Datos esenciales sobre turbinas de gas: definición, usos y componentes

La turbina de gas se usa desde 1939 para generación de electricidad. Hoy es una de las tecnologías de generación de potencia más usadas. Las turbinas de gas son motores de combustión interna (IC) que permiten que mezclas aire-combustible produzcan gases calientes que hacen girar una turbina para producir potencia. El proceso es común en motores a reacción, motores de combustión interna de automóviles, barcos, locomotoras, etc.

Hoy conocerás la definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y principios de funcionamiento de una turbina de gas. También verás sus ventajas e inconvenientes.

¿Qué es una turbina de gas?

Una turbina de gas es un dispositivo mecánico que transforma la energía química de un combustible, es decir, gas natural o similar, en energía mecánica. La energía mecánica generada por el eje de la turbina se transfiere luego a través de una caja de engranajes al eje del generador. Así se genera energía eléctrica. Las turbinas de gas no se llaman así por el combustible, sino por la producción de gas caliente durante la combustión. Pueden usarse distintos combustibles: fueloil, gas natural y combustibles sintéticos. En su proceso, la combustión ocurre de forma intermitente, es decir, es un proceso continuo.

Una turbina de gas también se llama turbina de combustión y es un tipo de motor de combustión interna continua. Sus elementos funcionales principales incluyen un compresor de gas rotativo aguas arriba, una cámara de combustión, una turbina aguas abajo en el mismo eje que el compresor. A menudo se usa un componente para aumentar su eficiencia y convertir la potencia en forma mecánica o eléctrica. También ayuda a lograr una mayor relación empuje-peso en un motor con postcombustión.

Además, una turbina de gas puede definirse como un motor de combustión interna que usa gas como fluido de trabajo para hacer girar una turbina. La potencia final puede usarse para accionar un generador, bomba, hélice, o en el caso de un motor a reacción puro para aeronaves.

Aplicaciones de una turbina de gas

Una turbina de gas puede usarse para propulsar aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, bombas, compresores de gas, tanques, etc. Analicemos en profundidad sus aplicaciones:

• Generación de energía eléctrica — Además de la aviación, la industria eléctrica usa ampliamente turbinas de gas. Aunque también pueden usarse turbinas de vapor.
• Usos industriales
• Propulsión marina
• Propulsión locomotora
• Propulsión automotriz

Los motores de turbina de gas se usan como plantas de «carga punta» de tamaño medio para funcionar intermitentemente durante cortas duraciones de alta demanda de potencia en un sistema eléctrico.

Las turbinas de gas se usan para bombear gas natural por tuberías, donde una pequeña parte del gas bombeado se usa como combustible de la turbina.

El proceso de refino de petróleo también usa este sistema. Pequeñas turbinas de gas portátiles con compresores centrífugos se usan para accionar bombas.

Nota: la función principal de una turbina de gas es producir potencia mecánica y eléctrica.

Componentes de la turbina de gas

A continuación los componentes de una turbina de gas:

Compresor:

El compresor usado como componente de turbina de gas es de distintos tipos; los primeros empleaban compresores centrífugos. Su diseño es relativamente simple e económico. Se limitan a bajas relaciones de presión y no se comparan con los modernos compresores axiales en eficiencia. Los compresores centrífugos siguen usándose hoy en unidades industriales pequeñas.

Cámara de combustión:

En este sistema hay dos corrientes de aire procedentes del compresor. La corriente menor se alimenta centralmente en una zona donde se inyecta y quema combustible atomizado con una llama mantenida en su sitio por un obstáculo generador de turbulencia. La otra corriente, conocida como corriente de enfriamiento, se alimenta en la cámara a través de orificios junto con un «revestimiento de combustión» (una especie de carcasa). Esto ayuda a reducir la temperatura general a un nivel adecuado para la entrada de la turbina.

Turbina:

Estos componentes de turbina de gas se basan normalmente en el principio de reacción con los gases calientes expandiéndose a través de hasta ocho etapas. Usan turbinas de uno o dos ejes (spooled). En esta turbina se acciona la carga externa, parte de la expansión ocurre en una turbina de alta presión. Esta turbina de alta presión acciona solo el compresor, mientras que la expansión restante ocurre en una turbina libre separada conectada a la carga.

Control y arranque:

En un motor de turbina de gas que acciona un generador eléctrico, la velocidad debe controlarse y ser constante independientemente de la carga eléctrica. Reducir el flujo de combustible en este sistema bajará la temperatura de salida de la cámara de combustión. Por esto, el salto de entalpía disponible para la turbina disminuye aunque la eficiencia de la turbina se reduce ligeramente. El control en motores de turbina de gas para aeronaves es más difícil.

Otras consideraciones de diseño:

Con los diseños de motores de turbina de gas modernos, pueden añadirse partes funcionales extra para mejorar su eficiencia.

Diagrama de motor de turbina de gas:

Tipos de turbina de gas

A continuación los diversos tipos de turbina de gas:

Turborreactor (turbojet):

Son los menos complejos de todos los motores de turbina para aeronaves. En su funcionamiento se alcanzan cuatro secciones: compresor, cámara de combustión, sección de turbina y escape. Los turborreactores llevan décadas disponibles, desarrollados en Alemania e Inglaterra antes de la Segunda Guerra Mundial. En los turborreactores, el aire pasa a alta velocidad a la cámara de combustión. Esta permite la entrada de combustible y contiene un encendedor. La turbina es accionada por aire en expansión, que produce empuje por los gases de escape acelerados.

Turbohélice (turboprop):

En los motores de turbohélice, las hélices son accionadas a través de una caja de reducción, que proporciona rendimiento óptimo de la hélice a menores rpm. Esto logra mayor eficiencia de combustible y rendimiento a menores velocidades aéreas, haciendo las turbohélices mejor opción para motores de aeronaves incluyendo aviones pequeños, de pasajeros, de carga y uso agrícola. Nota: las hélices son menos eficientes al aumentar la velocidad de la aeronave, por lo que son adecuadas para aviones que no viajan a altas velocidades.

Turbofan:

El turbofan es un motor de turbina para aeronaves que desvía un flujo secundario de aire alrededor de la cámara de combustión, creando empuje adicional. Los turbofan son versiones modernas encontradas en aviones de transporte de alta velocidad y cazas.

Turboeje (turboshaft / afterburning turbojet):

Estos motores de turbina de gas se usan predominantemente en cazas. Incluyen un postquemador en un turborreactor central para que parte de la energía del escape se use para girar la turbina. Combustible adicional se inyecta en la corriente de escape cuando el postquemador está activo, produciendo empuje extra. Esto no produce velocidad adicional para la aeronave y quema más combustible que los turborreactores tradicionales.

Principio de funcionamiento de la turbina de gas

El funcionamiento es poco complejo y fácil de entender. Opera con ciclo de admisión, compresión, expansión y escape. Normalmente, en cualquier turbina de gas, el aire es comprimido por un compresor y luego conducido a través de una cámara de combustión. El combustible se quema continuamente para procesamiento de gas a alta temperatura y presión. La mezcla aire/combustible se quema (enciende) y ocurre la expansión, generando energía rotativa usada por el compresor en la etapa anterior. La energía restante es usada por un eje de salida.

Mira el vídeo siguiente para saber más sobre el funcionamiento de la turbina de gas:

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

En pocos pasos explico cómo las turbinas de gas producen electricidad. Pues bien, siguen el mismo proceso descrito pero aún hay que clarificar cómo se crea la electricidad. Para generar electricidad, la turbina de gas calienta la mezcla aire/combustible a temperaturas muy altas, haciendo girar los álabes de la turbina. La turbina giratoria acciona un generador que convierte la energía en electricidad. Las turbinas de gas pueden combinarse con turbinas de vapor en una central de ciclo combinado para generar energía extremadamente eficiente. ¡Fácil! Estos son los pasos:

• La mezcla aire-combustible se enciende
• El gas caliente hace girar los álabes de la turbina
• El eje de transmisión gira junto con los álabes
• La rotación de la turbina acciona el generador
• El imán del generador hace mover electrones y crea electricidad

Ventajas e inconvenientes de la turbina de gas

Ventajas:

• La relación potencia-peso es muy alta comparada con motores alternativos
• Más pequeños que la mayoría de motores alternativos de la misma potencia
• Menos piezas móviles
• Rotación suave del eje principal
• Menos vibración que motores alternativos
• El calor residual se disipa casi totalmente en el escape
• Bajas presiones de combustión máxima comparadas con motores alternativos
• Bajo coste y consumo de aceite lubricante
• Variedad de combustibles pueden usarse
• No requiere calentamiento tras el arranque
• Coste inicial menor
• Requiere menos espacio

Inconvenientes:

• Coste del motor alto por materiales exóticos
• Arranque más largo
• Menos sensible a cambios en la demanda de potencia
• Eficiencia intrínseca menor

Conclusión

Los motores de turbina de gas son ampliamente conocidos para aplicaciones de aviación; de hecho, los diversos tipos de turbinas listados arriba se usan en aviación. La turbina de gas ofrece buenos beneficios en la mayoría de situaciones y usa energía química para su funcionamiento. En este artículo explicamos definición, aplicaciones, función, componentes, diagrama, tipos y funcionamiento de una turbina de gas. También discutimos sus ventajas e inconvenientes.

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