La turbina de gas Holzwarth es un tipo de turbina de gas de explosión o de volumen constante en la que se introduce una mezcla de aire y combustible , se enciende y luego se expulsa desde cámaras de combustión controladas por válvulas. La turbina de gas Holzwarth recibe su nombre de su desarrollador, Hans Holzwarth (1877-1953), quien diseñó varios prototipos de motores utilizados para pruebas y servicio experimental en Alemania y Suiza entre 1908 y 1943.
Los primeros intentos de construir turbinas de gas prácticas se enfrentaron a la baja eficiencia de los turbocompresores contemporáneos, ya que consumían casi toda la energía suministrada por la turbina. En una turbina de gas Holzwarth, no se necesita una alta eficiencia del compresor, ya que casi todo el aumento de presión se produce en cámaras de combustión selladas. El inconveniente de este enfoque son las altas pérdidas de calor hacia la camisa de agua circundante y, en consecuencia, la baja eficiencia del ciclo.
La última y mayor turbina de gas de Holzwarth fue una unidad de 5.000 kilovatios (6.705 hp) suministrada a la acería Thyssen en Hamborn durante 1938. La turbina funcionó de manera experimental hasta 1943, cuando resultó dañada durante un ataque aéreo . La máquina no fue reparada y no se construyeron más turbinas de gas de Holzwarth.
Después de completar sus estudios de ingeniería mecánica en la Universidad de Stuttgart , Hans Holzwarth pasó un corto período de tiempo trabajando para la empresa manufacturera MAN antes de unirse a Hooven-Owens-Rentschler en los Estados Unidos, donde trabajó en el diseño de turbinas de vapor . Fue en 1903, mientras era empleado de Hooven-Owens-Rentschler, cuando Holzwarth patentó por primera vez su diseño para una turbina de gas de explosión, o de volumen constante. [1] [2] Holzwarth pasó a dedicar su carrera al desarrollo de la turbina de gas de explosión y se le concedieron casi 200 patentes, la última publicada póstumamente en 1957. [2] Entre 1906 y 1908, Holzwarth construyó una pequeña máquina de demostración en el taller de los hermanos Körting en Hannover . [3] [4] Esta primera máquina ahora está en exhibición en el Deutsches Museum de Múnich . [5]
En las turbinas de gas de presión constante modernas, se necesita un compresor para suministrar aire presurizado a la cámara de combustión y que al mismo tiempo sea lo suficientemente eficiente como para no consumir demasiada potencia de la turbina. [2] La eficiencia relativamente baja de los primeros compresores centrífugos hizo que la construcción de una turbina de gas de presión constante comercialmente viable fuera poco práctica. [4] En el diseño de volumen constante de Holzwarth, la combustión tiene lugar en una cámara cerrada donde la mezcla de aire y combustible se enciende eléctricamente de una manera similar al ciclo Otto en los motores de encendido por chispa . Dado que el aumento de presión es impulsado principalmente por la expansión explosiva de los gases en la cámara de combustión, no se necesita un compresor eficiente. [2]
El diseño de Holzwarth atrajo la atención de Brown, Boveri & Cie , que había colaborado en la turbina de gas Armengaud-Lemale de 1906 , que no había podido generar energía utilizable en parte debido a la baja eficiencia del compresor. [4] A partir de 1909, Holzwarth trabajó con Brown, Boveri & Cie para construir una turbina de gas de 1000 caballos de fuerza (746 kW) lista para el mercado; sin embargo, la producción y la eficiencia estaban por debajo de las expectativas y Brown, Boveri & Cie se retiró del proyecto en 1912. [6]
Holzwarth continuó trabajando en su diseño mientras trabajaba como ingeniero jefe de turbinas de gas en Thyssen. En 1923, se entregó un prototipo de máquina a los ferrocarriles estatales prusianos , donde se utilizó para accionar un generador de 350 kilovatios (469 hp) durante varios años. Durante este período se llevaron a cabo pruebas utilizando 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. [2] [3]
En 1927, Aurel Stodola probó una turbina de gas Holzwarth alimentada con fueloil de 500 kilovatios (671 hp) y descubrió que solo el 8% de la energía del combustible se transformaba en energía mecánica y la mayor parte de la energía restante se perdía en la camisa de agua de refrigeración. [2] Los ingenieros de Brown, Boveri & Cie reconocieron que el calor perdido en el agua de refrigeración podía usarse para impulsar una turbina de vapor. Esto condujo al desarrollo de las calderas Velox , que tuvieron éxito comercial y que, a su vez, condujeron al desarrollo de las primeras turbinas de gas industriales modernas. [6]
En 1928, Holzwarth colaboró nuevamente con Brown, Boveri & Cie 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 vapor 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 2000 kilovatios (2682 hp) se instaló en la acería Thyssen en Hamborn, donde inicialmente funcionó con fueloil y más tarde con gas de alto horno . [6]
La última turbina de gas de Holzwarth fue una máquina experimental de 5.000 kilovatios (6.705 hp) construida por la fábrica de Brown, Boveri & Cie 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 solo se puso en funcionamiento con poca frecuencia y no formaba parte del equipo regular 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. [3]
La cámara de combustión (A) se llena de forma intermitente con una mezcla de aire y combustible suministrada por la cámara de gas (C) y la cámara de aire (B). La mezcla de aire y combustible se enciende mediante una chispa, tras lo cual la explosión de la mezcla provoca un aumento de la presión que abre la válvula de la tobera (F), lo que permite que los gases comprimidos fluyan a través de la tobera (G) hasta la rueda de la turbina (H) en la que se va a realizar el trabajo. Al pasar por la tobera, los gases se expanden hasta alcanzar la presión del escape (J). La válvula de la tobera (F) se mantiene abierta gracias al aire fresco durante la expansión y la posterior limpieza y enfriamiento. [7] [8]
Una vez completada 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 de aire y combustible que se enciende mediante una chispa. Para que los impulsos impartidos a la rueda de la turbina sean más uniformes, se disponen varias cámaras de combustión que funcionan alternativamente en un círculo alrededor de la rueda de la turbina (H). [7] [8]
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) [7]; en los modelos posteriores, se utilizaba 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 . [4]
Las dos turbinas de gas Holzwarth construidas por Brown, Boveri & Cie 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. [4] 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. [6]
Este primer prototipo de turbina de gas Holzwarth está expuesto en el Deutsches Museum de Múnich . [5]
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