turbina a gas. Al igual que otros ciclos de potencia de combustión interna, el ciclo Brayton es un sistema abierto, aunque para un análisis termodinámico es conveniente asumir que los gases de escape son reutilizados en el ingreso, permitiendo el análisis como sistema cerrado.

 

Un motor Brayton esta compuesto por tres componentes:

·         Un compresor

·         Un quemador (o cámara de  combustión )

·         Una turbina

brayton3.jpg

brayton4.jpg

Generalities

The gas turbine is a designed device to extract chemical energy of a fluid that flows through it and to transform it into mechanical energy.

 

The two main areas of application of the gas turbines are the propulsion of airplanes and the generation of electrical energy.

brayton2.jpg

The gas turbines usually operate in an opened cycle, as it shows figure 1. Fresh air in ambient conditions is introduced inside the compressor where its temperature and pressure increase. The air to high pressure goes to the combustion chamber where the fuel is burned to constant pressure.  Then the resulting gases to high temperature enter to the turbine, where they expand until the atmospheric pressure, of such form that produces power. The exhaust gases that leave the turbine expel towards outside (they are not recirculated), It causes that the cycle is classified like an open cycle. This cycle of open gas turbine just can be modeled like a closed cycle, of the way that is show in the figure 2, by means of the standard air suppositions.    

 

In this case the processes of compression and expansion remain equal, but the combustion process is replaced by a process of heat addition constant pressure of an outsourcing, and the escape process is replaced by one of heat reject to constant pressure towards the ambient air. The ideal cycle that the work fluid experiments in this closed cycle is the Brayton cycle, that this integrated by four internally reversible processes:

1-2 isentropic compression (in a compressor)

2-3 Heat Addition to constant pressure.

3-4 Isentropic Expansion (in a turbine).

4-1 Heat Rejection to constant pressure.

 

The fluid of work in closed cycle enters the heat exchanger of elevated temperature state 2, where energy to a process of constant pressure is added to him, until it reaches the elevated temperature of state 3. Then, the fluid enters the turbine and takes place a isentropic expansion, producing certain work. The fluid leaves the turbine to state 4 and happens to be cooled, in a process to constant pressure, the heat exchanger of low temperature, where it leaves to state 1, ready to enter the compressor, and  cycle is repeated.

 

Compresor

The air compressor compresses the incoming air to about 5 or 6 times atmospheric pressure. Generally in larger turbines, axial compressors are used, as opposed to radial or centrifugal compressors.

The air  is compressed as the combustion of compressed air and fuel is more efficient than the combustion of uncompressed air and fuel.

 

Combustion Chamber.

This is the region where the fuel is combusted with the pressurized air from the compressor. The schematic represents the combustion chamber as a rectangular object, when if fact there are generally numerous small combustion chambers around the cylindrical outer surface of the compressor body.  The combustion chambers are sometimes called 'cans', because they are really just that - hollow empty metal boxes! The fuel is injected into the chamber at high pressure and the combustor is  shaped so as to optimally mix the pressured air and fuel for complete combustion.

 

Turbine.

The only purpose of the turbine in turbo-fan gas turbine engine, it to provide the mechanical shaft energy to rotate the  compressor.  (It was the accelerated airstream that propels the aircraft)

Ok, but that's not true for other gas turbine applications. In 'turbo-prop' aircraft the aircraft is propelled by a accelerated airstream, but that airstream is generated by a rotating propeller - here the turbine must provide mechanical shaft energy for both the compressor and propeller.

Brayton Cycle

 

The Brayton cycle is a cyclic process generally associated with the gas turbine. Like other internal combustion power cycles it is an open system, though for thermodynamic analysis it is a convenient fiction to assume that the exhaust gases are reused in the intake, enabling analysis as a closed system.

A Brayton engine consists of three components: