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Una turbina de gas o motor de turbina de gas es un tipo de motor de combustión interna de flujo continuo . [1] Las partes principales comunes a todos los motores de turbina de gas forman la parte productora de energía (conocida como generador de gas o núcleo) y son, en la dirección del flujo:
Se deben añadir componentes adicionales al generador de gas para que se adapte a su aplicación. Todos tienen en común una entrada de aire, pero con diferentes configuraciones para adaptarse a los requisitos de uso marino, uso terrestre o vuelo a velocidades que varían de estacionarias a supersónicas. Se añade una tobera propulsora para producir empuje para el vuelo. Se añade una turbina adicional para impulsar una hélice ( turbohélice ) o un ventilador entubado ( turbofán ) para reducir el consumo de combustible (al aumentar la eficiencia de propulsión) a velocidades de vuelo subsónicas. También se requiere una turbina adicional para impulsar un rotor de helicóptero o una transmisión de vehículo terrestre ( turboeje ), una hélice marina o un generador eléctrico (turbina de potencia). Se logra una mayor relación empuje-peso para el vuelo con la adición de un postquemador .
El funcionamiento básico de la turbina de gas es un ciclo Brayton con aire como fluido de trabajo : el aire atmosférico fluye a través del compresor que lo lleva a una presión más alta; luego se agrega energía rociando combustible en el aire y encendiéndolo para que la combustión genere un flujo de alta temperatura; este gas presurizado a alta temperatura ingresa a una turbina, produciendo una salida de trabajo del eje en el proceso, que se utiliza para impulsar el compresor; la energía no utilizada sale en los gases de escape que se pueden reutilizar para trabajo externo, como producir directamente empuje en un motor turborreactor o hacer girar una segunda turbina independiente (conocida como turbina de potencia ) que se puede conectar a un ventilador, una hélice o un generador eléctrico. El propósito de la turbina de gas determina el diseño de modo que se logre la división más deseable de energía entre el empuje y el trabajo del eje. Se omite el cuarto paso del ciclo Brayton (enfriamiento del fluido de trabajo), ya que las turbinas de gas son sistemas abiertos que no reutilizan el mismo aire.
Las turbinas de gas se utilizan para impulsar aviones, trenes, barcos, generadores eléctricos, bombas, compresores de gas y tanques . [2]
En una turbina de gas ideal, los gases experimentan cuatro procesos termodinámicos : una compresión isoentrópica , una combustión isobárica (a presión constante), una expansión isoentrópica y una disipación de calor isobárica. En conjunto, estos procesos forman el ciclo Brayton , también conocido como "ciclo de presión constante" . [26] Se distingue del ciclo Otto en que todos los procesos (compresión, combustión por ignición, escape) ocurren al mismo tiempo, de forma continua. [26]
En una turbina de gas real, la energía mecánica se transforma de manera irreversible (debido a la fricción interna y la turbulencia) en presión y energía térmica cuando se comprime el gas (ya sea en un compresor centrífugo o axial ). Se añade calor en la cámara de combustión y el volumen específico del gas aumenta, acompañado de una ligera pérdida de presión. Durante la expansión a través de los conductos del estator y el rotor en la turbina, se produce una transformación irreversible de la energía. Se toma aire fresco, en lugar del calor rechazado.
El aire es tomado por un compresor, llamado generador de gas , con un diseño axial o centrífugo , o una combinación de los dos. [26] Este aire luego se conduce a la sección de la cámara de combustión que puede ser de diseño anular , de lata o de lata-anular . [26] En la sección de la cámara de combustión, aproximadamente el 70% del aire del compresor se conduce alrededor de la propia cámara de combustión con fines de refrigeración. [26] El 30% restante aproximadamente del aire se mezcla con combustible y se enciende por la mezcla de aire y combustible que ya se está quemando , que luego se expande produciendo energía a través de la turbina . [26] Esta expansión de la mezcla luego sale de la sección de la cámara de combustión y su velocidad aumenta a través de la sección de la turbina para golpear las palas de la turbina, haciendo girar el disco al que están unidas, creando así energía útil. De la energía producida, el 60-70% se utiliza únicamente para alimentar el generador de gas. [26] La potencia restante se utiliza para alimentar el uso que se le da al motor, normalmente una aplicación de aviación, ya sea para impulsar un turborreactor , para accionar el ventilador de un turbofán , el rotor o accesorio de un turboeje , y la reducción de engranajes y la hélice de un turbohélice . [27] [26]
Si el motor tiene una turbina de potencia añadida para accionar un generador industrial o el rotor de un helicóptero, la presión de salida será lo más cercana posible a la presión de entrada y quedará solo la energía suficiente para superar las pérdidas de presión en el conducto de escape y expulsar el escape. En el caso de un motor de turbohélice , habrá un equilibrio particular entre la potencia de la hélice y el empuje del chorro que proporciona el funcionamiento más económico. En un motor de turborreactor, solo se extrae del flujo la presión y la energía suficientes para accionar el compresor y otros componentes. Los gases restantes a alta presión se aceleran a través de una tobera para proporcionar un chorro que propulse un avión.
Cuanto más pequeño sea el motor, mayor debe ser la velocidad de rotación del eje para alcanzar la velocidad requerida en la punta de la pala. La velocidad en la punta de la pala determina las relaciones de presión máximas que pueden obtener la turbina y el compresor. Esto, a su vez, limita la potencia y la eficiencia máximas que puede obtener el motor. Para que la velocidad en la punta permanezca constante, si el diámetro de un rotor se reduce a la mitad, la velocidad de rotación debe duplicarse. Por ejemplo, los grandes motores a reacción funcionan a alrededor de 10 000–25 000 rpm, mientras que las microturbinas giran a una velocidad de hasta 500 000 rpm. [28]
Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente menos complejas que los motores alternativos . Las turbinas simples pueden tener una parte móvil principal, el conjunto compresor/eje/rotor de la turbina, con otras partes móviles en el sistema de combustible. Esto, a su vez, puede traducirse en precio. Por ejemplo, con un coste de 10.000 ℛℳ para los materiales, el Jumo 004 resultó más barato que el motor de pistón Junkers 213 , que costaba 35.000 ℛℳ , [29] y necesitaba sólo 375 horas de mano de obra menos cualificada para completarse (incluyendo fabricación, montaje y envío), en comparación con las 1.400 para el BMW 801. [ 30] Esto, sin embargo, también se tradujo en una eficiencia y fiabilidad deficientes. Las turbinas de gas más avanzadas (como las que se encuentran en los motores a reacción modernos o en las centrales eléctricas de ciclo combinado) pueden tener 2 o 3 ejes (carretes), cientos de álabes de compresor y turbina, álabes de estator móviles y una amplia tubería externa para los sistemas de combustible, aceite y aire; Utilizan aleaciones resistentes a la temperatura y están fabricadas con especificaciones estrictas que requieren una fabricación de precisión. Todo esto hace que, a menudo, la construcción de una turbina de gas simple sea más complicada que la de un motor de pistón.
Además, para alcanzar un rendimiento óptimo en las plantas de energía de turbinas de gas modernas, el gas debe prepararse según las especificaciones exactas del combustible. Los sistemas de acondicionamiento de gas combustible tratan el gas natural para alcanzar la especificación exacta del combustible antes de ingresar a la turbina en términos de presión, temperatura, composición del gas y el índice de Wobbe relacionado .
La principal ventaja de un motor de turbina de gas es su relación potencia-peso. [ cita requerida ] Dado que un motor relativamente liviano puede generar un trabajo útil significativo, las turbinas de gas son perfectamente adecuadas para la propulsión de aeronaves.
Los cojinetes de empuje y los cojinetes de fricción son una parte fundamental de un diseño. Son cojinetes de aceite hidrodinámicos o cojinetes de elementos rodantes refrigerados por aceite . Los cojinetes de láminas se utilizan en algunas máquinas pequeñas, como las microturbinas [31] , y también tienen un gran potencial para su uso en pequeñas turbinas de gas o unidades de potencia auxiliares [32].
Un desafío importante que enfrenta el diseño de turbinas, especialmente las palas de turbinas , es reducir la fluencia que se induce por las altas temperaturas y tensiones que se experimentan durante el funcionamiento. Continuamente se buscan temperaturas de funcionamiento más altas para aumentar la eficiencia, pero se obtienen a costa de tasas de fluencia más altas. Por lo tanto, se han empleado varios métodos en un intento de lograr un rendimiento óptimo al tiempo que se limita la fluencia, siendo los más exitosos los recubrimientos de alto rendimiento y las superaleaciones de cristal único . [33] Estas tecnologías funcionan limitando la deformación que se produce por mecanismos que pueden clasificarse ampliamente como deslizamiento por dislocación, ascenso por dislocación y flujo difusional.
Los recubrimientos protectores proporcionan aislamiento térmico a la pala y ofrecen resistencia a la oxidación y la corrosión . Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) suelen ser cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio y los recubrimientos resistentes a la oxidación/corrosión (capas de unión) suelen consistir en aluminuros o aleaciones de MCrAlY (donde M es normalmente Fe y/o Cr). El uso de TBC limita la exposición a la temperatura del sustrato de superaleación, lo que disminuye la difusividad de las especies activas (normalmente vacantes) dentro de la aleación y reduce la dislocación y la fluencia de las vacantes. Se ha descubierto que un recubrimiento de 1 a 200 μm puede reducir las temperaturas de la pala hasta en 200 °C (392 °F). [34] Las capas de unión se aplican directamente sobre la superficie del sustrato mediante carburación en paquete y sirven para el doble propósito de proporcionar una mejor adherencia para el TBC y resistencia a la oxidación para el sustrato. El Al de las capas de unión forma Al2O3 en la interfaz TBC-capa de unión, lo que proporciona resistencia a la oxidación, pero también da como resultado la formación de una zona de interdifusión (ID) indeseable entre sí y el sustrato. [ 35 ] La resistencia a la oxidación supera los inconvenientes asociados con la zona ID, ya que aumenta la vida útil de la pala y limita las pérdidas de eficiencia causadas por una acumulación en el exterior de las palas. [36]
Las superaleaciones a base de níquel presentan una resistencia mejorada y resistencia a la fluencia debido a su composición y microestructura resultante . El níquel gamma (γ) FCC se alea con aluminio y titanio para precipitar una dispersión uniforme de las fases gamma-prima (γ') coherentes de Ni 3 (Al,Ti) . Los precipitados γ' finamente dispersos impiden el movimiento de dislocación e introducen una tensión umbral, aumentando la tensión necesaria para el inicio de la fluencia. Además, γ' es una fase L1 2 ordenada que dificulta que las dislocaciones la superen. [37] Se pueden agregar más elementos refractarios como renio y rutenio en solución sólida para mejorar la resistencia a la fluencia. La adición de estos elementos reduce la difusión de la fase gamma prima, preservando así la resistencia a la fatiga , la fuerza y la resistencia a la fluencia. [38] El desarrollo de superaleaciones monocristalinas también ha llevado a mejoras significativas en la resistencia a la fluencia. Debido a la falta de límites de grano, los monocristales eliminan la fluencia de Coble y, en consecuencia, se deforman en menos modos, lo que disminuye la tasa de fluencia. [39] Aunque los monocristales tienen una fluencia menor a altas temperaturas, tienen tensiones de fluencia significativamente menores a temperatura ambiente, donde la resistencia está determinada por la relación Hall-Petch. Se debe tener cuidado para optimizar los parámetros de diseño para limitar la fluencia a alta temperatura sin disminuir la resistencia a la fluencia a baja temperatura.
Los motores a reacción que respiran aire son turbinas de gas optimizadas para producir empuje a partir de los gases de escape o de ventiladores entubados conectados a las turbinas de gas. [40] Los motores a reacción que producen empuje a partir del impulso directo de los gases de escape a menudo se denominan turborreactores . Si bien todavía están en servicio en muchos operadores militares y civiles, los turborreactores se han eliminado en su mayoría a favor del motor de turbofán debido a la baja eficiencia de combustible del turborreactor y al alto nivel de ruido. [26] Aquellos que generan empuje con la adición de un ventilador entubado se denominan turbofán o (raramente) fan-jets. Estos motores producen casi el 80% de su empuje mediante el ventilador entubado, que se puede ver desde la parte delantera del motor. Vienen en dos tipos, turbofán de baja derivación y turborreactor de alta derivación , la diferencia es la cantidad de aire movido por el ventilador, llamado "aire de derivación". Estos motores ofrecen el beneficio de un mayor empuje sin un consumo adicional de combustible. [26] [27]
Las turbinas de gas también se utilizan en muchos cohetes de combustible líquido , donde se utilizan turbinas de gas para alimentar una turbobomba y permitir el uso de tanques livianos y de baja presión, reduciendo el peso vacío del cohete.
Un motor de turbohélice es un motor de turbina que impulsa una hélice de avión utilizando un engranaje reductor para traducir la alta velocidad de operación de la sección de turbina (a menudo en decenas de miles) en pocas miles necesarias para el funcionamiento eficiente de la hélice. El beneficio de usar el motor de turbohélice es aprovechar la alta relación potencia-peso de los motores de turbina para impulsar una hélice, lo que permite utilizar un motor más potente, pero también más pequeño. [27] Los motores de turbohélice se utilizan en una amplia gama de aviones comerciales como el Pilatus PC-12 , aviones de cercanías como el Beechcraft 1900 y pequeños aviones de carga como el Cessna 208 Caravan o el De Havilland Canada Dash 8 , y aviones grandes (normalmente militares) como el transporte Airbus A400M , el Lockheed AC-130 y el bombardero estratégico Tupolev Tu-95 de 60 años . Si bien los motores turbohélice militares pueden variar, en el mercado civil se pueden encontrar dos motores principales: el Pratt & Whitney Canada PT6 , un motor de turboeje de turbina libre , y el Honeywell TPE331 , un motor de turbina fija (anteriormente designado como Garrett AiResearch 331).
Las turbinas de gas aeroderivadas generalmente se basan en motores de turbina de gas de aeronaves existentes y son más pequeñas y livianas que las turbinas de gas industriales. [41]
Los aeroderivados se utilizan en la generación de energía eléctrica debido a su capacidad de apagarse y manejar cambios de carga más rápidamente que las máquinas industriales. [42] También se utilizan en la industria marina para reducir el peso. Los tipos comunes incluyen el General Electric LM2500 , General Electric LM6000 y las versiones aeroderivadas del Pratt & Whitney PW4000 , Pratt & Whitney FT4 y Rolls-Royce RB211 . [41]
Cada vez se utilizan más turbinas de gas o incluso las construyen aficionados.
En su forma más sencilla, se trata de turbinas comerciales adquiridas a través de excedentes militares o ventas de depósitos de chatarra, que luego se utilizan para exhibirlas como parte del pasatiempo de coleccionar motores. [43] [44] En su forma más extrema, los aficionados incluso han reconstruido motores que no se pueden reparar profesionalmente y luego los han utilizado para competir por el récord de velocidad terrestre.
La forma más simple de turbina de gas de construcción propia emplea un turbocompresor de automóvil como componente principal. Se fabrica una cámara de combustión y se conecta entre las secciones del compresor y la turbina. [45]
También se construyen turborreactores más sofisticados, cuyo empuje y peso ligero son suficientes para propulsar modelos de aviones de gran tamaño. [46] El diseño de Schreckling [46] construye todo el motor a partir de materias primas, incluida la fabricación de una rueda de compresor centrífugo a partir de madera contrachapada, epoxi y hebras de fibra de carbono envueltas.
Varias pequeñas empresas fabrican ahora pequeñas turbinas y piezas para aficionados. La mayoría de los modelos de aviones propulsados por turborreactores utilizan ahora estas microturbinas comerciales y semicomerciales, en lugar de una construcción casera al estilo de Schreckling. [47]
Las turbinas de gas pequeñas se utilizan como unidades de potencia auxiliar (APU) para suministrar energía auxiliar a máquinas móviles más grandes, como un avión , y tienen un diseño de turboeje . [26] Suministran:
Las turbinas de gas industriales se diferencian de los diseños aeronáuticos en que los armazones, los cojinetes y las palas son de construcción más pesada. También están mucho más integradas con los dispositivos que alimentan (a menudo un generador eléctrico ) y el equipo de energía secundaria que se utiliza para recuperar la energía residual (principalmente calor).
Su tamaño varía desde plantas móviles portátiles hasta sistemas complejos y de gran tamaño que pesan más de cien toneladas y se alojan en edificios construidos específicamente para ese fin. Cuando la turbina de gas se utiliza únicamente para generar energía en el eje, su eficiencia térmica es de alrededor del 30 %. Sin embargo, puede resultar más barato comprar electricidad que generarla. Por lo tanto, muchos motores se utilizan en configuraciones de cogeneración (CHP) que pueden ser lo suficientemente pequeñas como para integrarse en configuraciones de contenedores portátiles .
Las turbinas de gas pueden ser particularmente eficientes cuando el calor residual de la turbina se recupera mediante un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG) para alimentar una turbina de vapor convencional en una configuración de ciclo combinado . [48] La General Electric 9HA de 605 MW logró una tasa de eficiencia del 62,22% con temperaturas de hasta 1540 °C (2800 °F). [49] Para 2018, GE ofrece su HA de 826 MW con una eficiencia superior al 64% en ciclo combinado debido a los avances en fabricación aditiva y avances en combustión, frente al 63,7% en los pedidos de 2017 y en camino de alcanzar el 65% a principios de la década de 2020. [50] En marzo de 2018, GE Power logró una eficiencia bruta del 63,08% para su turbina 7HA. [51]
Las turbinas de gas aeroderivadas también se pueden utilizar en ciclos combinados, lo que da lugar a una mayor eficiencia, pero no será tan alta como una turbina de gas industrial diseñada específicamente. También se pueden utilizar en una configuración de cogeneración : el escape se utiliza para calentar el espacio o el agua, o acciona un enfriador de absorción para enfriar el aire de entrada y aumentar la potencia de salida, tecnología conocida como refrigeración del aire de entrada de la turbina .
Otra ventaja importante es su capacidad de encenderse y apagarse en cuestión de minutos, suministrando energía durante la demanda pico o no programada. Dado que las plantas de energía de ciclo único (solo turbinas de gas) son menos eficientes que las plantas de ciclo combinado, generalmente se utilizan como plantas de energía de pico , que funcionan desde varias horas por día hasta unas pocas docenas de horas por año, dependiendo de la demanda de electricidad y la capacidad de generación de la región. En áreas con escasez de capacidad de planta de energía de carga base y de carga posterior o con bajos costos de combustible, una planta de energía de turbina de gas puede funcionar regularmente la mayoría de las horas del día. Una gran turbina de gas de ciclo único generalmente produce de 100 a 400 megavatios de energía eléctrica y tiene un 35-40% de eficiencia termodinámica . [52]
Las turbinas de gas industriales que se utilizan únicamente para accionamiento mecánico o en colaboración con un generador de vapor de recuperación se diferencian de los grupos electrógenos en que suelen ser más pequeñas y presentan un diseño de doble eje en lugar de uno de eje único. El rango de potencia varía de 1 megavatio a 50 megavatios. [ cita requerida ] Estos motores están conectados directamente o mediante una caja de cambios a un conjunto de bomba o compresor. La mayoría de las instalaciones se utilizan en las industrias del petróleo y el gas. Las aplicaciones de accionamiento mecánico aumentan la eficiencia en alrededor de un 2%.
Las plataformas de petróleo y gas necesitan estos motores para impulsar compresores que inyecten gas en los pozos para forzar la subida del petróleo a través de otro pozo o para comprimir el gas para su transporte. También se utilizan a menudo para proporcionar energía a la plataforma. Estas plataformas no necesitan utilizar el motor en colaboración con un sistema de cogeneración debido a que obtienen el gas a un costo extremadamente reducido (a menudo sin quemar gas). Las mismas empresas utilizan grupos de bombas para impulsar los fluidos hasta la tierra y a través de tuberías en varios intervalos.
Un desarrollo moderno busca mejorar la eficiencia de otra manera, separando el compresor y la turbina con un depósito de aire comprimido. En una turbina convencional, hasta la mitad de la energía generada se utiliza para accionar el compresor. En una configuración de almacenamiento de energía de aire comprimido, la energía se utiliza para accionar el compresor y el aire comprimido se libera para hacer funcionar la turbina cuando es necesario.
Los motores de turboeje se utilizan para accionar compresores en estaciones de bombeo de gas y plantas de licuefacción de gas natural. También se utilizan en aviación para propulsar todos los helicópteros modernos, excepto los más pequeños, y funcionan como unidad de potencia auxiliar en grandes aviones comerciales. Un eje primario lleva el compresor y su turbina que, junto con una cámara de combustión, se denomina generador de gas . Por lo general, se utiliza una turbina de potencia que gira por separado para impulsar el rotor de los helicópteros. Permitir que el generador de gas y la turbina de potencia/rotor giren a sus propias velocidades permite una mayor flexibilidad en su diseño.
También conocidas como turbinas de gas en miniatura o micro-jets.
Con esto en mente, el pionero de los modernos Micro-Jets, Kurt Schreckling , produjo una de las primeras Micro-Turbinas del mundo, la FD3/67. [46] Este motor puede producir hasta 22 newtons de empuje, y puede ser construido por la mayoría de las personas con mentalidad mecánica con herramientas de ingeniería básicas, como un torno de metal . [46]
Las microturbinas, que son turbinas de 25 a 500 kilovatios del tamaño de un refrigerador , son una evolución de los turbocompresores de motores de pistón , las APU de aeronaves o los pequeños motores a reacción . Tienen una eficiencia de alrededor del 15 % sin recuperador , del 20 al 30 % con uno y pueden alcanzar una eficiencia termoeléctrica combinada del 85 % en cogeneración . [53]
La mayoría de las turbinas de gas son motores de combustión interna, pero también es posible fabricar una turbina de gas de combustión externa, que es, en realidad, una versión de turbina de un motor de aire caliente . Estos sistemas suelen denominarse EFGT (turbina de gas de combustión externa) o IFGT (turbina de gas de combustión indirecta).
La combustión externa se ha utilizado con el fin de utilizar carbón pulverizado o biomasa finamente molida (como aserrín) como combustible. En el sistema indirecto, se utiliza un intercambiador de calor y solo aire limpio sin productos de combustión circula a través de la turbina de potencia. La eficiencia térmica es menor en el tipo indirecto de combustión externa; sin embargo, las palas de la turbina no están expuestas a los productos de la combustión y se pueden utilizar combustibles de mucha peor calidad (y, por lo tanto, más económicos).
Cuando se utiliza combustión externa, es posible utilizar el aire de escape de la turbina como aire de combustión primario. Esto reduce eficazmente las pérdidas de calor globales, aunque las pérdidas de calor asociadas con el escape de la combustión siguen siendo inevitables.
Las turbinas de gas de ciclo cerrado basadas en helio o dióxido de carbono supercrítico también son prometedoras para su uso en la futura generación de energía solar y nuclear a alta temperatura.
Las turbinas de gas se utilizan a menudo en barcos , locomotoras , helicópteros , tanques y, en menor medida, en automóviles, autobuses y motocicletas.
Una ventaja clave de los reactores y los turbohélices para la propulsión de aviones –su rendimiento superior a gran altitud en comparación con los motores de pistón, en particular los de aspiración natural– es irrelevante en la mayoría de las aplicaciones automovilísticas. Su ventaja en relación potencia-peso, aunque menos crítica que para los aviones, sigue siendo importante.
Las turbinas de gas ofrecen un motor de alta potencia en un paquete muy pequeño y ligero. Sin embargo, no son tan sensibles ni eficientes como los pequeños motores de pistón en el amplio rango de RPM y potencias necesarias en las aplicaciones de vehículos. En los vehículos híbridos en serie , como los motores eléctricos impulsores están mecánicamente separados del motor generador de electricidad, los problemas de capacidad de respuesta, bajo rendimiento a baja velocidad y baja eficiencia a baja potencia son mucho menos importantes. La turbina puede funcionar a la velocidad óptima para su potencia de salida, y las baterías y los ultracondensadores pueden suministrar energía según sea necesario, con el motor encendido y apagado para que funcione solo a alta eficiencia. La aparición de la transmisión continuamente variable también puede aliviar el problema de la capacidad de respuesta.
Históricamente, las turbinas han sido más caras de producir que los motores de pistón, aunque esto se debe en parte a que los motores de pistón se han producido en masa en grandes cantidades durante décadas, mientras que los pequeños motores de turbina de gas son rarezas; sin embargo, las turbinas se producen en masa en la forma estrechamente relacionada del turbocompresor .
El turbocompresor es básicamente una turbina de gas radial de eje libre, compacta y sencilla, que es impulsada por los gases de escape del motor de pistón . La rueda de turbina centrípeta impulsa una rueda de compresor centrífuga a través de un eje giratorio común. Esta rueda sobrealimenta la entrada de aire del motor hasta un grado que se puede controlar por medio de una válvula de descarga o modificando dinámicamente la geometría de la carcasa de la turbina (como en un turbocompresor de geometría variable ). Sirve principalmente como un dispositivo de recuperación de energía que convierte una gran cantidad de energía térmica y cinética que de otro modo se desperdiciaría en impulso del motor.
Los motores turbocompuestos (que se emplean actualmente en algunos camiones semirremolque ) están equipados con turbinas de descarga que son similares en diseño y apariencia a un turbocompresor, excepto que el eje de la turbina está conectado mecánica o hidráulicamente al cigüeñal del motor en lugar de a un compresor centrífugo, lo que proporciona potencia adicional en lugar de refuerzo. Mientras que el turbocompresor es una turbina de presión, una turbina de recuperación de potencia es una turbina de velocidad. [ cita requerida ]
Se han llevado a cabo varios experimentos con automóviles propulsados por turbinas de gas , el más grande de ellos por Chrysler . [54] [55] Más recientemente, ha habido cierto interés en el uso de motores de turbina para automóviles eléctricos híbridos. Por ejemplo, un consorcio liderado por la empresa de microturbinas de gas Bladon Jets ha conseguido una inversión de la Junta de Estrategia Tecnológica para desarrollar un extensor de autonomía ultraligero (ULRE) para vehículos eléctricos de próxima generación. El objetivo del consorcio, que incluye al fabricante de automóviles de lujo Jaguar Land Rover y a la empresa líder en maquinaria eléctrica SR Drives, es producir el primer generador de turbina de gas comercialmente viable -y respetuoso con el medio ambiente- del mundo diseñado específicamente para aplicaciones automotrices. [56]
El turbocompresor común para motores de gasolina o diésel también es un derivado de la turbina.
La primera investigación seria sobre el uso de una turbina de gas en automóviles se realizó en 1946, cuando dos ingenieros, Robert Kafka y Robert Engerstein de Carney Associates, una firma de ingeniería de Nueva York, idearon el concepto de que un diseño único de motor de turbina compacto proporcionaría energía a un automóvil con tracción trasera. Después de que apareciera un artículo en Popular Science , no hubo más trabajo, más allá de la etapa de artículo. [57]
En 1950, el diseñador FR Bell y el ingeniero jefe Maurice Wilks de los fabricantes de automóviles británicos Rover presentaron el primer automóvil propulsado por un motor de turbina de gas. El JET1 biplaza tenía el motor colocado detrás de los asientos, rejillas de entrada de aire a cada lado del automóvil y salidas de escape en la parte superior de la cola. Durante las pruebas, el automóvil alcanzó velocidades máximas de 140 km/h (87 mph), a una velocidad de turbina de 50.000 rpm. Después de ser mostrado en el Reino Unido y los Estados Unidos en 1950, el JET1 se desarrolló aún más y fue sometido a pruebas de velocidad en la autopista Jabbeke en Bélgica en junio de 1952, donde superó los 240 km/h (150 mph). [58] El automóvil funcionaba con gasolina , queroseno o gasóleo , pero los problemas de consumo de combustible resultaron insuperables para un automóvil de producción. El JET1 está en exhibición en el Museo de Ciencias de Londres .
En el Salón del Automóvil de París de octubre de 1952 se exhibió un automóvil francés propulsado por turbina, el SOCEMA-Grégoire. Fue diseñado por el ingeniero francés Jean-Albert Grégoire . [59]
El primer automóvil propulsado por turbina construido en los EE. UU. fue el GM Firebird I, cuyas evaluaciones comenzaron en 1953. Si bien las fotos del Firebird I pueden sugerir que el empuje de la turbina a reacción impulsaba el automóvil como un avión, la turbina en realidad impulsaba las ruedas traseras. El Firebird I nunca fue concebido como un automóvil de pasajeros comercial y se construyó únicamente para pruebas y evaluaciones, así como con fines de relaciones públicas. [60] Se desarrollaron automóviles conceptuales Firebird adicionales, cada uno propulsado por turbinas de gas, para los salones del automóvil Motorama de 1953, 1956 y 1959. El motor de turbina de gas de GM Research también se instaló en una serie de autobuses de tránsito , comenzando con el Turbo-Cruiser I de 1953. [61]
A partir de 1954 con un Plymouth modificado , [62] el fabricante de automóviles estadounidense Chrysler demostró varios prototipos de automóviles propulsados por turbinas de gas desde principios de la década de 1950 hasta principios de la década de 1980. Chrysler construyó cincuenta automóviles con turbina Chrysler en 1963 y realizó la única prueba de consumo de automóviles propulsados por turbinas de gas. [63] Cada una de sus turbinas empleaba un recuperador rotatorio único , conocido como regenerador, que aumentaba la eficiencia. [62]
En 1954, Fiat presentó un prototipo de automóvil con motor de turbina, llamado Fiat Turbina . Este vehículo, que parecía un avión con ruedas, utilizaba una combinación única de propulsión a chorro y motor que impulsaba las ruedas. Se afirmaba que alcanzaba velocidades de 282 km/h (175 mph). [64]
En la década de 1960, Ford y GM también estaban desarrollando semirremolques con turbina de gas. Ford exhibió el Big Red en la Feria Mundial de 1964. [65] Con el remolque, medía 29 m (96 pies) de largo, 4,0 m (13 pies) de alto y estaba pintado de rojo carmesí. Contenía el motor de turbina de gas desarrollado por Ford, con una potencia de salida y un par de 450 kW (600 hp) y 1160 N⋅m (855 lb⋅ft). La cabina contaba con un mapa de carreteras de los EE. UU. continentales, una minicocina, un baño y un televisor para el copiloto. El destino del camión fue desconocido durante varias décadas, pero fue redescubierto a principios de 2021 en manos privadas, después de haber sido restaurado para funcionar. [66] [67] La división Chevrolet de GM construyó la serie Turbo Titan de camiones conceptuales con motores de turbina como análogos de los conceptos Firebird, incluyendo el Turbo Titan I ( c. 1959 , comparte motor GT-304 con Firebird II), Turbo Titan II ( c. 1962 , comparte motor GT-305 con Firebird III) y Turbo Titan III (1965, motor GT-309); además, el camión de turbina de gas GM Bison se mostró en la Feria Mundial de 1964. [68]
Como resultado de las Enmiendas a la Ley de Aire Limpio de los EE. UU. de 1970, se financió la investigación para desarrollar tecnología de turbinas de gas para automóviles. [69] Los conceptos de diseño y los vehículos fueron realizados por Chrysler , General Motors , Ford (en colaboración con AiResearch ) y American Motors (en conjunto con Williams Research ). [70] Se realizaron pruebas a largo plazo para evaluar la relación costo-eficiencia comparable. [71] Varios AMC Hornet fueron impulsados por una pequeña turbina de gas regenerativa Williams que pesaba 250 lb (113 kg) y producía 80 hp (60 kW; 81 PS) a 4450 rpm. [72] [73] [74]
En 1982, General Motors utilizó un Oldsmobile Delta 88 propulsado por una turbina de gas que utilizaba polvo de carbón pulverizado. Esto fue considerado por los Estados Unidos y el mundo occidental para reducir la dependencia del petróleo de Oriente Medio en ese momento [75] [76] [77]
Toyota presentó varios prototipos de automóvil propulsados por turbina de gas, como el Century híbrido de turbina de gas en 1975, el Sports 800 híbrido de turbina de gas en 1979 y el GTV en 1985. No se fabricó ningún vehículo de producción. El motor GT24 se exhibió en 1977 sin vehículo.
A principios de la década de 1990, Volvo presentó el Volvo ECC , que era un vehículo eléctrico híbrido propulsado por turbina de gas . [78]
En 1993, General Motors desarrolló un híbrido de la serie EV1 propulsado por una turbina de gas , como prototipo del General Motors EV1 . Una turbina Williams International de 40 kW impulsaba un alternador que alimentaba el sistema de propulsión eléctrico a batería . El diseño de la turbina incluía un recuperador. En 2006, GM se embarcó en el proyecto del concept car EcoJet con Jay Leno .
En el Salón del Automóvil de París de 2010, Jaguar presentó su prototipo Jaguar C-X75 . Este superdeportivo eléctrico alcanza una velocidad máxima de 328 km/h y puede pasar de 0 a 100 km/h en 3,4 segundos. Utiliza baterías de iones de litio para alimentar cuatro motores eléctricos que se combinan para producir 780 CV. Puede recorrer 109 km con una sola carga de las baterías y utiliza un par de microturbinas de gas Bladon para recargar las baterías, lo que amplía la autonomía a 900 km. [79]
El primer coche de carreras (sólo en concepto) equipado con una turbina fue fabricado en 1955 por un grupo de la Fuerza Aérea de los EE. UU. como un proyecto de pasatiempo con una turbina que les prestó Boeing y un coche de carreras propiedad de la empresa Firestone Tire & Rubber. [80] El primer coche de carreras equipado con una turbina con el objetivo de competir realmente fue fabricado por Rover y el equipo de Fórmula Uno BRM unió fuerzas para producir el Rover-BRM , un cupé propulsado por turbina de gas, que participó en las 24 Horas de Le Mans de 1963 , conducido por Graham Hill y Richie Ginther . Alcanzaba una velocidad media de 107,8 mph (173,5 km/h) y una velocidad máxima de 142 mph (229 km/h). El estadounidense Ray Heppenstall se unió a Howmet Corporation y McKee Engineering para desarrollar su propio coche deportivo de turbina de gas en 1968, el Howmet TX , que corrió en varios eventos estadounidenses y europeos, incluidas dos victorias, y también participó en las 24 Horas de Le Mans de 1968 . Los coches utilizaban turbinas de gas Continental , que acabaron estableciendo seis récords de velocidad en tierra de la FIA para coches propulsados por turbinas. [81]
En el mundo de las carreras de ruedas abiertas , el revolucionario STP-Paxton Turbocar de 1967, presentado por la leyenda de las carreras y el emprendimiento Andy Granatelli y conducido por Parnelli Jones , casi ganó las 500 Millas de Indianápolis ; el coche de turbina con motor Pratt & Whitney ST6B-62 estaba casi una vuelta por delante del coche que ocupaba el segundo puesto cuando un cojinete de la caja de cambios falló a solo tres vueltas de la línea de meta. Al año siguiente, el coche de turbina STP Lotus 56 ganó la pole position de las 500 Millas de Indianápolis a pesar de que las nuevas reglas restringían drásticamente la entrada de aire. En 1971, el director del equipo Lotus, Colin Chapman , presentó el coche de Fórmula 1 Lotus 56B , impulsado por una turbina de gas Pratt & Whitney STN 6/76 . Chapman tenía reputación de construir coches ganadores de campeonatos radicales, pero tuvo que abandonar el proyecto porque había demasiados problemas con el retraso del turbo .
General Motors instaló la serie GT-30x de turbinas de gas (denominadas "Whirlfire") en varios prototipos de autobuses en las décadas de 1950 y 1960, incluidos el Turbo-Cruiser I (1953, GT-300); el Turbo-Cruiser II (1964, GT-309); el Turbo-Cruiser III (1968, GT-309); el RTX (1968, GT-309); y el RTS 3T (1972). [82]
La llegada de la turbina Capstone ha dado lugar a varios diseños de autobuses híbridos, empezando por el HEV-1 de AVS de Chattanooga, Tennessee en 1999, y seguido de cerca por Ebus e ISE Research en California, y DesignLine Corporation en Nueva Zelanda (y más tarde en los Estados Unidos). Los híbridos de turbina de AVS estuvieron plagados de problemas de fiabilidad y control de calidad, lo que dio lugar a la liquidación de AVS en 2003. El diseño más exitoso de Designline se utiliza ahora en 5 ciudades de 6 países, con más de 30 autobuses en funcionamiento en todo el mundo y pedidos de varios cientos de ellos entregados a Baltimore y la ciudad de Nueva York.
Brescia, Italia, utiliza autobuses híbridos en serie propulsados por microturbinas en rutas que recorren las secciones históricas de la ciudad. [83]
La MTT Turbine Superbike apareció en el año 2000 (de ahí la denominación de Y2K Superbike por parte de MTT) y es la primera motocicleta de producción impulsada por un motor de turbina, en concreto, un motor turboeje Rolls-Royce Allison modelo 250, que produce unos 283 kW (380 CV). Probada a una velocidad de 365 km/h (según algunas historias, el equipo de pruebas se quedó sin carretera durante la prueba), ostenta el récord mundial Guinness de la motocicleta de producción más potente y la motocicleta de producción más cara, con un precio de 185.000 dólares estadounidenses.
Varias clases de locomotoras han sido impulsadas por turbinas de gas, siendo la encarnación más reciente el JetTrain de Bombardier .
La división de desarrollo del Heer de la Wehrmacht del Tercer Reich , el Heereswaffenamt (Junta de Artillería del Ejército), estudió varios diseños de motores de turbina de gas para su uso en tanques a partir de mediados de 1944. El primer diseño de motor de turbina de gas destinado a su uso en la propulsión de vehículos de combate blindados, el GT 101 basado en el BMW 003 , estaba destinado a su instalación en el tanque Panther . [84] Hacia el final de la guerra, un Jagdtiger fue equipado con una de las turbinas de gas antes mencionadas. [85]
El segundo uso de una turbina de gas en un vehículo de combate blindado fue en 1954 cuando una unidad, PU2979, desarrollada específicamente para tanques por CA Parsons and Company , se instaló y probó en un tanque británico Conqueror . [86] El Stridsvagn 103 se desarrolló en la década de 1950 y fue el primer tanque de batalla principal producido en masa en usar un motor de turbina, el Boeing T50 . Desde entonces, los motores de turbina de gas se han utilizado como unidades de potencia auxiliares en algunos tanques y como plantas motrices principales en los T-80 soviéticos/rusos y los tanques M1 Abrams estadounidenses , entre otros. Son más ligeros y más pequeños que los motores diésel con la misma potencia sostenida, pero los modelos instalados hasta la fecha son menos eficientes en el consumo de combustible que el diésel equivalente, especialmente al ralentí, requiriendo más combustible para lograr el mismo alcance de combate. Los modelos sucesivos de M1 han abordado este problema con paquetes de baterías o generadores secundarios para alimentar los sistemas del tanque mientras está parado, ahorrando combustible al reducir la necesidad de ralentí de la turbina principal. Los T-80 pueden montar tres grandes tambores de combustible externos para ampliar su alcance. Rusia ha detenido la producción del T-80 en favor del T-90 con motor diésel (basado en el T-72 ), mientras que Ucrania ha desarrollado los T-80UD y T-84 con motor diésel con casi la potencia del tanque de turbina de gas. El motor diésel del tanque francés Leclerc cuenta con el sistema de sobrealimentación híbrido "Hyperbar", donde el turbocompresor del motor se reemplaza completamente por una pequeña turbina de gas que también funciona como un turbocompresor de escape diésel asistido, lo que permite un control del nivel de sobrealimentación independiente de las RPM del motor y se puede alcanzar una presión de sobrealimentación máxima más alta (que con los turbocompresores ordinarios). Este sistema permite utilizar un motor de menor cilindrada y más ligero como planta motriz del tanque y elimina eficazmente el retraso del turbo . Esta turbina de gas/turbocompresor especial también puede funcionar independientemente del motor principal como una APU ordinaria.
En teoría, una turbina es más fiable y fácil de mantener que un motor de pistón, ya que tiene una construcción más sencilla con menos piezas móviles, pero en la práctica, las piezas de la turbina experimentan un mayor índice de desgaste debido a sus mayores velocidades de trabajo. Los álabes de la turbina son muy sensibles al polvo y a la arena fina, por lo que en las operaciones en el desierto hay que instalar y cambiar filtros de aire varias veces al día. Un filtro mal instalado o un fragmento de bala o de casquillo que perfore el filtro pueden dañar el motor. Los motores de pistón (especialmente si están turboalimentados) también necesitan filtros bien mantenidos, pero son más resistentes si el filtro falla.
Como la mayoría de los motores diésel modernos utilizados en tanques, las turbinas de gas suelen ser motores multicombustible.
Las turbinas de gas se utilizan en muchos buques de guerra , donde son valoradas por su elevada relación potencia-peso y la consiguiente aceleración y capacidad de los barcos para ponerse en marcha rápidamente.
El primer buque de guerra propulsado por turbina de gas fue el cañonero a motor MGB 2009 (anteriormente MGB 509 ) de la Royal Navy, reconvertido en 1947. Metropolitan-Vickers equipó su motor a reacción F2/3 con una turbina de potencia. El cañonero a vapor Grey Goose se reconvirtió a turbinas de gas Rolls-Royce en 1952 y funcionó como tal desde 1953. [87] Las lanchas patrulleras rápidas de la clase Bold , Bold Pioneer y Bold Pathfinder, construidas en 1953, fueron los primeros barcos creados específicamente para la propulsión por turbina de gas. [88]
Los primeros buques de gran tamaño propulsados parcialmente por turbinas de gas fueron las fragatas Tipo 81 (clase Tribal) de la Marina Real Británica, con motores combinados de vapor y gas . El primero, el HMS Ashanti, entró en servicio en 1961.
La Armada alemana lanzó la primera fragata clase Köln en 1961 con dos turbinas de gas Brown, Boveri & Cie en el primer sistema de propulsión combinado de diésel y gas del mundo .
En 1962, la Armada Soviética puso en servicio el primero de los 25 destructores de la clase Kashin con cuatro turbinas de gas en un sistema de propulsión combinado de gas y gas . Estos buques utilizaban cuatro turbinas de gas M8E, que generaban entre 54.000 y 72.000 kW (entre 72.000 y 96.000 CV). Estos buques fueron los primeros grandes buques del mundo en ser propulsados únicamente por turbinas de gas.
La Armada danesa tuvo 6 torpederos clase Søløven (la versión de exportación del patrullero rápido clase Brave británico ) en servicio desde 1965 a 1990, que tenían 3 turbinas de gas marinas Bristol Proteus (más tarde RR Proteus) con una potencia nominal de 9.510 kW (12.750 shp) combinadas, más dos motores diésel General Motors , con una potencia nominal de 340 kW (460 shp), para un mejor ahorro de combustible a velocidades más lentas. [89] Y también produjeron 10 lanchas torpederas/misiles guiados clase Willemoes (en servicio desde 1974 hasta 2000) que tenían 3 turbinas de gas Rolls-Royce Marine Proteus también con una potencia nominal de 9.510 kW (12.750 shp), igual que las lanchas clase Søløven, y 2 motores diésel General Motors, con una potencia nominal de 600 kW (800 shp), también para mejorar la economía de combustible a bajas velocidades. [90]
La Armada sueca fabricó seis torpederos de la clase Spica entre 1966 y 1967, propulsados por tres turbinas Bristol Siddeley Proteus 1282 , cada una de las cuales desarrollaba 3210 kW (4300 shp). Más tarde se les unieron 12 buques mejorados de la clase Norrköping, que todavía contaban con los mismos motores. Con sus tubos de torpedos de popa reemplazados por misiles antibuque, sirvieron como lanchas lanzamisiles hasta que el último fue retirado en 2005. [91]
La Armada finlandesa puso en servicio dos corbetas de la clase Turunmaa , la Turunmaa y la Karjala , en 1968. Estaban equipadas con una turbina de gas Rolls-Royce Olympus TM1 de 16.410 kW (22.000 shp) y tres motores diésel marinos Wärtsilä para velocidades más lentas. Eran los buques más rápidos de la Armada finlandesa; alcanzaban regularmente velocidades de 35 nudos y 37,3 nudos durante las pruebas en el mar. Las Turunmaa fueron desmanteladas en 2002. La Karjala es hoy un barco museo en Turku , y la Turunmaa sirve como taller de máquinas flotante y barco de entrenamiento para la Escuela Politécnica Satakunta.
La siguiente serie de buques de guerra importantes fueron los cuatro destructores canadienses portadores de helicópteros de clase Iroquois , encargados por primera vez en 1972. Utilizaban motores de propulsión principales de 2 pies 4 pulgadas, 2 motores de crucero de 2 pies 12 pulgadas y 3 generadores Solar Saturn de 750 kW.
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El primer buque estadounidense propulsado por turbina de gas fue el Point Thatcher de la Guardia Costera estadounidense , un cúter puesto en servicio en 1961 que estaba propulsado por dos turbinas de 750 kW (1000 shp) que utilizaban hélices de paso controlable. [92] Los cúteres de alta resistencia de clase Hamilton , de mayor tamaño , fueron la primera clase de cúteres de mayor tamaño en utilizar turbinas de gas, el primero de los cuales ( el USCGC Hamilton ) se puso en servicio en 1967. Desde entonces, han propulsado las fragatas de clase Oliver Hazard Perry , los destructores de clase Spruance y Arleigh Burke y los cruceros de misiles guiados de clase Ticonderoga de la Armada de los EE. UU . El USS Makin Island , un buque de asalto anfibio de clase Wasp modificado , será el primer buque de asalto anfibio de la Armada propulsado por turbinas de gas. La turbina de gas marina opera en una atmósfera más corrosiva debido a la presencia de sal marina en el aire y el combustible y al uso de combustibles más baratos.
Hasta finales de la década de 1940, gran parte del progreso en materia de turbinas de gas para usos marítimos en todo el mundo se llevó a cabo en oficinas de diseño y talleres de construcción de motores, y el trabajo de desarrollo estuvo a cargo de la Marina Real Británica y otras armadas. Si bien el interés por las turbinas de gas para usos marítimos, tanto navales como mercantes, siguió aumentando, la falta de disponibilidad de los resultados de la experiencia operativa de los primeros proyectos de turbinas de gas limitó el número de nuevos emprendimientos en buques comerciales marítimos.
En 1951, el petrolero diésel-eléctrico Auris , de 12.290 toneladas de peso muerto (DWT), fue utilizado para obtener experiencia operativa con una turbina de gas de propulsión principal en condiciones de servicio en el mar y, de esta manera, se convirtió en el primer buque mercante oceánico propulsado por una turbina de gas. Construido por Hawthorn Leslie en Hebburn-on-Tyne , Reino Unido, de acuerdo con los planos y especificaciones elaborados por la Anglo-Saxon Petroleum Company y botado en el 21.º cumpleaños de la Princesa Isabel del Reino Unido en 1947, el barco fue diseñado con un diseño de sala de máquinas que permitiría el uso experimental de combustible pesado en uno de sus motores de alta velocidad, así como la futura sustitución de uno de sus motores diésel por una turbina de gas. [93] El Auris operó comercialmente como petrolero durante tres años y medio con una unidad de propulsión diésel-eléctrica como se puso en servicio originalmente, pero en 1951 uno de sus cuatro motores diésel de 824 kW (1105 bhp), que se conocían como "Faith", "Hope", "Charity" y "Prudence", fue reemplazado por el primer motor de turbina de gas marino del mundo, un turboalternador de gas de ciclo abierto de 890 kW (1200 bhp) construido por British Thompson-Houston Company en Rugby . Después de pruebas de mar exitosas frente a la costa de Northumbria, el Auris zarpó de Hebburn-on-Tyne en octubre de 1951 con destino a Port Arthur en los EE. UU. y luego a Curazao en el sur del Caribe, regresando a Avonmouth después de 44 días en el mar, completando con éxito su histórica travesía transatlántica. Durante este tiempo en el mar, la turbina de gas quemó combustible diésel y funcionó sin paradas involuntarias o dificultad mecánica de ningún tipo. Posteriormente visitó Swansea, Hull, Rotterdam , Oslo y Southampton, recorriendo un total de 13.211 millas náuticas. A continuación, se reemplazaron todos los motores del Auris por una turbina de gas acoplada directamente de 3.910 kW (5.250 shp) para convertirse en el primer buque civil en funcionar únicamente con energía de turbina de gas.
A pesar del éxito de este primer viaje experimental, la turbina de gas no sustituyó al motor diésel como sistema de propulsión de los grandes buques mercantes. A velocidades de crucero constantes, el motor diésel no tenía rival en el vital aspecto del ahorro de combustible. La turbina de gas sí tuvo más éxito en los buques de la Marina Real Británica y en otras flotas navales del mundo, donde los buques de guerra en acción requieren cambios de velocidad repentinos y rápidos. [94]
La Comisión Marítima de los Estados Unidos estaba buscando opciones para actualizar los barcos Liberty de la Segunda Guerra Mundial , y las turbinas de gas de servicio pesado fueron una de las seleccionadas. En 1956, el John Sergeant fue alargado y equipado con una turbina de gas HD General Electric de 4900 kW (6600 shp) con regeneración de gases de escape, engranaje reductor y una hélice de paso variable . Funcionó durante 9700 horas utilizando combustible residual ( Bunker C ) durante 7000 horas. La eficiencia del combustible estaba a la par con la propulsión a vapor a 0,318 kg/kW (0,523 lb/hp) por hora, [95] y la potencia de salida fue mayor de lo esperado a 5603 kW (7514 shp) debido a que la temperatura ambiente de la ruta del Mar del Norte era menor que la temperatura de diseño de la turbina de gas. Esto le dio al barco una capacidad de velocidad de 18 nudos, en comparación con los 11 nudos con el motor original, y muy por encima de los 15 nudos previstos. El barco realizó su primera travesía transatlántica con una velocidad promedio de 16,8 nudos, a pesar de algunas condiciones meteorológicas adversas en el camino. El combustible Bunker C adecuado solo estaba disponible en puertos limitados porque la calidad del combustible era de naturaleza crítica. El fueloil también tenía que ser tratado a bordo para reducir los contaminantes y este era un proceso que requería mucha mano de obra y que no era adecuado para la automatización en ese momento. Finalmente, la hélice de paso variable, que era de un diseño nuevo y no probado, terminó la prueba, ya que tres inspecciones anuales consecutivas revelaron grietas por tensión. Sin embargo, esto no se reflejó mal en el concepto de turbina de gas para propulsión marina, y la prueba fue un éxito en general. El éxito de esta prueba abrió el camino para un mayor desarrollo por parte de GE sobre el uso de turbinas de gas de alta densidad para uso marino con combustibles pesados. [96] El John Sergeant fue desguazado en 1972 en Portsmouth PA.
Boeing lanzó su primer hidroplano propulsado por chorro de agua para transporte de pasajeros, el Boeing 929 , en abril de 1974. Estos barcos estaban propulsados por dos turbinas de gas Allison 501 -KF. [97]
Entre 1971 y 1981, Seatrain Lines operó un servicio regular de contenedores entre puertos en la costa este de los Estados Unidos y puertos en el noroeste de Europa a través del Atlántico Norte con cuatro buques portacontenedores de 26.000 toneladas DWT. Esos barcos estaban propulsados por turbinas de gas gemelas Pratt & Whitney de la serie FT 4. Los cuatro barcos de la clase se llamaban Euroliner , Eurofreighter , Asialiner y Asiafreighter . Después de los dramáticos aumentos de precios de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) de mediados de la década de 1970, las operaciones se vieron limitadas por el aumento de los costos del combustible. Se realizaron algunas modificaciones de los sistemas de motor en esos barcos para permitir la quema de un grado inferior de combustible (es decir, diésel marino ). La reducción de los costos de combustible fue exitosa utilizando un combustible diferente no probado en una turbina de gas marina, pero los costos de mantenimiento aumentaron con el cambio de combustible. Después de 1981, los barcos se vendieron y se reacondicionaron con lo que, en ese momento, eran motores diésel más económicos, pero el mayor tamaño del motor redujo el espacio de carga. [ cita requerida ]
El primer transbordador de pasajeros en utilizar una turbina de gas fue el GTS Finnjet , construido en 1977 y propulsado por dos turbinas Pratt & Whitney FT 4C-1 DLF, que generaban 55.000 kW (74.000 shp) y propulsaban el barco a una velocidad de 31 nudos. Sin embargo, el Finnjet también ilustró las deficiencias de la propulsión con turbina de gas en los barcos comerciales, ya que los altos precios del combustible hicieron que su operación no fuera rentable. Después de cuatro años de servicio, se instalaron motores diésel adicionales en el barco para reducir los costos de funcionamiento durante la temporada baja. El Finnjet también fue el primer barco con una propulsión combinada diésel-eléctrica y de gas . Otro ejemplo del uso comercial de turbinas de gas en un barco de pasajeros son los transbordadores fastcraft de clase HSS de Stena Line . Los buques Stena Explorer , Stena Voyager y Stena Discovery de la clase HSS 1500 utilizan configuraciones combinadas de gas y gas con dos turbinas GE LM2500 más una GE LM1600 para un total de 68.000 kW (91.000 shp). El Stena Carisma de la clase HSS 900, ligeramente más pequeño , utiliza dos turbinas ABB – STAL GT35 con una potencia bruta de 34.000 kW (46.000 shp). El Stena Discovery fue retirado del servicio en 2007, otra víctima de los costos demasiado altos del combustible. [ cita requerida ]
En julio de 2000, el Millennium se convirtió en el primer crucero propulsado por turbinas de gas y de vapor. El barco contaba con dos generadores de turbina de gas LM2500 de General Electric cuyo calor de escape se utilizaba para hacer funcionar un generador de turbina de vapor en una configuración combinada de gas, electricidad y vapor ( COGES ). La propulsión la proporcionaban dos módulos azimutales Rolls-Royce Mermaid accionados eléctricamente. El transatlántico RMS Queen Mary 2 utiliza una configuración combinada de diésel y gas. [98]
En aplicaciones de carreras marinas, el catamarán Mystic C5000 Miss GEICO 2010 utiliza dos turbinas Lycoming T-55 para su sistema de energía. [ cita requerida ]
La tecnología de las turbinas de gas ha avanzado de manera constante desde sus inicios y continúa evolucionando. El desarrollo está produciendo activamente turbinas de gas más pequeñas y motores más potentes y eficientes. Para ayudar a estos avances se cuenta con el diseño basado en computadora (específicamente, la dinámica de fluidos computacional y el análisis de elementos finitos ) y el desarrollo de materiales avanzados: materiales de base con una resistencia superior a altas temperaturas (por ejemplo, superaleaciones monocristalinas que presentan una anomalía en el límite elástico ) o recubrimientos de barrera térmica que protegen el material estructural de temperaturas cada vez más altas. Estos avances permiten relaciones de compresión y temperaturas de entrada a la turbina más altas , una combustión más eficiente y una mejor refrigeración de las piezas del motor.
La dinámica de fluidos computacional (CFD) ha contribuido a mejoras sustanciales en el rendimiento y la eficiencia de los componentes de los motores de turbinas de gas a través de una mejor comprensión de los complejos fenómenos de flujo viscoso y transferencia de calor involucrados. Por esta razón, la CFD es una de las herramientas computacionales clave utilizadas en el diseño y desarrollo de motores de turbinas de gas [99] [100] .
Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas prácticamente se duplicaron al incorporar refrigeración intermedia, regeneración (o recuperación) y recalentamiento. Estas mejoras, por supuesto, se producen a expensas de mayores costos iniciales y de operación, y no se pueden justificar a menos que la disminución de los costos del combustible compense el aumento de otros costos. Los precios relativamente bajos del combustible, el deseo general en la industria de minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a aproximadamente el 40 por ciento dejaron poco deseo de optar por estas modificaciones. [101]
En lo que respecta a las emisiones, el desafío consiste en aumentar las temperaturas de entrada de la turbina y, al mismo tiempo, reducir la temperatura pico de llama para lograr emisiones de NOx más bajas y cumplir con las últimas regulaciones sobre emisiones. En mayo de 2011, Mitsubishi Heavy Industries logró una temperatura de entrada de la turbina de 1.600 °C (2.900 °F) en una turbina de gas de 320 megavatios y 460 MW en aplicaciones de generación de energía de ciclo combinado con turbina de gas en las que la eficiencia térmica bruta supera el 60%. [102] [103]
En la década de 1990, se introdujeron comercialmente los cojinetes de láminas flexibles en las turbinas de gas. Estos pueden soportar más de cien mil ciclos de arranque y parada y han eliminado la necesidad de un sistema de aceite. La aplicación de la microelectrónica y la tecnología de conmutación de potencia han permitido el desarrollo de la generación de electricidad comercialmente viable mediante microturbinas para la distribución y la propulsión de vehículos.
En 2013, General Electric comenzó el desarrollo del GE9X con una relación de compresión de 61:1. [104]
Las siguientes son ventajas y desventajas de los motores de turbina de gas: [105]
Las ventajas incluyen:
Las desventajas incluyen:
Los códigos de prueba británicos, alemanes, nacionales e internacionales se utilizan para estandarizar los procedimientos y las definiciones que se utilizan para probar las turbinas de gas. La selección del código de prueba que se utilizará es un acuerdo entre el comprador y el fabricante, y tiene cierta importancia para el diseño de la turbina y los sistemas asociados. En los Estados Unidos, ASME ha elaborado varios códigos de prueba de rendimiento para turbinas de gas, entre ellos ASME PTC 22–2014. Estos códigos de prueba de rendimiento de ASME han obtenido reconocimiento y aceptación internacional para probar turbinas de gas. La característica más importante y diferenciadora de los códigos de prueba de rendimiento de ASME, incluido PTC 22, es que la incertidumbre de la prueba de la medición indica la calidad de la prueba y no debe utilizarse como una tolerancia comercial.
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