Turbina a Gas

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Tema III
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DEPARTAMENTO DE CONVERSIÓN Y TRANSPORTE DE ENERGÍA
SISTEMAS ENERGPETICOS CT-3413
Luis R. Rojas Solórzano, Ph.D.
Profesor Titular 
Ing. Elver Pérez
Ayudante docente
Enero-Marzo 2011
Tema III Turbinas a Gas
Turbomáquina
Funciona en régimen continuo o
dinámico, basándose el intercambio de energía
en el teorema de Euler.
Térmica
El fluido de trabajo es compresible.
Motora
El fluido cede energía a la máquina,
transformando dicha energía en energía
mecánica en un eje.
De Combustión interna
La combustión se realiza internamente en el fluido.
Fuente: http://www.fe.doe.gov/images/programs/powersystems/turbine_drawing.jpg
Notas
.- Eficiencia ≈ 32-35%
.- Tmax = 1260 ºC
(2300 º F)
.- rp (ρ)-tipico < 15:1
.- rp (ρ)-max ≈ 30:1
.- Cogeneración para 
vapor, Efic. ≈ 80%
.- 30kW-250MW
.- Compactas y de rápido 
arranque (aprox. 
10min)
.- Ideales: carga pico
1. Admisión
2. Compresor
3. Combustor
4. Turbina
5. Sistema de Escape
6. Difusor de Escape
1
2 3
4
5
6
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
CICLO BRAYTON (Ciclo Joule o ciclo abierto simple no regenerativo)
1-2 Compresión adiabática reversible (Isentrópica) COMPRESOR
2-3 Combustión a presión constante (Isobárica) CÁMARA DE COMBUSTIÓN
3-4 Expansión adiabática reversible (Isentrópica) TURBINA
4-1 Cesión de calor isobárica. (Isobárica) ATMÓSFERA
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
• Ideal: no se consideran pérdidas por transmisión de calor o pérdidas de carga en los 
conductos.
• El ciclo no es estrictamente realizado por un mismo fluido.
• Ciclo Brayton vs. Rankine:
-En ambos la cesión y absorción de calor es isobárica, mientras las compresiones y
expansiones son a entropía constante.
- Ciclo Brayton es abierto, mientras que el ciclo Rankine es cerrado.
- Analogía entre aparatos empleados:
CR CB
Turbina vapor Turbina de Gas
Condensador Atmósfera
Bomba Compresor
Caldera Cámara de combustión
Tema III Turbinas a Gas
• Ideal: no se consideran pérdidas por transmisión de calor o pérdidas de carga en los 
conductos.
• El ciclo no es estrictamente realizado por un mismo fluido.
• Ciclo Brayton vs. Rankine:
-El ciclo Rankine forma un motor térmico de combustión externa. El ciclo Brayton
forma un motor térmico de combustión interna.
- En el ciclo Rankine la compresión se realiza en la fase líquida y la expansión en
la fase de vapor. En el ciclo Brayton no hay cambio de fase.
- El trabajo neto del C. Rankine es mayor (se necesita menos trabajo de compresión).
Tema III Turbinas a Gas
Rendimiento
1era Ley de la 
Termodinámica para ciclos 
Rendimiento 
Máquinas Térmicas
1era Ley de la 
Termodinámica sistemas 
abiertos estables
Calor específico absorbido
Calor específico cedido
Trabajo específico en la 
turbina
Trabajo específico en el 
compresor
Asumiendo gas ideal y Cp constante
Tema III Turbinas a Gas
Rendimiento
Expresión final del 
rendimiento
Gas ideal + Proceso 
adiabático reversible
Radio de compresión
Rendimiento
• El rendimiento de un ciclo aumenta según el radio de compresión.
• El rendimiento del ciclo ideal sólo depende del radio de compresión.
Eficiencia Térmica
T
a
lη
Eficiencia Térmica vs. Radio de Compresión
- Radio de Compresión es determinante en la eficiencia del ciclo.
Tema III Turbinas a Gas
Aire entra al compresor de una turbina a gas a 100 kPa y 25 °C. Para un radio de presión de
5 y una temperatura máxima de 850 °C, determine el back-work-ratio y la eficiencia térmica
empleando el Ciclo Brayton standard.
R.-
( )
( )
( )
( )43
12
43
12
TT
TT
TTC
TTC
w
w
bwr
po
po
turbina
comp
−
−
=
−
−
==
KTKT 1123y 298 31 ==
( )
KTT
k
k
0,472)5)(298(
p
p 2857,0
1
1
2
12 ==





=
−
VC-1 VC-2
1ra Ley VC´s
Compresión isentrópica
( )
KTT
k
k
1,709
5
1)1123(
p
p 2857,0
1
3
4
34 =




=





=
−
Expansión isentrópica
42% ó 42,0
)7091123(
)2980,472(
=
−
−
==
turbina
comp
w
w
bwr y ( )
( ) 36,9% ó 369,0511 2857,01
=−=−= −
−
k
k
T rη
Tema III Turbinas a Gas
¿Cómo mejorar la Eficiencia Térmica
del Ciclo Brayton Standard?
• Regeneración o Recuperación: aprovecha energía de gases de escape para
pre-calentar aire a la salida del compresor, antes de pasar a combustor (↑η de 30
a 40%; ↓∆Potencia: 10-15%)
• Enfriamiento del Aire de Entrada: corrige el de-rateo por alta temp.
ambiente. (Ej., si un día caliente se enfría 40-50ºF ⇒ ↑∆η: 15-20%)
• Inter-enfriamiento: se enfría entre etapas de compresión, reduciendo el trabajo
del compresor y reduciendo la temperatura máxima del ciclo. Ubicación entre
iguales radios de presión
• Recalentamiento: se emplea otro combustor y se recalienta entre etapas de
turbinado. Ubicación entre iguales radios de expansión
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf, Serie Schaum´s: Thermodynamics (McGraw-Hill)
Tema III Turbinas a Gas
http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf�
Aspectos resaltantes
.- En un ciclo Brayton la temperatura a la salida supera la del aire comprimido
(T4 > T2). Regenerador ideal: T2 = Ty ; T4 = Tx
.- Se aprovecha calor de los gases de escape para precalentar el aire que entra a la
cámara de combustión, empleando intercambiador cerrado a contraflujo
(regenerador).
s
Tema III Turbinas a Gas
Eficiencia de Regeneración
Si
y
Nota: en Ciclo Brayton Regenerado, la eficiencia disminuye con radio de presión. Para una
relación T1/T3 existe un ρ (rp) a partir del cual no se justifica regenerar.
Tema III Turbinas a Gas
Aire entra al compresor de una turbina a gas a 100 kPa y 25 °C. Para un radio de presión de
5 y una temperatura máxima de 850 °C, determine el back-work-ratio y la eficiencia térmica
empleando el Ciclo Brayton standard con Regenerador Ideal.
R.-
( )
( )
( )
( ) 42% ó 42,0
43
12
43
12 =
−
−
=
−
−
==
TT
TT
TTC
TTC
w
w
bwr
po
po
turbina
comp
42 y TTTT xy == Regenerador ideal
( )
( ) 58,0% ó 580,05
1123
29811 2857,0
1
1
2
3
1 =




−=





−=
−
k
k
T p
p
T
Tη
Tema III Turbinas a Gas
C1 C2 T1 T2
Recalentador
Regenerador
Combustor
Inter-enfriadorAire
Gases de Escape
IQ
CQ
RQ
salidaW
2 3
4 6
71
5
8
10
9
p
v
1
2
3
4 5 6
7
8
9
10
T
s
2
13
4
5
6
7
8
9
10
p=ctte
p=ctte
3
4
1
2
p
p
p
p
=
9
8
7
6
p
p
p
p
=
46
27
pp
pp
=
=
Tema III Turbinas a Gas
Aire entra al compresor de una turbina a gas a 100 kPa y 25 °C. Para un radio de presión de
5 y una temperatura máxima de 850 °C, determine la eficiencia térmica empleando el Ciclo
Brayton standard con Regenerador Ideal, Inter-enfriamiento y Recalentamiento.
R.-
( )( ) kPappp 6,223500100412 ===
Presión intermedia de compresión:
Para el proceso isentrópico ideal:
( )
( ) K
p
pTT
k
k
0,375
100
6,223298
2857,0
1
1
2
12 =




=





=
−
Temperatura máxima:
462786 ;y 1123 ppppKTT ====
tenemos:
( )
( ) K
p
pTT
k
k
3,892
500
6,2231123
2857,0
1
6
7
67 =




=





=
−
y finalmente:
( ) ( ) ( ) ( )[ ]
( ) ( )[ ] 66,6% ó 666,0
7,2307,230
0,770,777,2307,230
7856
34129876 =
+
−−+
=
−+−
−−−−−+−
=
+
−
==
TTTTC
TTTTTTTTC
qq
ww
q
w
po
po
RI
compturb
entrada
salida
Tη
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
• Punto 1. Estado del aire
atmosférico.
• Compresión del aire no es
isentrópica.
• Se mantiene la presión de
salida respecto a la compresión
ideal.
• 2-3 pérdidas de cargas entre
el compresor y la turbina.
• Expansión del aire no es
isentrópica.
• Presión de salida de la turbina mayor que la
atmosférica (pérdidas en el conducto de descarga).
• Relación de expansión menor que la relación
de compresión.
Tema III Turbinas a Gas
Pérdidas externas:
• Combustión incompleta ∼ 0,94-0,98.
• Pérdidas de calor al exterior por
radiación y conducción.
• Pérdidas mecánicas en cojinetes y
empaquetaduras ∼0,97-0,99.
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
• Fluido de trabajo: aire (gas ideal) con
calores específicos constantes.
• Se desprecia el consumo másico de
combustible frente al de aire.
• Pérdidas de carga en los conductos
despreciables.
• Rendimiento térmico de la cámara de
combustión igual a la unidad.
Trabajo específico 
útil interno
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
Considerando 
Fluido Gas Ideal
Procesos isentrópicos
Adiabáticos y reversibles
Trabajo específico 
útil interno 
(expresión final)
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
Trabajo específico 
útil interno 
(expresión final)
• El trabajo útil obtenido aumenta
con la temperatura de entrada a la
turbina.
• Radio de compresión para
trabajo útil máximo:
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
Rendimiento térmico 
del ciclo
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
Rendimiento térmico 
del ciclo
•Los valores de compresión
más interesantes se sitúan
entre el máximo trabajo útil
y el máximo rendimiento,
tendiendo hacia uno u otro
según el objetivo.
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
Rendimiento térmico 
del ciclo
•Los valores de compresión
más interesantes se sitúan
entre el máximo trabajo útil
y el máximo rendimiento,
tendiendo hacia uno u otro
según el objetivo.
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Brayton con pérdidas en compresión 
y expansión únicamente
•Las variables a controlar para mejorar el trabajo útil y el rendimiento son:
-La relación de compresión.
- El coeficiente de temperaturas (entrada a la turbina y admisión al compresor)
- Rendimientos internos del compresor y la turbina.
• ↑ρ…↑ηt ↑ ωin (hasta valores máximos)
• ρ(ωin max) ≠ ρ(ηt max)
• ↑ T a la entrada de la turbina … beneficia ηt y ωin (con límites por esfuerzos térmicos y
mecánicos ante elevadas temperaturas).
• ↓ T de admisión al compresor…aumento del rendimiento.
Tema III Turbinas a Gas
• Una turbina de gas, en general, no funciona a plena potencia, por lo que la variación
del rendimiento es un factor de gran importancia económica.
• Para adaptar una turbina de gas a una potencia dada se puede actuar:
-Sobre la temperatura de admisión de los gases en la turbina.
-Sobre el nº de rpm del compresor n, lo que implica una modificación del gasto
G y de la relación Δ de compresión, que sólo es posible cuando el receptor pueda
admitir variaciones de velocidad de gran amplitud.
• El punto de funcionamiento viene definido por la intersección de las curvas
características de cada máquina.
Tema III Turbinas a Gas
• Compresor:
*Permaneciendo invariables las condiciones en la aspiración (P1, T1)
Tema III Turbinas a Gas
• Turbina:
-Si la relación de expansión es
elevada, el fluido se comporta como
compresible, y las curvas
características de la turbina se reduce a
una recta.
- Cuando la relación de expansión
disminuye, el fluido tiende a
comportarse como si fuese
incompresible, y el gasto se hace
proporcional a la raíz cuadrada de las
presiones.
Tema III Turbinas a Gas
- Un punto de funcionamiento, conocidas las condiciones a la entrada del
compresor p1 y T1 y las colinas de rendimientos del compresor y de la turbina,
permite determinar:
Tema III Turbinas a Gas
- Los límites de funcionamiento, vienen impuestos por:
a) La zona inestable de bombeo del compresor
b) La temperatura de admisión máxima de la turbina (T3)
c) Los puntos de funcionamiento con potencia útil nula se corresponden con:
Tema III Turbinas a Gas
- Si se considera que p1 y T1 son las condiciones atmosféricas, las curvas: 
se pueden representar en un diagrama de coordenadas
Tema III Turbinas a Gas
Tipos de Compresores
.- Centrífugo. Empleados en
máquinas pequeñas con
modestas relaciones de
presión. Alta relación de
presión por etapa (Ej. rc ≈ 4),
pero ineficiente por cambio de
dirección y voluminoso
.- Axial. Empleados en
mayoría de máquinas.
Moderada relación de
compresión por etapa (Ej. rc ≈
1.2), pero eficiente y
compacto. Consume hasta 2/3
potencia producida
Compresor Centrífugo
Compresor
Compresor Axial
(Solo rotor)
Admisión Combustor Turbina Tobera
Fuente: http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Animation/turbtyp/etcs.html
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Sistema Típico de Combustión
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Sistema de Combustión
Tema III Turbinas a Gas
Criterios de Diseño de los Sistemas de Combustión
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
• Operacionales
• Ignición confiable
• Buena estabilidad de la combustión
• Regulaciones Ambientales
• Alta eficiencia de la combustión
• Baja generación de humo
• Nivel satisfactorio de emisiones
• Desempeño
• Mínima caída de presión
• Durabilidad
• Salida apropiada de los gases del combustor
• Apropiada distribución de temperatura
• Larga vida
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/Animation/turbtyp/etcs.html
Quemador tipo Cesta Camisa quemador Anular
Anular Cestas Anular-Cesta
Quemador
Turbina
Difusor
Compresor
Admisión
Tipos de Combustores
.- Anular: eficiente
.- Cesta-´can´: práctica
.- Anular-Cesta
Características
.- Mezcla combustible con 
aire a presión
.- Gas alcanza +1100 °C
.- Materiales especiales
.- Combustibles: Gas 
Natural, Fuel Oil, otros
.- Partes costosas
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.cbjet.clara.co.uk/dtt/images/flamestsa.jpg
Flujo de aire en Quemador tipo Cesta
Sistema Típico de Combustión tipo Cestos
Fuente: http://people.bath.ac.uken3pjcindex_filesimage010.gifCombustor2
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Convencional
• Combustión por difusión
• Diseño histórico-convencional
Combustión de Bajas-Secas Emisiones
(Dry Low Emissions - DEL/DLN - ¨SoLoNOx¨) 
• Combustión con Premezclado Pobre (Lean Premixed)
• Desempeño superior en términos de emisiones
• Ofrecida desde 1992
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Llamas por Difusión
Aire y combustible se
mezclan y queman al mismo
tiempo
Llamas Premezcladas
Aire y combustible se
mezclan y luego se queman
Tema III Turbinas a Gas
Sustancias
• Oxidos Nitrosos (NOx)
• CO
• Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC)
• SOx y Partículas (Depende del tipo de combustible)
Sistemas de Control
• Inyección de agua o vapor en cámara de combustión
• Mezcla pobre (más aire) (SoloNOxTM)
• Reducción Catalítica Selectiva
• Catalizadores de la combustión de CO
• Combustión Catalítica
• Sistemas de Absorción Catalíticos (SCONOxTM)
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Efectos de la Estequiometría sobre la Temperatura 
de Llama y Emisiones de Nox
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Características de las Emisiones
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.epa.gov/chp/pdf/presentations/forum_wd/NCHPTTRFCowellFinal.pdf
Niveles de Emisiones de NOx de acuerdo al Sistema de Combustión 
Tema III Turbinas a Gas
Emisiones Típicas Generales
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://64.78.42.182/sweethaven/Aviation/AvEngines01/lessonMain.asp?iNum=0222
Tipos de Turbinas
.- Axial
.- Radial
Aspectos particulares.- Álabes de aleaciones
.- Álabes pueden ser 
enfriados interiormente
Rotor-stator Axial
Comp. Centrífugo/Turb. CentrípetaÁlabe de Rotor Axial
Toberas 
Rotor Axial 
Raíz tipo ´impulso´ Punta tipo ´reacción´
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Presiones y Temperaturas Típicas
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Materiales Típicos
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Comparación de Resistencia de Materiales Típicos
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Evolución del Diseño y Construcción de Alabes
• Super-aleación de Níquel (desde 1940) por mejorar
resistencia a fluencia en caliente.
• Mejoras de fabricación (últimos 30 años)
. Enfriamiento en la colada. Solidificación direccional
permite control micro-estructural
. Fabricación de álabes con canales de enfriamiento
durante la colada
. Tratamiento térmico
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Mejoramiento en la Micro-estructura
Estructura Cristalina 
Equiaxial
Estructura Solidificada 
Direccionalmente
Mono Cristal
Tema III Turbinas a Gas
Fuente:http://www.cmse.ed.ac.uk/AdvMat45/SuperEng.pdf
Mecanismos de Enfriamiento
(Un solo paso) (Múltiples pasos)
(Recubrimiento Térmico)
Tema III Turbinas a Gas
Fuente: http://www.matsceng.ohio-
state.edu/fac_staff/faculty/padture/padturewebpage/padture/turbine_blade.jpg
Mecanismos de Enfriamiento: Generalidades
Fuente: http://www.mmlab.mech.tuat.ac.jp/mmlab/fig/fig_01.jpg
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
-Intercambiador de calor para aprovechar entalpía de los gases de escape
• Regenerador Tubular
• Regenerador en placas
• Regenerador rotativo
-Sistema de alimentación de aire (con dispositivos de control y filtraje)
- Silenciadores
- Sistema de lubricación (con equipos de bombeo y filtraje)
- Sistema hidráulico (con bombas y circuitos correspondientes)
- Sistema de regulación y control
Según Aplicación
• Generación Eléctrica
• Transporte (ferrocarriles y barcos)
• Compresión de Gas (gasoductos)
• Industria aérea
Según Configuración del Ciclo
• Simple (con solo objeto de producir potencia)
• Simple-CHP* (aprovecha calor y potencia t.gas)
• Combinado-CHP (t.gas/t.vapor + calor aprovechado)
(*) CHP: Combined Heat and Power
Tema III Turbinas a Gas
Generación Eléctrica
• Unidad Aeroderivativa (adaptadas de unidad aérea)
. Más costosas, pero más ligeras
. Potencias hasta 40-50 MW
. Eficiencias hasta de 45%
. Relaciones de compresión ~ 30:1
• Industrial (o Frame)
. Potencias entre 1-250 MW
. Más económicas y robustas
. Menos eficientes, pero apropiadas para carga base
. Relaciones de compresión hasta de 16:1
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Características Generales de Diseño
• ↑Temp_salida ⇒ fácil adaptabilidad para CHP
• Flexibilidad de alimentación:
. Gas natural, sintético o biogas
. Fuel oils (típico para backup)
• 25.000-50.000 hrs antes de overhaul
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Parámetros Típicos de Operación-Costo:
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Operación a Carga Parcial
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
- Turbinas monoeje, el rendimiento disminuye
con la carga.
- Una turbina de gas trabajando a plena carga
con una potencia en torno a los 3 MW y un
rendimiento del 25%, reduce su rendimiento
hasta el 20% al trabajar a la mitad de la potencia
nominal.
- Es posible mejorar su rendimiento
precalentando el aire que va a intervenir en la
combustión, aprovechando la energía de los
gases de escape.
- Con este procedimiento el gasto de
combustible por kW de energía mecánica
generada es menor y el rendimiento aumenta en
un 5 ÷ 7%.
Operación a Carga Parcial
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
• ↓Tcombustión ⇒ ↓Potencia
• ↓Potencia ⇒ ↓Eficiencia
• ↓Potencia ⇒ ↑Emisiones
Tema III Turbinas a Gas
Impacto de Altitud-Presión y Temperatura Ambiente
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
-A mayor temperatura de aspiración, la
energía necesaria para mover el compresor
es mayor, disminuyendo el rendimiento y la
potencia generada.
- Un incremento de la temperatura de
admisión de 15ºC puede suponer una
disminución de la potencia en el eje del
orden del 7-10%.
Impacto de Altitud-Presión y Temperatura Ambiente
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
-A velocidad de giro constante n, la curva
característica del compresor en verano está
por debajo de la curva característica del
compresor en invierno, por ser T1’ > T1.
-Si se produce una pequeña disminución de
la temperatura ambiente ΔT1 de forma que
la temperatura de entrada en el compresor
pase a ser (T1’ = T1 - ΔT1) se consigue una
mejora del rendimiento que es mucho
mayor que la que se obtendría con un
incremento igual de la temperatura de
entrada en la turbina ΔT3.
Impacto de Altitud-Presión y Temperatura Ambiente
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
-La disminución de la presión
atmosférica con la altura hace que la
potencia disminuya a medida que ésta
aumenta.
- Una diferencia de altitud de 900 m
supone un 10% de disminución de
potencia, aunque el consumo de
combustible disminuirá en la misma
proporción, resultando el rendimiento
poco afectado.
Regulación a velocidad constante
Tema III Turbinas a Gas
Regulación a velocidad variable
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Factores que influencian el funcionamiento de TAG
- Condiciones ambientales
- Pérdidas de presión en la entrada y la salida
- Tipo de combustible
- Inyección de flujos de agua o vapor de agua
Tema III Turbinas a Gas
Corrección por temperatura
de entrada Corrección por humedad
Tema III Turbinas a Gas
Corrección por altura
(output and exhaust flow)
Tema III Turbinas a Gas
Corrección por pérdidas de 
presión a la entrada
Corrección por pérdidas de 
presión a la salida
Tema III Turbinas a Gas
Corrección por inyección de agua Corrección por inyección de vapor
Fuente: http://www.epa.gov/CHP/pdf/tech_tubines.pdf
Tema III Turbinas a Gas
Tema III Turbinas a Gas
Cogeneración
• Generación simultánea de energía eléctrica y térmica (vapor, agua caliente, aire
caliente, etc.)
• Mejora eficiencia global de Máquinas Térmicas
• Típicamente, Eficiencia de Máquinas Térmicas: 32-40% (aprovechamiento de la
energía del combustible). Con Co-generación, Eficiencia Global puede llegar entre
70-85%
• En general Co-generación es filosofía del ahorro energético, ya sea empleando
energía de desecho para procesos de utilidad o mediante la reducción del desperdicio
(Ej., control de luces, electrodomésticos más eficientes, racionalización en el uso de
la energía en general por parte del usuario final)
• Ejemplo Práctico: Ciclo Combinado Brayton-Rankine
Tema III Turbinas a Gas
Notas
.- Eficiencia ≈ 60%
.- Reduce emisiones 
atmosféricas
.- Preserva reservas 
energéticas
.- Costo Instalación: 
> U.S.$550 /kW
.- Unidades modernas de 
> 500 MW
.- Mejorable con 
regeneración,reca-
lentamiento, etc.
Fuente: http://www.epcorpowerlp.ca/images/plants/castletonschematic.jpg
Gas Natural
O Fuel Oil
Caldera de 
respaldo Gen-2
Vapor para 
procesos
Condensador
Trat. Agua
Escape
Generador por 
recuperación de 
calor
Combustible
Bomba-
Compresor
Turbina
a Gas
Turbina
Vapor
Filtro aire
Gen-1
Tema III Turbinas a Gas
Ciclo Combinado Brayton-Rankine ideal 
Tema III Turbinas a Gas
Una planta con turbina a vapor sencilla, opera entre presiones de 10 kPa y 4 MPa con una
temperatura máxima de 400 °C. La potencia de salida de la turbinaa vapor es 100 MW. Una
turbina a gas provee la energía a la caldera; admitiendo aire a 100 kPa y 25 °C, con un radio
de presión de 5 y una temperatura máxima de 850 °C. Los gases salen de la caldera a 350 K.
Determine la eficiencia térmica del ciclo combinado Brayton-Rankine ideal.
R.-
Despreciando el trabajo de la bomba: kgkJhh /19221 =≈
A 400 °C y 4 Mpa, tenemos:
kgKkJskgkJh /7698,6y /3214 33 ==
Por condición s3 = s4 tenemos que la calidad x4 es:
8159,0
5019,7
6491,0798,64
4 =
−
=
−
−
=
fg
f
ss
ss
x
Tema III Turbinas a Gas
R.-
Así, tenemos: ( ) kgkJhhxhh fgf /2144)2393)(8159,0(19244444 =+=−+=
El flujo de vapor se calcula con 1ra Ley en turbina a vapor: 
( ) ( )
skgm
mhhmW
s
ssST
/46,93
2144321410000043
=⇒
−=⇒−=


Ahora, considerando el ciclo de la turbina a gas: 
( )
( )( ) K
p
pTT
k
k
0,4725298 2857,0
1
5
6
56 ==





=
−
( )
( ) K
p
pTT
k
k
1,709
5
11123
2857,0
1
7
8
78 =




=





=
−
y:
Tema III Turbinas a Gas
R.-
Así, para la caldera:
( ) ( )
( )( ) ( )( )
skgm
m
TTCmhhm
a
a
poas
/5,786
3501,7090,1192321446,93
9823
=⇒
−=−⇒
−=−



La potencia bruta en la turbina a gas:
( )
( )( )( ) MWW
TTCmW
tgasbruta
poatgasbruta
5,3251,70911230,15,786_
87_
=−=⇒
−=


La potencia consumida por el compresor:
( )
( )( )( ) MWW
TTCmW
comp
poacomp
9,1362984720,15,786
56
=−=⇒
−=


Tema III Turbinas a Gas
R.-
Por lo tanto, la potencia neta de la Turbina a Gas es:
Por otro lado, el flujo de calor en el combustor es:
MWMWW
WWW
GT
comptgbrutaGT
6,188)9,1365,325(
_
=−=⇒
−=


( ) ( )( )( )
MWQ
TTCmQ
in
poain
512
47211230,15,78667
=⇒
−=−=


Finalmente, la eficiencia térmica del ciclo combinado es:
56,4% ó 564,0
512
6,188100
=
+
=
+
=
in
GTST
T Q
WW


η
Tema III Turbinas a Gas
	Número de diapositiva 1
	Número de diapositiva 2
	Número de diapositiva 3
	Número de diapositiva 4
	Número de diapositiva 5
	Número de diapositiva 6
	Número de diapositiva 7
	Número de diapositiva 8
	Número de diapositiva 9
	Número de diapositiva 10
	Número de diapositiva 11
	Número de diapositiva 12
	Número de diapositiva 13
	Número de diapositiva 14
	Número de diapositiva 15
	Número de diapositiva 16
	Número de diapositiva 17
	Ciclo Brayton �Inter-enfriado/Regenerado/Recalentado Ideal Modelaje
	Número de diapositiva 19
	Número de diapositiva 20
	Número de diapositiva 21
	Número de diapositiva 22
	Número de diapositiva 23
	Número de diapositiva 24
	Número de diapositiva 25
	Número de diapositiva 26
	Número de diapositiva 27
	Número de diapositiva 28
	Número de diapositiva 29
	Número de diapositiva 30
	Número de diapositiva 31
	Número de diapositiva 32
	Número de diapositiva 33
	Número de diapositiva 34
	Número de diapositiva 35
	Compresor
	Compresor
	Número de diapositiva 38
	Número de diapositiva 39
	Número de diapositiva 40
	Número de diapositiva 41
	Número de diapositiva 42
	Número de diapositiva 43
	Número de diapositiva 44
	Número de diapositiva 45
	Número de diapositiva 46
	Número de diapositiva 47
	Número de diapositiva 48
	Número de diapositiva 49
	Número de diapositiva 50
	Número de diapositiva 51
	Número de diapositiva 52
	Número de diapositiva 53
	Número de diapositiva 54
	Número de diapositiva 55
	Número de diapositiva 56
	Número de diapositiva 57
	Número de diapositiva 58
	Número de diapositiva 59
	Número de diapositiva 60
	Número de diapositiva 61
	Número de diapositiva 62
	Número de diapositiva 63
	Número de diapositiva 64
	Número de diapositiva 65
	Número de diapositiva 66
	Número de diapositiva 67
	Número de diapositiva 68
	Número de diapositiva 69
	Número de diapositiva 70
	Número de diapositiva 71
	Número de diapositiva 72
	Número de diapositiva 73
	Número de diapositiva 74
	Número de diapositiva 75
	Número de diapositiva 76
	Número de diapositiva 77
	Número de diapositiva 78
	Número de diapositiva 79
	Número de diapositiva 80
	Número de diapositiva 81
	Número de diapositiva 82
	Número de diapositiva 83
	Número de diapositiva 84
	Número de diapositiva 85
	Número de diapositiva 86