La turbina de gas Holzwarth es un tipo de turbina de gas de explosión o de volumen constante en la que la combustión se produce de forma cíclica en una cámara de combustión cerrada por válvulas. La turbina de gas Holzwarth recibe su nombre de su desarrollador, el Dr. Hans Holzwarth (1877-1953), que diseñó varios prototipos de motores utilizados para pruebas y servicios experimentales en Alemania y Suiza entre 1908 y 1943. [1] [2] [3]
A principios del siglo XX, los diseñadores de toda Europa trabajaban en el desarrollo de la turbina de gas de flujo constante. El mayor problema para estos pioneros fue el diseño del compresor. La baja eficiencia de los turbocompresores disponibles en ese momento significaba que el compresor consumía toda la energía suministrada por la turbina. El diseño de Holzwarth evitó este problema haciendo que la combustión se llevara a cabo cíclicamente en cámaras de combustión cerradas por válvulas. Dado que el aumento de presión se producía en la cámara de combustión sellada, no era necesario un compresor. [4]
Holzwarth desarrolló el concepto teórico de su turbina de gas a partir de 1905, mientras era empleado de Hooven-Owens-Rentschler en los EE. UU. Holzwarth regresó a Alemania en 1908, donde diseñó y construyó una máquina de 25 hp (19 kW) mientras trabajaba para Thyssen & Co. Esta primera máquina fue fabricada y probada en el taller de Körting en Hannover y ahora está en exhibición en el Deutsches Museum de Múnich . [1]
A partir de 1909, Holzwarth trabajó con Brown, Boveri & Cie para construir una turbina de gas de 1000 hp (746 kW) lista para el mercado; sin embargo, la producción y la eficiencia estaban por debajo de las expectativas y Brown Boveri se retiró del proyecto en 1912. [1] [4]
Holzwarth continuó trabajando en su diseño mientras trabajaba como ingeniero jefe de turbinas de gas en Thyssen. En 1923 se entregó un prototipo a los ferrocarriles estatales prusianos , donde se utilizó para accionar un generador de 350 kW (469 hp) durante varios años. Durante este período se llevaron a cabo pruebas con combustible de polvo de carbón , que se quemó aceptablemente en la cámara de combustión, pero produjo partículas de escape que dañaron las palas de la turbina. En 1927, Hans Holzwarth dejó Thyssen & Co y fundó su propia empresa, Holzwarth Gasturbinen GmbH. [1] [2]
En 1927, Aurel Stodola probó una turbina de gas Holzwarth alimentada con aceite de 500 kW (671 hp) y descubrió que solo el 8% de la energía del combustible se transformaba en energía mecánica . [1] Las observaciones sobre la pérdida de calor residual hacia la camisa de agua de refrigeración llevaron al desarrollo, por parte de Brown Boveri, de las calderas Velox , comercialmente exitosas , que a su vez llevaron al desarrollo de las primeras turbinas de gas industriales modernas. [4]
A partir de 1928, Holzwarth volvió a colaborar con Brown Boveri para construir una versión de su turbina de gas con dos juegos de cámaras de combustión conectadas en serie. Estas máquinas de dos etapas utilizaban un compresor accionado por una turbina de corriente que se alimentaba de la evaporación del agua de la camisa de agua de refrigeración. En 1933, una máquina de dos etapas que impulsaba un generador de 2.000 kW (2.682 CV) se instaló en la acería Thyssen en Hamborn , donde inicialmente funcionó con fueloil y más tarde con gas de alto horno . [4]
La última turbina de gas Holzwarth fue una máquina experimental de 5.000 kW (6.705 hp) construida por la fábrica de Brown Boveri en Mannheim en 1938 para la acería de Hamborn. El combustible para la combustión era gas de alto horno comprimido a unos 6 bar (87 psi). La turbina de gas tenía válvulas operadas hidráulicamente que funcionaban a 60-100 ciclos por minuto. La unidad se puso en funcionamiento con poca frecuencia y no formaba parte del equipo habitual de la acería. En 1943, la turbina de gas resultó dañada durante un bombardeo aliado tras el cual no se realizaron más pruebas. Después de que terminó la Segunda Guerra Mundial , el interés en el diseño de Holzwarth disminuyó y no se construyeron más unidades. [2]
La cámara de explosión (A) se llena de forma intermitente con una mezcla rica suministrada desde la cámara de gas (C) y la cámara de aire (B). La mezcla se enciende mediante una chispa, tras lo cual la explosión de la mezcla provoca un aumento de presión que abre la válvula de la boquilla (F), lo que permite que los gases comprimidos fluyan a través de la boquilla (G) hasta la rueda de la turbina (H) en la que se va a realizar el trabajo. Mientras pasan por la boquilla, los gases se expanden hasta la presión del escape (J). La válvula de la boquilla (F) se mantiene abierta mediante aire fresco durante la expansión y la posterior limpieza y enfriamiento. [5] [6]
Una vez finalizada la expansión, se introduce aire a una ligera presión a través de la válvula (D). Este aire de barrido expulsa los gases residuales que quedan en la cámara de combustión a través de la tobera hacia el escape, tras lo cual se cierran positivamente la válvula de la tobera y la válvula de aire (D). En este punto, la cámara de combustión (A) se llena con aire puro relativamente frío, en el que se introduce el combustible puro (gas o aceite atomizado) a través de la válvula (E), formándose así la mezcla explosiva que se enciende mediante una chispa. Para que los impulsos impartidos a la rueda de turbina sean más uniformes, se disponen varias cámaras de combustión que funcionan alternativamente en un círculo alrededor de la rueda de turbina (H). [5] [6]
En las primeras máquinas Holzwarth, el gas y el aire se suministraban a una presión relativamente baja, de alrededor de 0,1 a 1 bar (1 a 15 psi) [5]; en los modelos posteriores, se utilizó un compresor de gas para suministrar combustible a presiones de hasta 6 bar (87 psi). El compresor de gas era accionado por una turbina de vapor alimentada por la evaporación del agua de la camisa de refrigeración de la turbina de gas, lo que requería la adición de un paquete de condensador de superficie . [3]
Las dos turbinas de gas Holzwarth construidas por Brown Boveri después de 1928 utilizaban dos etapas de cámaras de combustión y una versión de “dos tiempos” del ciclo en el que la admisión y el escape de gases se producían simultáneamente. [3] La primera etapa comprendía la carga final de la cámara de combustión, la explosión, el suministro de calor y energía al generador de vapor y la turbina de gas. La segunda etapa comprendía la limpieza y la precarga. Los gases de escape residuales escapaban a través de un economizador a la atmósfera. [4]
Este primer prototipo de turbina de gas Holzwarth está expuesto en el Deutsches Museum de Múnich . [1]
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