Clase 4 2 Aspectos Generales de las Máquinas

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TURBOMÁQUINAS TÉRMICASTURBOMÁQUINAS TÉRMICAS
CT-3412
4. Aspectos Generales de las Máquinas. 2
Prof. Nathaly Moreno Salas
Ing. Víctor Trejo
Turbinas a gas
Turbina a gas Pratt and Whitney Ft78 derivada de la turbina de avión comercial JT8D
Turbinas a gas: Definición
� El término turbina a 
gas se refiere al 
conjunto compresor-
cámara de combustión-cámara de combustión-
turbina
Funcionan en un ciclo abierto. Se toma aire y se comprime
aire, se aumenta su nivel energético mediante quema de
combustible, se expande en la turbina y se libera
nuevamente. El compresor consume parte de la potencia
producida en la turbina; la restante es la potencia útil
Esquema de una turbina a vapor
Turbinas a gas: Características
� Son compactas (producen una gran cantidad de energía para 
su tamaño y peso)
� Variedad de combustibles utilizables: gas natural, diesel, 
gasolina, metano, fueloil vaporizado, biogás…
� Son recientes: implementadas con éxito en 1938, desarrollo � Son recientes: implementadas con éxito en 1938, desarrollo 
acelerado a partir de 1970
Microturbina a gas Esquema de generación con biomasa
Puesta en 
marcha 
de la 
primera 
turbina a 
gas 
(1939)
Fuente: Gas turbine Engineering handbook – Boyce M.
Desarrollo de las turbinas a gas
� Fueron concebidas en 1791 (patente de John Barber) y 
puestas en marcha exitosamente en 1939
� Primeros intentos fallaron por no producir potencia útil
� Problemas en el desarrollo:
� Bajas eficiencias de compresor y turbina (álabes poco eficientes)� Bajas eficiencias de compresor y turbina (álabes poco eficientes)
� Pérdidas significativas en sellos y rodamientos
� Operación posible sólo a bajas temperaturas (gran cantidad de aire 
para refrigeración necesaria)
Fuentes: Gas turbine Engineering handbook – Boyce M.
http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html (página del MIT Gas Turbine Laboratory)
Whittle W-1 (1941)
Rolls Royce
Trent 600,
primera turbina
de la serie Trent
(aviación, Airbus,
Boeing)
Parámetros de influencia
� Los parámetros más importantes en la eficiencia, diseño y 
desarrollo de las turbinas a gas son:
� La temperatura máxima de entrada a la turbina (T3)
� El límite lo establece la resistencia del material de los álabes. Para 
aumentarlo se trabaja en el desarrollo de materiales y en el aumentarlo se trabaja en el desarrollo de materiales y en el 
enfriamiento de los álabes
� La relación de compresión (Π)
� Para una temperatura T3 dada se obtienen mayor potencia para 
relaciones de compresión más altas
� La eficiencia de los componentes
� Determina cuánta potencia útil se produce
Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Enfriamiento de álabes (1/2)
� El gas caliente puede salir de 
la cámara de combustión con 
una temperatura cercana a 
2000°C. La temperatura de 
fundición de los álabes está fundición de los álabes está 
alrededor de los 1350°C. 
Para poder trabajar a estas 
altas temperaturas se 
necesita tomar aire “frío” 
(600°C) después del 
compresor y usarlo para 
enfriar los álabes
Enfriamiento de álabes (2/2)
� Los mecanismos existentes para refrigeración de 
álabes son:
Potencia útil en una turbina a gas
� Sea re la relación entre la potencia útil y la 
potencia producida por la turbina:
turbina
útil
e P
P
r
&
&
=
� Los compresores de las turbinas a gas demandan 
una cantidad de energía importante:
turbinaP&
Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Turbina a gas: ámbito de aplicación
� Las turbinas a gas tienen dos principales 
aplicaciones:
Aplicaciones IndustrialesPropulsión de aviones
Aplicaciones: Propulsión de aviones
� Las turbinas a gas han desplazado casi por
completo a los motores reciprocantes en la
propulsión de aviones gracias a su alta relación
potencia/peso.
El ciclo es modificado para que 
la turbina genere apenas un 
poco más de lo que necesita el 
compresor. Luego los gases 
calientes son expandidos hasta 
presión atmosférica en una 
tobera para producir empuje 
con un chorro de alta velocidad
Fuente: Gas turbine theory – Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.
Aplicaciones: Aplicaciones industriales
� Las turbinas en aplicaciones industriales tienen 3 grandes 
diferencias con las empleadas en propulsión:
� Vida útil esperada mucho mayor (>100.000 horas)
� Limitaciones de tamaño y peso menos restrictivas
� La energía cinética a la salida no puede ser aprovechada
� Estos factores implican diferencias importantes en el diseño, 
pero la teoría fundamental aplica a ambos tipos.
Turbina industrial gas de 400 MW
Fuente: Gas turbine theory – Cohen H., Rogers G. Saravanamuttoo H., Saravanamuttoo H.
Aplicaciones: Turbinas a gas aeroderivadas
� Una turbina a gas aeroderivada es una turbina 
originalmente diseñada para propulsión de aviones y 
adaptada para uso industrial:
� Al generador de gases (conjunto compresor-cámara de 
combusión-turbina) se le agrega una turbina de potencia 
para aprovechar la energía originalmente usada para 
impulso,
Fuentes: Marks’ standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A.
Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Aplicaciones: Microturbinas a gas
� Son turbinas a gas con capacidades menores a 500kW
� Sus aplicaciones más comunes son la generación distribuida y 
sistemas de emergencia (Auxiliary Power Unit APU). y suelen 
ser económicamente atractivas sólo cuando se puede usar el 
calor generado (cogeneración)calor generado (cogeneración)
� Tienen bajas eficiencias (en general, a mayor capacidad, 
mayor eficiencia)
Fuente: Marks’ standard handbook for mechanical engineers - Avallone E., Baumeister T., Sadegh A.
Unidad de cogeneración 
para la quema de 
biogás en microturbinas
a gas. Provee 
electricidad y calor
Eficiencias y capacidades de algunas turbinas a gas
Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart
Límites de temperatura y presión
En la tabla se muestran los niveles de presión
y temperatura máximos para microturbinas,
turbinas industriales y turbinas de propulsión.
Como meta próxima en el desarrollo de las
turbinas industriales se tiene el aumento de T3
a alrededor de 1250 °C, lo que permitiría
Tipo Micro Industria Propulsión
Presión (bar) 4-5 15-20 25-38
Máxima temperatura T3 
(°C)
925 1200 1400
Temperatura de salida T4 
(°C)
550 600 440
Eficiencia [%] 20-25 (con regeneración) 32-38 38-42
Potencia 30-100kW 5-260MW 5-50MW
a alrededor de 1250 °C, lo que permitiría
elevar la eficiencia a alrededor de 40%
Sistemas de refrigeración de álabes por
convección forzada
Fuentes: Presentaciones de la asignatura Turbinas a vapor y a gas de la universidad de Stuttgart