Turbina de gas

Esquema d'una turbina de gas.

Esquema d'un ciclu Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a la turbina.

Montaxe d'una turbina de gas.

Una turbina de gas, ye una turbomáquina motora, que'l so fluyíu de trabayu ye un gas.^[1] Como la compresibilidad de los gases nun puede ser despreciada, les turbinas de gas son turbomáquinas térmiques. Comúnmente fálase de les turbinas de gas por separáu de les turbinas yá que, anque funcionen con sustancies n'estáu gaseosu, les sos carauterístiques de diseñu son distintos, y, cuando nestos términos falar de gases, nun s'espera un posible cambéu de fase, sicasí cuando se fala de vapores sí.

Les turbinas de gas son usaes nos ciclos de potencia como'l ciclu Brayton y en dalgunos ciclos de refrigeración. Ye común nel llinguaxe cotidianu referise a los motores de los aviones como turbinas, pero esto ye un error conceptual, una y bones éstos son turborreactores los cualos son máquines que, ente otres coses, contienen una turbina de gas.

La operación básica de la turbina de gas ye similar a la máquina de vapor, sacante qu'en llugar d'agua usa l'aire. L'aire fresco de l'atmósfera flúi al traviés d'un compresor que lu alza a una alta presión. Depués añader enerxía esvalixando combustible nel mesmu y quemar de cuenta que la combustión xenera un fluxu d'alta temperatura. Esti gas d'alta temperatura y presión entra a una turbina, onde s'espande menguando la presión de salida, produciendo'l movimientu de la exa mientres el procesu. El trabayu d'esta exa de la turbina ye mover el compresor y otros dispositivos como xeneradores llétricos que pueden tar acoplaos. La enerxía que nun s'usa pal trabayu sale en forma de gases, polo cual van tener o una alta temperatura o una alta velocidá. El propósitu de la turbina determina'l diseñu que maximiza esta forma d'enerxía. Les turbinas de gas usar pa dar potencia a aeronaves, trenes, barcos, xeneradores llétricos, ya inclusive tanques.

Analís termodinámicu

Mientres el pasu del fluyíu de trabayu al traviés d'una turbina de gas el primeru apúrre-y enerxía a la segunda, y mientres esti procesu'l fluyíu espándese y mengua la so temperatura. Puede faese un analís termodinámicu d'esti procesu faciendo un balance d'enerxía:

${\displaystyle o_{y}+p_{y}v_{y}+gz_{y}+{\frac {{c_{y}}^{2}}{2}}+q=W+o_{s}+p_{s}v_{s}+gz_{s}+{\frac {{c_{s}}^{2}}{2}}}$

Esta ecuación ye la primer llei de la termodinámica en propiedaes específiques, pero a diferencia d'otres nomenclatures el trabayu ${\displaystyle W}$ ye consideráu positivu si sale del volume de control, que nesti casu contién al fluyíu nel so pasu al traviés de la turbina; ${\displaystyle c}$ ye la velocidá, ${\displaystyle o}$ ye la enerxía interna, ${\displaystyle p}$ ye la presión, ${\displaystyle z}$ ye l'altor, ${\displaystyle q}$ ye'l calor tresferíu por unidá de masa y ${\displaystyle v}$ ye'l volume específico. Los subíndices ${\displaystyle s}$ referir a la salida y ${\displaystyle y}$ referir a la entrada. Pa simplificar l'analís se haren les siguientes considerancies:

• Considérese esti procesu como adiabático.

${\displaystyle q=0}$

• El cambéu d'enerxía potencial (gravitatoria) ye despreciable por cuenta de la baxa densidá de los gases.

${\displaystyle gz_{y}-gz_{s}=0}$

Entós de la primer llei de la termodinámica puede deducise la espresión pa llograr el trabayu específicu en función de les propiedaes d'entrada y salida de la turbina del fluyíu de trabayu:

${\displaystyle L=(h_{y}-h_{s})+({\frac {{c_{y}}^{2}}{2}}-{\frac {{c_{s}}^{2}}{2}})}$

El términu ${\displaystyle h}$ ye la entalpía la cual defínese como ${\displaystyle h=o+pv}$.

Causes del ésitu de les turbinas de gas

Nos últimos años esaniciáronse munches centrales de vapor destinaes a la producción d'enerxía llétrica y reemplazáronse por turbinas de gas o por ciclos combinaos. La causa d'esti fenómenu ye económica. Los rendimientos del ciclu Brayton son sensiblemente cimeros a los del ciclu de Rankine de vapor d'agua. La causa mora nel fechu de que'l ciclu Brayton opera a temperatures mayores que'l Rankine

${\displaystyle W_{(}max)=Q{\frac {T-T_{0}}{T}}}$

Nesta ecuación Wmáx representa'l trabayu teóricu máximu que puede realizar un ciclu de potencia reversible qu'opera ente les temperatures estremes T y T₀, siendo T₀ la temperatura del mediu ambiente, intercambiando calor Q col mediu ambiente. Rescampla que cuanto mayor sía'l valor de T tantu mayor va ser Wmáx.

Per otra parte, nel ciclu Brayton nun hai intercambiu de calor, porque a diferencia del ciclu Rankine de vapor, que ye una máquina de combustión esterna, el de la turbina de gas ye una máquina de combustión interna y nun hai intercambiu de calor ente los gases calientes de la combustión y el fluyíu de trabayu. L'únicu intercambiu de calor asocede nel rexenerador, pero esto ye dempués de que'l fluyíu de trabayu produxera la mayor parte del trabayu útil na turbina.

Yá que constantemente esperiméntase con nuevos revestimientos de turbina que dexaríen operar con temperatures entá mayores, ye d'esperar que la fienda que dixebra los rendimientos de dambos ciclos engrándese mas nel futuru.

Ver tamién

• Ciclu Ericsson
• Ciclu combináu
• Turbina de vapor
• Turbocompresor

Motores usaos n'aviación:

• Turbofán o turbosoplante: Usáu n'aviones comerciales subsónicos.
• Turbohéliz: Con hélices normales.

Referencies

1. Wragg, David W. (1973). A Dictionary of Aviation, páx. 141. ISBN 9780850451634.

Enllaces esternos

• Variable Geometry in Miniature Gas Turbine for Improved Performance and Reduced Environmental Impact
• Mass model of microgasturbine single spool turbojet engine
• An overview of micro gas turbine engine performance investigation
• Trends of Micro Turbojet Engines within Thrust Range up to 1,000N

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre Turbina de gas.