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Las turbinas de gas han
sufrido un fuerte desarrollo desde que en 1939 se exhibiera en Suiza el primer
modelo de turbina industrial para la generación de energía eléctrica. La
aparición de las centrales termicas de ciclo combinado y la exigencia de
mayores potencias, mayores rendimientos, mayor disponibilidad y mayor
fiabilidad han hecho de la turbina de gas uno de los equipos en los que se
centra una buena parte de la investigación para generación de energía a partir
de combustibles fósiles.
Además, la posibilidad de
hibridación con energías renovables (solar térmica) y nuevos ciclos basados en
el Hidrógeno o el Helio hacen pensar que el desarrollo de las turbinas de gas
continuará a un ritmo creciente los próximos años
Listado de artículos que
incluye esta sección:
1. Introducción.
2. Principio de funcionamiento.
3. Historia y
evolución de la turbina de gas.
4. Partes
principales de la turbina de gas.
1. Introducción
Las turbinas de gas son turbomáquinas que, de un modo
general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya franja de
operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las microturbinas) hasta 500
MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores
alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con la instalaciones de
vapor de pequeña y media potencia.
Figura 1: Situación de las
turbinas en el conjunto de máquinas.
Sus principales ventajas son su pequeño peso y
volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace
que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las
referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y
aviones, esté en claro aumento. Al ser máquinas rotativas presentan una clara
ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos
alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan
entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y
menores consumos de aceite lubricante, que además no están en contacto con
superficies calientes ni con productos de combustión.
Comparadas con las turbinas de vapor, las
turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeración, lo que facilita
enormemente su instalación. Además, su baja inercia térmica les permite
alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para
determinadas aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rápidas
(regulación de red o abastecimiento de picos de demanda).
Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con motores alternativos
otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales: un mantenimiento
sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada fiabilidad. En
efecto, la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración, la
continuidad del proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos
hace que la probabilidad de fallo disminuya. Una instalación de generación
eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de
disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la
instalación está bien diseñada, bien construida, bien operada y con un adecuado
nivel de mantenimiento.
No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que
hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento
(30-35%) comparado con los motores alternativos diesel (algunos desarrollos ya
alcanzan el 50% de rendimiento) o con las turbinas de vapor (valores del 40%
son muy normales).
Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto
formado por los siguientes elementos:
- Compresor,
responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo.
- Sistema
de aporte de calor al fluido.
- Elemento
expansor, o turbina propiamente dicha.
Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de
aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron
para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron al campo
de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda
guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para la generación
de energía eléctrica, aplicación para la que se han desarrollado modelos
específicos que han tratado de adaptarse a las exigencias de ese mercado. La
posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor
aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más energía
eléctrica (en los denominados ciclos combinados gas-vapor) han provocado una
auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina
de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años.
2. Principio de funcionamiento
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.
Figura 2: Flujos en una turbina de gas.
El ciclo térmico que representa esta máquina es el
ciclo Brayton. La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva
continuamente el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la
atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se
mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes,
producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y
mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.
3. Historia y
evolución de la turbina de gas
Hoy en día, el diseño de turbina de gas que se ha
impuesto está basado en un compresor axial multietapa, una cámara de combustión
interna y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante
compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseño de turbina
predominante hoy en día se ha llegado después de una larga evolución
desarrollada a lo largo del sigo XX, principalmente.
La primera referencia al fenómeno en que se basa la
turbina hay que buscarla en el año 150 A.C de manos del filósofo egipcio Hero,
que ideó un pequeño juguete llamado Aeolípilo, que giraba a partir del vapor
generado en una pequeña caldera (figura 3). El juguete era una pura
elucubración mental, pues no se tiene constancia de que jamás fuera construido.
Figura 3: Aeolipilo de Hero.
En 1687 Isaac Newton anuncia sus leyes del movimiento.
Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre acción y
reacción: “para cada acción habrá una reacción de la misma fuerza e intensidad
pero de sentido opuesto”. Un ejemplo puede verse en la figura 4 Cuando las
fuerzas se equilibran, son iguales en todas las direcciones. Pero al pinchar el
globo o soltar la boquilla ocurre una acción que desequilibra el sistema.
Figura 4: 3ª Ley de Newton.
La primera turbina de gas realmente construida fue
concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y
construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial
multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar
en la cámara de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para
este fin, y una turbina de expansión multietapa. A pesar de lo genial del
diseño, el poco éxito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como
de la turbina, por las bajas relaciones de compresión y la baja temperatura
máxima alcanzada en función de los materiales disponibles en la época.
Figura 5: Turbina diseñada por
Stolz en 1872. (A) Compresor axial multietapa; (B) Turbina de reacción
multietapa; (C) Precalentador de aire de admisión con los gases de escape.
La relación de compresión era sin duda uno de los
retos a superar para el desarrollo de las turbinas, pues mientras no se
consiguieran compresores eficaces era imposible desarrollar turbinas con
rendimientos que permitieran su desarrollo. Los primeros turbocompresores
axiales de rendimiento aceptable aparecen en 1926, A. A. Griffith establece los
principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico para el diseño de
compresores y turbinas, y es a partir de aquí cuando se emprende el desarrollo
de los compresores axiales. La teoría del perfil aerodinámico expuesta por
Griffith es sin duda un importante hito en el desarrollo de las turbinas de gas
tal y como las conocemos hoy en día, y gracias a los conocimientos
desarrollados por Griffith se consiguió desarrollar compresores y turbinas de
alto rendimiento.
Figura 6: Cortesía de ASEA Brown Boveri AG. La
primera turbina de gas industrial para generación eléctrica, presentada en 1939
en la Swiss
National Exhibition en 1939. Su potencia era de 4000
KW.
Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenían una finalidad
industrial, y no conseguían competir con los motores alternativos a pistón,
debido siempre a su bajo rendimiento máximo (20%). Pero sus características de
bajo peso y pequeño volumen hicieron que un poco antes del inicio de la segunda
guerra mundial comenzara el desarrollo de turbinas para uso aeronáutico.
Así, Whittle en Gran Bretaña en 1930 concibió y patentó el uso de un reactor
como medio de propulsión. Alemania, por su parte, también desarrolló en
paralelo su primer motor a reacción para aviación. En 1939 Heinkel hizo volar el
primer avión utilizando un motor a reacción de gas. No obstante, con las
mayores velocidades alcanzables aparecieron nuevos problemas aerodinámicos que
tuvieron que ir solucionándose. Hasta el final de la guerra (1944-1945) no se
consiguió que un avión propulsado consiguiera volar de forma eficiente.
Figura 7: HE 178 de
Heinkel.
Este uso masivo del motor de reacción unido a los
nuevos conocimientos de aerodinámica permitió el desarrollo de turbomáquinas
con alto rendimiento. De esta forma, a partir de los años 60 el uso del reactor
se generalizó y en la década de los 70 prácticamente toda la aviación de gran
potencia era impulsada por turbinas.
El desarrollo de la turbina de gas ha tenido históricamente, pues, tres
obstáculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo:
- La
relación de compresión del compresor y su rendimiento.
- La
resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cámara
de combustión y en las primeras etapas de la turbina.
- En
menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma manual.
El desarrollo de la turbina de gas sólo ha sido
posible tras desarrollar un compresor axial a partir de la mejora de conceptos
aerodinámicos, que han permitido altas relaciones de compresión. El segundo de
los pilares ha sido la innovación tecnológica en el campo de los materiales,
con el desarrollo de nuevas aleaciones monocristal y recubrimientos cerámicos.
Esto, unido un profundo estudio de la refrigeración interior del alabe ha
permitido alcanzar temperaturas muy altas tanto en cámara de combustión como en
las primeras ruedas de álabes.
La tercera de las claves ha sido el desarrollo de la
informática. El empleo de ordenadores ha permitido por un lado poder simular
determinadas condiciones y comportamientos, para así mejorar los diseños. Por
otro, ha permitido desarrollar sistemas de control que permiten de forma muy
sencilla para el operador arrancar, parar y vigilar los principales parámetros
de operación de la máquina minuto a minuto, y además pueden diagnosticar el
estado técnico del equipo y predecir futuros fallos.
Figura 8: Interior del compresor
de alta presión de una turbina industrial. El diseño aerodinámico de los álabes
es una de las claves de su excelente rendimiento.
En la década de los 70 se intensificó el uso de
turbinas para generación de electricidad. Así, en 1974 se construyó la primera
instalación de 50 MW. En España, la primera turbina de gas de gran tamaño (260
MW) se puso en marcha en el año 2002, arrancando la era de las centrales
térmicas de ciclo combinado que ya había comenzado hacía tiempo en otros
países.
4. Partes principales
de la turbina de gas.
Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisión de aire,
el compresor, la cámara de combustión, la turbina de expansión y el rotor. A
continuación se detallan las principales características de cada uno de estos
elementos.
Figura 9: Turbina de gas. Partes
principales.
4.1 Admisión
de aire
El sistema de admisión de aire consta de todos los
elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones
más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros
de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar
el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para
facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.
4.2
Compresor de aire
La función del compresor es elevar la presión del aire
de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en
una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida
entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume
aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina.
El control de la entrada de aire para la combustión se
realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del
compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y
por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a
carga parcial de la turbina de gas, como se verá más adelante.
Una parte del aire del compresor se utiliza para
refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente
un 50% de la masa de aire es usado para este fin.
4.3 Cámara
de combustión
En ella tiene lugar la combustión a presión constante
del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que
el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre
16 y 50 bar.
Debido a las altas
temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado
la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un
exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con
lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro
refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede
del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de
combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra
parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo
por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los
álabes
4.4 Turbina
de expansión
En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la
energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura
elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como
se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida
directamente por el compresor.
Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una
presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC. Esa alta temperatura hace que
la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento
de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en
utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de
combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de
recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor
consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al
55% (el rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).
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