UNIVERSIDADDEELSALVADOR
FACULTADDEINGENIERAYARQUITECTURA
ESCUELADEINGENIERAMECANICA
TURBOMAQUINAS TRMICAS
Docente:Ing.Salomon Torres Rios Laso
Alumno:
Gomez Gomez Jacobo de Jesus.
CICLO BRAYTON: EL CICLO IDEAL PARA LOS MOTORES DE TURBINA DE
GAS.
El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez
primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite
desarrollado por l alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en
turbinas de gas donde los procesos tanto de compresin como de
expansin suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas
generalmente operan en un ciclo abierto, como se observa en la
figura 9-29. Se introduce aire fresco en condiciones ambiente
dentro del compresor, donde su temperatura y presin se elevan. El
aire de alta presin sigue hacia la cmara de combustin, donde el
combustible se quema a presin constante. Los gases de alta
temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden
hasta la presin atmosfrica, produciendo potencia. Los gases de
escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se
recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo
abierto.
El ciclo de turbina de gas abierto descrito anteriormente puede
modelarse como un ciclo cerrado, como se indica en la figura 9-30,
empleando las suposiciones de aire estndar. En este caso los
procesos de compresin y expansin permanecen iguales, pero el
proceso de combustin se sustituye por uno de adicin de calor a
presin constante desde una fuente externa, mientras que el proceso
de escape se reemplaza por otro de rechazo de calor a presin
constante hacia el aire ambiente. El ciclo ideal que el fluido de
trabajo experimenta en este ciclo cerrado es el ciclo Brayton, el
cual est integrado por cuatro procesos internamente
reversibles.
1-2 Compresin isentrpica (en un compresor)
2-3 Adicin de calor a presin constante
3-4 Expansin isentrpica (en una turbina)
4-1 Rechazo de calor a presin constante
Los diagramas T-s y P-v de un ciclo Brayton ideal se muestran en
la figura 3. Observe que los cuatro procesos del ciclo Brayton se
ejecutan en dispositivos de flujo estacionario, por lo tanto deben
analizarse como procesos de flujo estacionario. Cuando los cambios
en las energas cintica y potencial son insignificantes, el balance
de energa para un proceso de flujo estacionario puede expresarse,
por unidad de masa, como.
Por lo tanto, la transferencia de calor hacia y desde el fluido
de trabajo es
Entonces, la eficiencia trmica del ciclo Brayton ideal bajo las
suposiciones de aire estndar fro se convierte en.
Los procesos 1-2 y 3-4 son isentrpicos, por lo que . Por lo
tanto,
Al sustituir estas ecuaciones en la relacin de eficiencia trmica
y al simplificar, se obtiene.
Donde.
Es la relacin de presin y k la relacin de calores especficos. En
la ecuacin 9-17 se muestra que bajo las suposiciones de aire
estndar fro la eficiencia trmica de un ciclo Brayton ideal depende
de la relacin de presin de la turbina de gas y de la relacin de
calores especficos del fluido de trabajo. La eficiencia trmica
aumenta con ambos parmetros, que tambin es el caso para las
turbinas de gases reales. Una grfica de la eficiencia trmica contra
la relacin de presin se presenta en la figura 4 para k 1.4, el cual
es el valor de la relacin de calores especficos del aire a
temperatura ambiente.
La temperatura ms alta en el ciclo ocurre al final del proceso
de combustin (estado 3) y est limitada por la temperatura mxima que
los labes de la turbina pueden resistir. Esto tambin limita las
relaciones de presin que pueden utilizarse en el ciclo. Para una
temperatura de entrada fija de la turbina T3, la salida de trabajo
neto por ciclo aumenta con la relacin de presiones, alcanza un
mximo y despus empieza a disminuir, como se observa en la figura 5.
Por lo tanto, debe haber un compromiso entre la relacin de presin
(por consiguiente la eficiencia trmica) y la salida de trabajo
neto. Con una menor salida de trabajo por ciclo se necesita una
tasa de flujo msico ms grande (y de este modo un sistema mayor)
para mantener la misma salida de potencia, lo cual no puede ser
econmico. En muchos diseos comunes la relacin de presin de turbinas
de gas vara de 11 a 16.
Fig. 4
Fig.5
En turbinas de gas el aire realiza dos importantes funciones:
suministra el oxidante necesario para la combustin del combustible
y sirve como un refrigerante para mantener la temperatura de
diversos componentes dentro de lmites seguros. La segunda funcin se
realiza al extraer ms aire del necesario para la combustin completa
del combustible. En turbinas de gas una relacin de masa de aire y
combustible de 50 o mayor es muy comn. Por lo tanto, en un anlisis
del ciclo, considerar como aire a los gases de combustin no causar
un error significativo. Adems, el flujo msico por la turbina ser ms
grande que a travs del compresor, pues la diferencia es igual al
flujo msico del combustible. As, suponer una tasa de flujo msico
constante en el ciclo produce resultados conservadores en motores
de turbinas de gas de ciclo abierto.
Las dos principales reas de aplicacin de las turbinas de gas son
la propulsin de aviones y la generacin de energa elctrica. Cuando
se emplean en propulsin de aviones, la turbina de gas produce la
potencia suficiente para accionar tanto al compresor como a un
pequeo generador que a su vez acciona al equipo auxiliar. Los gases
de escape de alta velocidad son los responsables de producir el
empuje necesario para impulsar la aeronave. Las turbinas de gas
tambin se utilizan como centrales elctricas estacionarias que
producen energa elctrica como unidades independientes o en conjunto
con las centrales elctricas de vapor en el lado de alta
temperatura. En estas centrales los gases de escape de las turbinas
de gas sirven como fuente de calor para el vapor. El ciclo de
turbina de gas tambin puede ejecutarse como un ciclo cerrado para
su utilizacin en centrales nucleares, en las que el fluido de
trabajo no se limita al aire y puede emplearse un gas con
caractersticas ms convenientes (como el helio).
La mayor parte de las flotas navales del mundo occidental ya
utilizan motores de turbinas de gas para propulsin y para la
generacin de energa elctrica. Las turbinas de gas General Electric
LM2500 utilizadas para impulsar barcos tienen una eficiencia trmica
de ciclo simple de 37 por ciento. Las turbinas de gas General
Electric WR-21 equipadas con interenfriamiento y regeneracin tienen
una eficiencia trmica de 43 por ciento y producen 21.6 MW (29 040
hp).
La regeneracin tambin reduce la temperatura de escape de 600 C
(1 100 F) a 350 C (650 F). El aire se comprime a 3 atm antes de
entrar al interenfriador. Comparadas con la turbina de vapor y los
sistemas de propulsin disel, la turbina de gas ofrece mayor
potencia para determinados tamao y peso, alta confiabilidad, larga
vida y operacin ms conveniente. El tiempo de arranque de la mquina
se ha reducido de 4 horas requeridas para un sistema de propulsin
tpico con base en vapor de agua, a menos de 2 minutos para una
turbina de gas. Muchos sistemas de propulsin marina modernos
utilizan turbinas de gas junto con motores disel debido al alto
consumo de combustible de los motores de turbinas de gas de ciclo
simple. En sistemas combinados de disel y turbinas de gas, el disel
se utiliza para proporcionar de manera eficiente baja potencia y
operacin de crucero, mientras que la turbina de gas se emplea
cuando se necesitan altas velocidades.
En las centrales elctricas de turbina de gas, la relacin entre
el trabajo del compresor y el trabajo de la turbina, denominada
relacin del trabajo de retroceso, es muy alta (Fig.6) . Usualmente
ms de la mitad de la salida de trabajo de la turbina se utiliza
para activar el compresor. La situacin es an peor cuando las
eficiencias isentrpicas del compresor y de la turbina son bajas.
Esto contrasta considerablemente con las centrales elctricas de
vapor, donde la relacin de trabajo de retroceso es solamente un
pequeo porcentaje. Sin embargo, esto no sorprende dado que un
lquido se comprime en las centrales de energa de vapor en lugar de
un gas, y el trabajo de flujo estacionario reversible es
proporcional al volumen especfico del fluido de trabajo
Fig. 6
Una central elctrica con una alta relacin del trabajo de
retroceso requiere una turbina ms grande para suministrar los
requerimientos de energa adicionales del compresor. En
consecuencia, las turbinas utilizadas en las centrales de turbina
de gas son ms grandes que las que se utilizan en las de vapor que
para la misma salida de potencia neta.
Desarrollo de las turbinas de gas.
La turbina de gas ha experimentado un progreso y un crecimiento
fenomenal desde su primer desarrollo exitoso en la dcada de 1930.
Las primeras turbinas de gas construidas en la dcada de 1940 e
incluso en la de1950 tenan eficiencias de ciclo simple de alrededor
de 17 por ciento debido a las bajas eficiencias del compresor y de
la turbina, as como a las bajas temperaturas de entrada de la
turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de aquellos
tiempos. Por lo tanto, las turbinas de gas tuvieron un uso limitado
a pesar de su versatilidad y su capacidad de quemar gran variedad
de combustibles. Los esfuerzos para mejorar la eficiencia del ciclo
se concentraron en tres reas:
Incrementar las temperaturas de entrada de la turbina (o de
quemado).
ste ha sido el principal enfoque tomado para mejorar la
eficiencia de la turbina de gas. Las temperaturas de entrada de
stas han aumentado en forma constante desde aproximadamente 540 C
(1 000 F) en la dcada de 1940, hasta 1 425 C (2 600 F) e incluso
mayor actualmente. Estos incrementos fueron posibles gracias al
desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras tcnicas de
enfriamiento para componentes crticos, como la de revestir los
labes de la turbina con capas cermicas y enfriarlos con aire de
descarga del compresor. Mantener altas temperaturas de entrada a la
turbina con la tcnica de enfriamiento por aire requiere que la
temperatura de combustin sea mayor para compensar el efecto de
enfriamiento. Sin embargo, las mayores temperaturas de combustin
aumentan la cantidad de xidos de nitrgeno (NOx), los cuales son
responsables de la formacin de ozono al nivel del suelo y del
esmog. Utilizar vapor de agua como refrigerante permiti un aumento
de las temperaturas de entrada a la turbina de 200 F sin un
incremento en la temperatura de combustin. El vapor de agua es
tambin un medio de transferencia de calor mucho ms eficiente que el
aire.
Incremento de las eficiencias de los componentes de
turbomaquinaria.
El desempeo de las primeras turbinas sufra grandemente de las
ineficiencias de turbinas y compresores. Sin embargo, el
advenimiento de las computadoras y de tcnicas avanzadas de diseo
asistido por computadora hizo posible disear estos componentes
aerodinmicamente cuyas prdidas son mnimas. Las eficiencias
incrementadas de las turbinas y compresoresresultaron en un aumento
significativo en la eficiencia del ciclo.
Adicin de modificaciones al ciclo bsico.
Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas
fueron prcticamente duplicadas al incorporar interenfriamiento,
regeneracin (o recuperacin) y recalentamiento, los cuales se
analizan en las siguientes dos secciones. Desde luego, estasmejoras
se realizaron a expensas de mayores costos tanto inicial como de
operacin y no pueden justificarse a menos que la disminucin en los
costos de combustible contrarreste el incremento en otras reas. Los
costos relativamente bajos de los combustibles, el deseo general de
la industria para minimizar los costos de instalacin y el tremendo
aumento en la eficiencia del ciclo simple a cerca de 40 por ciento,
dej pocos deseos de optar por estasmodificaciones.
La primera turbina de gas para una central generadora de energa
elctrica fue instalada en 1949 en Oklahoma como parte de una
central elctrica de ciclo combinado. Fue construida por la General
Electric, produca 3.5 MW de potencia y sus turbinas de gas
instaladas hasta mediados de 1970 sufran de baja eficiencia y
escasa confiabilidad. En el pasado la generacin de potencia
elctrica para carga base estaba dominada por grandes centrales
generadoras que funcionaban con carbn y energa nuclear. Sin
embargo, ha habido un cambio histrico hacia las turbinas de gas
impulsadas por gas natural debido a sus mayores eficiencias,
menores costos de capital, tiempos ms cortos de instalacin y
mejores caractersticas respecto a las emisiones contaminantes,
adems de la abundancia de suministro de gas natural. Cada vez ms y
ms empresas productoras de energa elctrica estn empleando turbinas
de gas para produccin de potencia para carga base as como para
carga pico. Los costos de construccin de centrales generadoras de
turbina de gas son aproximadamente de la mitad en comparacin con
los de una central generadora de vapor que funciona con
combustibles fsiles, las cuales fueron las principales centrales
elctricas para carga base hasta principios de la dcada de 1980. Se
prev que ms de la mitad de todas las centrales que se instalarn en
el futuro sean de turbina de gas o combinarn las turbinas de gas y
de vapor.
Una turbina de gas fabricada por General Electric en los
comienzos de la dcada de 1990 tena una relacin de presin de 13.5 y
generaba 135.7 MW de potencia neta con una eficiencia trmica de 33
por ciento bajo una operacin de ciclo simple. Una turbina de gas ms
reciente fabricada por General Electric utiliza una temperatura de
entrada a la turbina de 1 425 C (2 600 F) y produce hasta 282 MW
mientras logra una eficiencia trmica de 39.5 por ciento en el modo
de ciclo simple. Una turbina de gas de pequea escala de 1.3
toneladas, denominada OP-16, construida por la firma holandesa Opra
Optimal Radial Turbine, puede trabajar con gas o combustible lquido
y reemplazar un motor diesel de 16 toneladas. Tiene una relacin de
compresin de 6.5 y produce hasta 2 MW de potencia, mientras que su
eficiencia es de 26 por ciento en operacin de ciclo simple, y sube
hasta 37 por ciento cuando se equipa con un regenerador.
Desviacin de los ciclos reales de turbina de gas en comparacin
con los idealizados.
Los ciclos reales de turbina de gas difieren del ciclo Brayton
ideal por varias razones. Por un lado, alguna disminucin de presin
durante los procesos de adicin y rechazo de calor es inevitable. Ms
importante an es que la entrada de trabajo real al compresor ser
mayor y la salida de trabajo real de la turbina ser menor debido a
irreversibilidades. La desviacin del comportamiento real del
compresor y la turbina del comportamiento isentrpico idealizado
puede tomarse en cuenta con precisin si se utilizan las eficiencias
isentrpicas de la turbina y el compresor, definidas como.
Y donde los estados 2a y 4a son los estados de salida reales del
compresor y la turbina, respectivamente, y 2s y 4s son los
correspondientes al caso isentrpico, como se ilustra en la figura
7.
Fig. 7.
CICLO BRAYTON
Se denomina ciclo a un proceso termodinmico a lo largo del cual
se van cambiando las condiciones iniciales. El ciclo Brayton (Fig.
8.), se define como el ciclo que corresponde almotor de reaccin y
se caracteriza por realizarse en l la combustin tericamente, a
presin constante. Como se ve en la figura, las coordenadas del
ciclo son Presin-Volumen, si bien pudiera estudiarse atendiendo a
otros parmetros.
Veamos las diferentes fases de funcionamiento del motor:
0-1 Compresin de admisin.1-2 Compresin en el compresor.2-3
Combustin en cmaras.3-4 Expansin en turbinas.4-5 Expansin en
tobera.
En la figura 3 se aprecian los ciclos terico y prctico. Es
interesante observar que el rea encerrada dentro del ciclo
representa el trabajo til que vamos a obtener del motor, puesto
que:
Fig. 8.
El cociente de las reas del ciclo prctico y terico es
precisamente lo que define el rendimiento del ciclo
(practicabilidad), siendo la diferencia de dichas reas las prdidas
ocasionadas en las distintas fases de funcionamiento del motor.
La practicabilidad se define como la relacin entre el trabajo
real obtenido y el trabajo total disponible en la expansin. La
practicabilidad aumenta con la temperatura mxima del ciclo.
En el ciclo terico (ideal) los procesos de compresin y expansin
se realizan segn una adiabtica y los de adicin y cesin de calor
segn una isobara.
Finalmente el rendimiento termodinmico es la relacin entre el
calor equivalente al trabajo til del ciclo y el calor total
suministrado (por kg de agente combustible).
EMPUJE
El parmetro fundamental que caracteriza al motor de reaccin como
planta propulsora, es el empuje que desarrolla. Conviene recordar
antes que nada, que el empuje es una fuerza y por tanto se mide en
unidades de fuerza en los distintos sistemas fsicos.
Esta fuerza es la resultante de todas las que actan sobre la
superficie exterior e interior del motor. Teniendo en cuenta que la
presin en el extremo de la tobera puede ser distinta de la
atmosfrica, para regmenes de funcionamiento distintos del de diseo,
vamos a deducir la frmula de empuje. El empuje neto, al ser una
fuerza, ser el producto de la masa por su aceleracin.
Y puesto que:
Siendo el gasto msico y Wa el gasto (en peso) por segundo de
aire.
Sustituyendo queda.
Que es la expresin del empuje neto. Puede decirse que el empuje
neto es la diferencia entre la fuerza de aire en la salida del
motor y en la entrada. Al primer trmino de la ecuacin se le conoce
con el nombre de empuje esttico y se puede medir directamente en un
banco de pruebas:
Y al segundo trmino, y puesto que es una fuerza que contrarresta
parcialmente al empuje til, se denomina resistencia de impacto:
Tambin puede introducirse el gasto de combustible multiplicado
por la velocidad de salida, sin tener en cuenta la velocidad de
entrada, ya que al ir en el avin, no tiene velocidad inicial.
En = Empuje neto
Wa = Gasto de aire (en peso) por segundo
g = Aceleracin de la gravedad
Vs = Velocidad de salida de gases del motor
Ve = Velocidad de entrada del aire al motor
W e =Gasto de combustible (en peso) por segundo
Ps = Presin de salida de gases del motor
Pe =Presin de entrada de aire al motor
As = Area de salida de gases del motor
Ae = Area de entrada de aire al motor
Resumiendo, la expresin anterior corresponde al empuje neto, es
decir, al que resulta del cambio de la cantidad de movimiento de la
masa de aire y de la masa de combustible que pasan a travs del
motor, ms una fuerza adicional en la tobera de escape. La velocidad
de entrada de aire es aproximadamente la velocidad del avin y la
velocidad de entrada de combustible la consideramos nula, como ya
se ha visto, al ir en el avin. Despreciando la masa de combustible
frente al aire, pues, como se ver en el proceso de combustin, dicha
masa es mucho menor que la del aire, la expresin del empuje neto
queda:
Dicha frmula obedece a la expresin conocida como teorema de
Euler de la cantidad de movimiento, segn el cual "la resultante de
todas las fuerzas hidrodinmicas que actan sobre una corriente
fluida arbitraria, es igual a la diferencia de la cantidad de
movimiento por segundo del fluido que sale y del que entra".
El empuje bruto es el desarrollado por la tobera de escape, es
decir, el creado por la cantidad de movimiento de los gases de
escape ms la fuerza adicional de la tobera.La expresin del empuje
bruto es:
El empuje neto y el bruto coinciden con el avin parado y motor
en marcha. En este caso desaparece el trmino Ve de la frmula En y
queda igual que Eb
Se expuso anteriormente que el empuje esttico puede medirse
directamente en banco. Al quedar el motor flotante, empuja contra
una balanza calibrada que mide directamente el empuje. Una vez
instalado el motor en el avin, no puede obtenerse una medida exacta
del empuje.
La velocidad angular de giro del motor en revoluciones por
minuto (r.p.m.) constituye a veces una indicacin adecuada del
empuje en los motores de compresor centrfugo, no as en los de
compresin axial. Por tanto y salvo en motores axiales de gran ndice
de derivacin, en los cuales las r.p.m. del fan o tacmetro N 1
constituyen el instrumento primario de empuje, en los dems motores
axiales el instrumento primario de la medida-de empuje es
proporcional al E.P.R. (Engine Pressure Ratio) P17 /P12, es decir,
al cociente entre las presiones totales de salida y entrada en el
motor, para una velocidad, altitud, temperatura y posicin del mando
de gases filas.
El trmino P17 (Presin total de salida de gases del motor} es un
ndice del empuje total, mientras que P17 /P12 lo es del empuje
esttico. Es decir, si se utiliza P17 como ndice de empuje, ser
necesario corregirlo si varan las condiciones de la corriente de
entrada. Precisamente porque las condiciones de entrada varan en el
motor en una amplia gama, es preferible utilizar el E.P.R. como
ndice de empuje.
Finalmente, es interesante tener presente la influencia de la
resistencia exterior sobre el empuje del motor de reaccin. Hasta
ahora hemos supuesto que la corriente que rodea el motor es ideal,
es decir, no haba friccin ni intercambio de calor con el chorro de
gases de escape (adiabtica); pero en realidad al instalar el motor
fuera del fuselaje, bien en gndolas bajo los planos o en montantes
situados en la zona trasera del fuselaje, la resistencia exterior
puede disminuir bastante el empuje.
Esta resistencia va aumentando con la velocidad; a velocidades
supersnicas es muy notable, pues aparecen resistencias inducidas de
interferencia y de ondas. Se denomina empuje efectivo al que se
obtiene restando al neto la resistencia exterior.
Turbina de Gas Potencia de salida
Donde 0.707 (ms exactamente 0,7068) convierte Btu / seg a
caballos de fuerza.
Turbina de Gas Eficacia
Eficiencia trmica eficiencia () de una turbina de gas, teniendo
en cuenta los procesos de compresin y expansin como ser
irreversible, se define como la produccin de trabajo dividida por
el consumo de energa de combustible. El rendimiento en el trabajo
es el trabajo de la turbina total menos el trabajo en el compresor
(compresor trabaje nota es negativo). Por lo tanto.
Donde KJ es kilojulios, kW es kilovatios, y es hora Hr.
Esta expresin es la herramienta ms utilizada en la comparacin de
un gasturbina con otro. Tal como se usa aqu, esta expresin
representa la ciclo de la eficiencia sencilla turbina de gas. Esta
ecuacin tambin se usa para demostrar que un motor particular es (o
no es) deterioro con el uso. Si el motor global sencilla eficiencia
del ciclo se est deteriorando a continuacin, un examen de cada
componente es necesario para determinar la causa del problema.
Bibliografa
Libro: YUNUS A. ENGEL (termodinmica)
Edicin: sptima.
Director General Mxico: Miguel ngel Toledo Castellanos
Editor sponsor: Pablo E. Roig Vzquez
Coordinadora editorial: Marcela I. Rocha Martnez
Editora de desarrollo: Ana Laura Delgado Rodrguez
Supervisor de produccin: Zeferino Garca Garca
Captulo 9: siclos de potencia y de Gas.
Pginas: 511-519
Libro: el motor a reaccin y sus sistemas auxiliares.
Autor: Valentn Sainz Diez
Valentn Sinz Dez: Jefe Unidad Instruccin, Direccin Tcnica de
Vuelo, Iberia Lneas Areas, Director de la Escuela de Pilotos,
American Flyers Espaa.
Edicin: octava edicin.
Gerente Editorial rea Tcnico-Vocacional: Oiga M" Vicente
Crespo
Editoras de Produccin: Clara M" de la Fuente Rojo. Consuelo
Garca Asensio
Produccin Industrial: Susana Pavn Snchez
Capitulo: principio y generalidades del motor a reaccin
Pginas: 19-25