Turbina de gas ( fr. turbina del lat. turbo - torbellino, rotación) - motor, máquina de álabes , en cuyos pasos la energía del gas comprimido y / o calentado se convierte en trabajo mecánico en el eje [1] . Los principales elementos estructurales son el rotor ( palas de trabajo fijadas en los discos) y el estator , llamado aparato de boquilla (paletas guía fijadas en la carcasa).
Las turbinas de gas se utilizan como parte de motores de turbinas de gas , unidades de turbinas de gas estacionarias (GTU) y plantas de ciclo combinado (CCGT).
Durante mucho tiempo se han realizado intentos de crear mecanismos similares a las turbinas. Se conoce una descripción de una turbina de vapor primitiva realizada por Herón de Alejandría (siglo I aC). En el siglo XVIII, el inglés John Barber recibió una patente para un dispositivo que tenía la mayoría de los elementos presentes en las turbinas de gas modernas. A finales del siglo XIX , cuando la termodinámica, la ingeniería mecánica y la metalurgia alcanzaron un nivel suficiente, Gustav Laval ( Suecia ) y Charles Parsons ( Gran Bretaña ) crearon de forma independiente turbinas de vapor adecuadas para uso industrial [2] .
La primera turbina de gas reversible del mundo fue diseñada por el ingeniero e inventor ruso Pavel Dmitrievich Kuzminsky en 1887. Su turbina de 10 etapas funcionaba con una mezcla de gas y vapor obtenida en la cámara de combustión creada por él en 1894: "gas-vapor". [3] Kuzminsky utilizó refrigeración por agua de la cámara de combustión. El agua enfrió las paredes y luego entró en la cámara. El suministro de agua hizo descender la temperatura y al mismo tiempo aumentó la masa de gases que entraban en la turbina, lo que debería haber aumentado la eficiencia de la instalación. [4] En 1892, P. D. Kuzminsky probó la turbina y la ofreció al Ministerio de Guerra como motor para un dirigible de su propio diseño. [5] En 1897, se construyó una turbina de gas en funcionamiento en la planta de cartuchos de San Petersburgo , [6] que el inventor estaba preparando para exhibirla en la Exposición Mundial de París en 1900 , pero no vivió para verla durante varios meses.
Simultáneamente con Kuzminsky, Charles Parsons también llevó a cabo experimentos con una turbina de gas (como un motor prometedor para torpedos ), pero pronto llegó a la conclusión de que las aleaciones disponibles, debido a su baja resistencia al calor, no permiten crear un motor confiable. mecanismo que sería puesto en marcha por un chorro de gases calientes o una mezcla vapor-gas, tras lo cual se centró en la creación de turbinas de vapor [7] .
El gas a alta presión fluye a través de la boquilla de la turbina hacia el área de baja presión, mientras se expande y acelera. Además, el flujo de gas entra en los álabes de la turbina, otorgándoles parte de su energía cinética e impartiendo par a los álabes. Las palas del rotor transmiten el par a través de los discos de la turbina al eje. La turbina de gas se usa con mayor frecuencia para impulsar generadores.
Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente más simples que los motores alternativos de combustión interna . Las turbinas más complejas (como las que se utilizan en los motores turborreactores modernos ) pueden tener múltiples ejes, cientos de álabes de turbina y estator, y un extenso sistema de tuberías complejas, cámaras de combustión e intercambiadores de calor.
Los cojinetes de empuje y los cojinetes radiales son elementos críticos de diseño. Tradicionalmente, estos eran rodamientos de bolas hidrodinámicos o enfriados por aceite . Han sido superados por los cojinetes de aire, que se utilizan con éxito en microturbinas y unidades de potencia auxiliar .
Las turbinas de gas se usan a menudo en muchos cohetes de propulsante líquido y también para impulsar turbobombas, lo que les permite usarse en tanques livianos de baja presión que almacenan una masa seca significativa.
La diferencia entre las turbinas de gas industriales y las de aviación es que sus características de peso y tamaño son mucho mayores, tienen un marco, cojinetes y un sistema de palas de un diseño más masivo. Las turbinas industriales varían en tamaño desde unidades móviles montadas en camiones hasta enormes sistemas complejos. La mayoría de las veces, las turbinas de gas en las centrales eléctricas se utilizan en un ciclo combinado de vapor y gas , lo que implica la generación de vapor a partir del calor residual de los gases de escape en una caldera de calor residual, seguido del suministro de vapor a una turbina de vapor para generar electricidad adicional. Tales instalaciones pueden tener una alta eficiencia, hasta un 60%. Además, la turbina de gas puede operar en configuraciones de cogenerador : el escape se utiliza para calentar el agua de los sistemas de suministro de calor para las necesidades de agua caliente sanitaria y calefacción , así como el uso de enfriadores de absorción para los sistemas de suministro de frío. El uso simultáneo de los gases de escape para producir calor y frío se denomina modo de trigeneración . La eficiencia de tales instalaciones - plantas de cogeneración de turbinas de gas puede ser muy alta y alcanzar hasta el 90%, pero la eficiencia de su uso depende directamente de la necesidad de energía térmica, que no es constante a lo largo del año y depende de las condiciones climáticas.
Las turbinas de gas de ciclo simple se pueden producir tanto para alta como para baja potencia. Una de sus ventajas es la capacidad de entrar en el modo de funcionamiento en pocos minutos, lo que les permite ser utilizados como energía durante los picos de carga. Debido a que son menos eficientes que las centrales eléctricas de ciclo combinado, normalmente se utilizan como centrales eléctricas pico y funcionan desde unas pocas horas al día hasta varias decenas de horas al año, según la demanda de electricidad y la capacidad de generación. En áreas con carga base insuficiente y en plantas de energía donde se genera energía eléctrica dependiendo de la carga, la planta de turbina de gas puede funcionar regularmente durante la mayor parte del día.
Parte del éxito de las microturbinas se debe al desarrollo de la electrónica , que hace posible que los equipos funcionen sin intervención humana. Las microturbinas se utilizan en los proyectos de suministro de energía autónomos más complejos.
Estas deficiencias explican por qué los vehículos de carretera, que son más pequeños, más baratos y requieren un mantenimiento menos regular que los tanques, los helicópteros y las grandes embarcaciones, no utilizan motores de turbina de gas a pesar de las innegables ventajas de tamaño.