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Una turbina de gas o motor de turbina de gas , por su antiguo nombre turbina de combustión interna , es un tipo de motor de combustión interna de flujo continuo . [1] Las principales partes comunes a todos los motores de turbina de gas forman la parte productora de energía (conocida como generador o núcleo de gas) y son, en la dirección del flujo:
Se deben agregar componentes adicionales al generador de gas para adaptarlo a su aplicación. Todos tienen en común una entrada de aire, pero con diferentes configuraciones para adaptarse a las necesidades de uso marítimo, uso terrestre o vuelo a velocidades que varían desde estacionarias hasta supersónicas. Se agrega una boquilla propulsora para producir empuje para el vuelo. Se agrega una turbina adicional para impulsar una hélice ( turbohélice ) o un ventilador con conductos ( turbofán ) para reducir el consumo de combustible (al aumentar la eficiencia propulsora) a velocidades de vuelo subsónicas. También se necesita una turbina adicional para accionar el rotor de un helicóptero o la transmisión de un 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 mayor presión; 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 en el proceso una salida de trabajo del eje, que se utiliza para impulsar el compresor; La energía no utilizada sale en los gases de escape que pueden reutilizarse para trabajos externos, como producir directamente empuje en un motor turborreactor o hacer girar una segunda turbina independiente (conocida como turbina de potencia ) que puede conectarse a un ventilador, hélice. , o 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 isentrópica , una combustión isobárica (presión constante), una expansión isentrópica y una expulsión de calor. En conjunto, estos forman el ciclo de Brayton , también conocido como "ciclo de presión constante" . [24] Se distingue del ciclo Otto , en que todos los procesos (compresión, encendido, combustión, escape), ocurren al mismo tiempo, de forma continua. [24]
En una turbina de gas real, la energía mecánica se transforma irreversiblemente (debido a la fricción interna y la turbulencia) en presión y energía térmica cuando el gas se comprime (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 del rotor de la turbina, se produce una vez más una transformación de energía irreversible. Se aspira aire fresco en lugar de expulsar el calor.
El aire es aspirado por un compresor, llamado generador de gas , con diseño axial o centrífugo , o una combinación de ambos. [24] 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 . [24] En la sección de la cámara de combustión, aproximadamente el 70% del aire del compresor se conduce alrededor de la propia cámara de combustión para fines de refrigeración. [24] El restante aproximadamente 30% del aire se mezcla con combustible y se enciende mediante la mezcla de aire y combustible que ya está ardiendo , que luego se expande produciendo energía a través de la turbina . [24] Esta expansión de la mezcla luego sale de la sección de la cámara de combustión y aumenta su velocidad 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, entre el 60% y el 70% se utiliza únicamente para alimentar el generador de gas. [24] La potencia restante se utiliza para impulsar aquello para lo que se utiliza el motor, típicamente una aplicación de aviación, siendo empujado en un turborreactor , impulsando el ventilador de un turboventilador , el rotor o accesorio de un turboeje , y la reducción de engranajes y la hélice de un turbohélice . [25] [24]
Si al motor se le agrega una turbina de potencia para impulsar un generador industrial o el rotor de un helicóptero, la presión de salida será lo más cercana posible a la presión de entrada y solo quedará suficiente energía para superar las pérdidas de presión en los conductos de escape y expulsar el escape. Para un motor turbohélice habrá un equilibrio particular entre la potencia de la hélice y el empuje del jet que proporciona el funcionamiento más económico. En un motor turborreactor sólo se extrae del flujo suficiente presión y energía para accionar el compresor y otros componentes. Los gases restantes a alta presión se aceleran a través de una boquilla para proporcionar un chorro para impulsar 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 de 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 máxima potencia y eficiencia que puede obtener el motor. Para que la velocidad 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 entre 10.000 y 25.000 rpm, mientras que las microturbinas giran a una velocidad de hasta 500.000 rpm. [26]
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 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 en materiales, el Jumo 004 resultó más barato que el motor de pistón Junkers 213 , que costaba 35.000 ℛℳ , [27] y solo necesitó 375 horas de mano de obra menos calificada para completarlo (incluyendo fabricación, montaje y envío). , frente a los 1.400 del BMW 801 . [28] Esto, sin embargo, también se tradujo en una eficiencia y confiabilidad deficientes. Las turbinas de gas más avanzadas (como las que se encuentran en los motores a reacción modernos o en las plantas de energía de ciclo combinado) pueden tener 2 o 3 ejes (carretes), cientos de álabes de compresores y turbinas, álabes de estator móviles y extensos tubos externos para combustible, aceite y aire. sistemas; Utilizan aleaciones resistentes a la temperatura y están fabricados con especificaciones estrictas que requieren una fabricación de precisión. Todo esto hace que la construcción de una simple turbina de gas sea a menudo más complicada que la de un motor de pistón.
Además, para alcanzar un rendimiento óptimo en las modernas centrales eléctricas de turbinas de gas, 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 necesaria ] Dado que un motor relativamente liviano puede generar un trabajo útil significativo, las turbinas de gas son perfectamente adecuadas para la propulsión de aviones.
Los cojinetes de empuje y los cojinetes lisos son una parte fundamental de un diseño. Se trata de cojinetes de aceite hidrodinámicos o cojinetes de elementos rodantes refrigerados por aceite . Los rodamientos de láminas se utilizan en algunas máquinas pequeñas, como las microturbinas [29] y también tienen un gran potencial para su uso en pequeñas turbinas de gas/ unidades de energía auxiliares [30].
Un desafío importante al que se enfrenta el diseño de turbinas, especialmente las palas , es reducir la fluencia inducida por las altas temperaturas y tensiones que se experimentan durante la operación. Se buscan continuamente temperaturas de funcionamiento más altas para aumentar la eficiencia, pero esto tiene el costo de tasas de fluencia más altas. Por lo tanto, se han empleado varios métodos en un intento de lograr un rendimiento óptimo limitando al mismo tiempo la fluencia, siendo los más exitosos los recubrimientos de alto rendimiento y las superaleaciones monocristalinas . [31] Estas tecnologías funcionan limitando la deformación que se produce mediante mecanismos que pueden clasificarse ampliamente como deslizamiento de dislocación, ascenso de dislocación y flujo de difusión.
Los revestimientos protectores proporcionan aislamiento térmico de la hoja y ofrecen resistencia a la oxidación y la corrosión . Los revestimientos de barrera térmica (TBC) suelen ser cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio y los revestimientos resistentes a la oxidación/corrosión (revestimientos de unión) normalmente consisten en aluminuros o aleaciones MCrAlY (donde M es típicamente 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 (típicamente vacantes) dentro de la aleación y reduce la dislocación y la fluencia de vacantes. Se ha descubierto que una capa de 1 a 200 μm puede disminuir la temperatura de la hoja hasta 200 °C (392 °F). [32] Las capas adhesivas se aplican directamente sobre la superficie del sustrato mediante carburación por paquete y tienen el doble propósito de proporcionar una mejor adherencia al TBC y resistencia a la oxidación del sustrato. El Al de las capas de unión forma Al 2 O 3 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 él y el sustrato. [33] 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. [34]
Las superaleaciones a base de níquel cuentan con mayor resistencia 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 coherentes de Ni 3 (Al,Ti) gamma prima (γ'). Los precipitados γ' finamente dispersos impiden el movimiento de la dislocación e introducen una tensión umbral, aumentando la tensión requerida para el inicio de la fluencia. Además, γ' es una fase L1 2 ordenada que dificulta que las dislocaciones la pasen. [35] 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 prima gamma, preservando así la resistencia a la fatiga , la solidez y la resistencia a la fluencia. [36] El desarrollo de superaleaciones monocristalinas también ha dado lugar 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 velocidad de fluencia. [37] Aunque los monocristales tienen una menor fluencia a altas temperaturas, tienen límites elásticos significativamente más bajos 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 el límite elástico 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 con conductos conectados a las turbinas de gas. [38] Los motores a reacción que producen empuje a partir del impulso directo de los gases de escape a menudo se denominan turborreactores . Aunque todavía están en servicio con muchos operadores militares y civiles, los turborreactores se han ido eliminando en su mayoría en favor del motor turbofan debido a la baja eficiencia de combustible y el alto ruido del turborreactor. [24] Aquellos que generan empuje con la adición de un ventilador con conductos se denominan turbofan o (rara vez) fan-jets. Estos motores producen casi el 80% de su empuje gracias al ventilador canalizado, que se puede ver desde la parte delantera del motor. Vienen en dos tipos, turboventilador de bajo bypass y alto bypass , siendo la diferencia la cantidad de aire que mueve el ventilador, llamado "aire de bypass". Estos motores ofrecen el beneficio de más empuje sin consumo adicional de combustible. [24] [25]
Las turbinas de gas también se utilizan en muchos cohetes de combustible líquido , donde se utilizan turbinas de gas para alimentar una turbobomba que permite el uso de tanques livianos de baja presión, lo que reduce el peso vacío del cohete.
Un motor turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión utilizando un engranaje reductor para traducir la alta velocidad de funcionamiento de la sección de la turbina (a menudo en decenas de miles) en los pocos miles necesarios para el funcionamiento eficiente de la hélice. El beneficio de utilizar el motor turbohélice es aprovechar la alta relación potencia-peso de los motores de turbina para impulsar una hélice, permitiendo así utilizar un motor más potente, pero también más pequeño. [25] Los motores turbohélice se utilizan en una amplia gama de aviones comerciales como el Pilatus PC-12 , aviones de pasajeros como el Beechcraft 1900 y pequeños aviones de carga como el Cessna 208 Caravan o De Havilland Canada Dash 8 , y aviones grandes. (típicamente militares) como el transporte Airbus A400M , 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 turboeje de turbina libre , y el Honeywell TPE331 , un motor de turbina fija (anteriormente designado como Garrett AiResearch). 331).
Las turbinas de gas aeroderivadas se basan generalmente en motores de turbina de gas de aeronaves existentes y son más pequeñas y ligeras que las turbinas de gas industriales. [39]
Los aeroderivados se utilizan en la generación de energía eléctrica debido a su capacidad para apagarse y manejar cambios de carga más rápidamente que las máquinas industriales. [40] También se utilizan en la industria marina para reducir el peso. Los tipos comunes incluyen General Electric LM2500 , General Electric LM6000 y versiones aeroderivadas de Pratt & Whitney PW4000 y Rolls-Royce RB211 . [39]
Cada vez son más los aficionados que utilizan o incluso construyen turbinas de gas.
En su forma más sencilla, se trata de turbinas comerciales adquiridas a través de excedentes militares o ventas en desguaces, que luego se utilizan para exhibirlas como parte del pasatiempo de coleccionar motores. [41] [42] En su forma más extrema, los aficionados incluso han reconstruido motores más allá de la reparación profesional y luego los han utilizado para competir por el récord de velocidad en tierra.
La forma más sencilla de turbina de gas de construcción propia emplea un turbocompresor de automóvil como componente central. Se fabrica y conecta una cámara de combustión entre las secciones del compresor y la turbina. [43]
También se construyen turborreactores más sofisticados, cuyo empuje y peso ligero son suficientes para propulsar modelos de aviones de gran tamaño. [44] El diseño de Schreckling [44] 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 tipo Schreckling. [45]
Las pequeñas turbinas de gas se utilizan como unidades de energía auxiliar (APU) para suministrar energía auxiliar a máquinas móviles más grandes, como un avión , y tienen un diseño de turboeje . [24] Proporcionan:
Las turbinas de gas industriales se diferencian de los diseños aeronáuticos en que los bastidores, cojinetes y aspas son de construcción más pesada. También están mucho más estrechamente integrados con los dispositivos que alimentan (a menudo un generador eléctrico ) y el equipo de energía secundaria que se utiliza para recuperar energía residual (principalmente calor).
Su tamaño varía desde plantas móviles portátiles hasta sistemas grandes y complejos que pesan más de cien toneladas alojados en edificios construidos expresamente. Cuando la turbina de gas se utiliza únicamente para generar potencia en el eje, su eficiencia térmica es de aproximadamente el 30%. Sin embargo, puede resultar más barato comprar electricidad que generarla. Por lo tanto, muchos motores se utilizan en configuraciones CHP (calor y energía combinados) que pueden ser lo suficientemente pequeños 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 con recuperación de calor (HRSG) para alimentar una turbina de vapor convencional en una configuración de ciclo combinado . [46] El General Electric 9HA de 605 MW logró una tasa de eficiencia del 62,22% con temperaturas de hasta 1.540 °C (2.800 °F). [47] Para 2018, GE ofrece su HA de 826 MW con una eficiencia superior al 64 % en ciclo combinado debido a los avances en la fabricación aditiva y los avances en la combustión, frente al 63,7 % en los pedidos de 2017 y en camino de alcanzar el 65 % a principios de la década de 2020. [48] En marzo de 2018, GE Power logró una eficiencia bruta del 63,08% para su turbina 7HA. [49]
Las turbinas de gas aeroderivadas también se pueden utilizar en ciclos combinados, lo que conduce a una mayor eficiencia, pero no será tan alta como la de una turbina de gas industrial diseñada específicamente. También pueden funcionar en una configuración de cogeneración : el escape se utiliza para calentar espacios o agua, o acciona un enfriador de absorción para enfriar el aire de entrada y aumentar la potencia de salida, tecnología conocida como enfriamiento del aire de entrada de turbina .
Otra ventaja importante es su capacidad de encenderse y apagarse en cuestión de minutos, suministrando energía durante los picos de demanda o no programados. Dado que las plantas de energía de ciclo único (sólo turbinas de gas) son menos eficientes que las plantas de ciclo combinado, generalmente se utilizan como plantas de energía de pico , que operan 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 carga base y carga posterior a la capacidad de la planta de energía o con bajos costos de combustible, una planta de energía de turbina de gas puede operar regularmente la mayor parte de las horas del día. Una gran turbina de gas de ciclo único normalmente produce de 100 a 400 megavatios de energía eléctrica y tiene una eficiencia termodinámica del 35 al 40% . [50]
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 un solo eje. El rango de potencia varía desde 1 megavatio hasta 50 megavatios. [ cita necesaria ] 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 aproximadamente un 2%.
Las plataformas de petróleo y gas requieren que estos motores impulsen compresores para inyectar gas en los pozos para forzar el petróleo a través de otro orificio o 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 CHP debido a que obtienen el gas a un costo extremadamente reducido (a menudo sin gas quemado). Las mismas empresas utilizan conjuntos de bombas para impulsar los fluidos hasta el suelo y a través de las 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 potencia generada se utiliza para impulsar el compresor. En una configuración de almacenamiento de energía con aire comprimido, la energía, tal vez procedente de un parque eólico o comprada en el mercado abierto en un momento de baja demanda y bajo precio, se utiliza para accionar el compresor, y el aire comprimido se libera para hacer funcionar la turbina cuando sea 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 la 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 . Para accionar el rotor de los helicópteros se suele utilizar una turbina de potencia que gira por separado. Permitir que el generador de gas y la turbina/rotor de energía giren a sus propias velocidades permite una mayor flexibilidad en su diseño.
También conocidas como turbinas de gas en miniatura o microchorros.
Teniendo esto en cuenta, el pionero de los Micro-Jets modernos, Kurt Schreckling , produjo una de las primeras Micro-Turbinas del mundo, la FD3/67. [44] 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 . [44]
Evolucionadas a partir de turbocompresores de motores de pistón , APU de aviones o pequeños motores a reacción , las microturbinas son turbinas de 25 a 500 kilovatios del tamaño de un refrigerador . Las microturbinas tienen eficiencias alrededor del 15% sin recuperador , del 20 al 30% con uno y pueden alcanzar el 85% de eficiencia termoeléctrica combinada en cogeneración . [51]
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, efectivamente, 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 por la turbina de potencia sólo circula aire limpio, sin productos de combustión. La eficiencia térmica es menor en el tipo indirecto de combustión externa; sin embargo, los álabes de las turbinas no están expuestos a los productos de combustión y se pueden utilizar combustibles de mucha menor calidad (y por tanto más baratos).
Cuando se utiliza combustión externa, es posible utilizar el aire de escape de la turbina como aire de combustión primario. Esto reduce efectivamente las pérdidas de calor globales, aunque las pérdidas de calor asociadas con los gases de 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 de 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 jets y turbohélices para la propulsión de aviones (su rendimiento superior a gran altitud en comparación con los motores de pistón, particularmente los de aspiración natural ) es irrelevante en la mayoría de las aplicaciones automovilísticas. Su ventaja potencia-peso, aunque menos crítica que en el caso de los aviones, sigue siendo importante.
Las turbinas de gas ofrecen un motor de alta potencia en un paquete muy pequeño y liviano. Sin embargo, no tienen tanta capacidad de respuesta ni eficiencia como los motores de pistón pequeños en la amplia gama de RPM y potencias necesarias en aplicaciones de vehículos. En los vehículos híbridos en serie , como los motores eléctricos de accionamiento están separados mecánicamente del motor generador de electricidad, los problemas de capacidad de respuesta, mal rendimiento a baja velocidad y baja eficiencia a bajo rendimiento son mucho menos importantes. La turbina puede funcionar a la velocidad óptima para su producción de energía, y las baterías y los ultracondensadores pueden suministrar energía según sea necesario, con el motor encendiéndose y apagándose para hacerlo funcionar sólo con 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 una rareza; 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, impulsada por los gases de escape del motor de pistón . La rueda de turbina centrípeta impulsa una rueda de compresor centrífugo a través de un eje giratorio común. Esta rueda sobrealimenta la entrada de aire del motor hasta un grado que puede controlarse mediante 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 (en realidad empleados en algunos camiones semirremolque ) están equipados con turbinas de purga 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. , proporcionando así potencia adicional en lugar de impulso. Mientras que el turbocompresor es una turbina de presión, una turbina de recuperación de energía es una turbina de velocidad. [ cita necesaria ]
Se han llevado a cabo una serie de experimentos con automóviles propulsados por turbinas de gas , el mayor de ellos realizado por Chrysler . [52] [53] 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 del Consejo de Estrategia Tecnológica para desarrollar un extensor de alcance 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 máquinas eléctricas 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. [54]
El turbocompresor común para motores de gasolina o diésel también es un derivado de turbina.
La primera investigación seria sobre el uso de una turbina de gas en automóviles fue 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 para un coche con tracción trasera. Después de que apareció un artículo en Popular Science , no hubo más trabajo, más allá de la etapa del papel. [55]
En 1950, el diseñador FR Bell y el ingeniero jefe Maurice Wilks del fabricante de automóviles británico 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 ambos lados del coche y salidas de escape en la parte superior de la cola. Durante las pruebas, el coche alcanzó una velocidad máxima de 140 km/h (87 mph), con una velocidad de turbina de 50.000 rpm. Después de ser mostrado en el Reino Unido y 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). [56] El coche funcionaba con gasolina , parafina (queroseno) o gasóleo , pero los problemas de consumo de combustible resultaron insuperables para un coche de producción. JET1 está en exhibición en el Museo de Ciencias de Londres .
Un automóvil francés propulsado por turbinas, el SOCEMA-Grégoire, se exhibió en el Salón del Automóvil de París de octubre de 1952 . Fue diseñado por el ingeniero francés Jean-Albert Grégoire . [57]
El primer automóvil propulsado por turbina construido en los EE. UU. fue el GM Firebird I , que comenzó sus evaluaciones en 1953. Si bien las fotografías del Firebird I pueden sugerir que el empuje de la turbina a reacción impulsaba el automóvil como si fuera un avión, la turbina en realidad impulsaba las ruedas traseras. El Firebird I nunca fue pensado como un automóvil de pasajeros comercial y fue construido únicamente para pruebas y evaluación, así como para fines de relaciones públicas. [58] Para los salones del automóvil de Motorama de 1953, 1956 y 1959 se desarrollaron autos conceptuales Firebird adicionales, cada uno propulsado por turbinas de gas . 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. [59]
A partir de 1954 con un Plymouth modificado , [60] el fabricante de automóviles estadounidense Chrysler demostró varios prototipos de automóviles propulsados por turbinas de gas desde principios de los años cincuenta hasta principios de los ochenta. Chrysler construyó cincuenta Chrysler Turbine Cars en 1963 y llevó a cabo la única prueba de consumo de automóviles propulsados por turbinas de gas. [61] Cada una de sus turbinas empleaba un recuperador giratorio único , conocido como regenerador, que aumentaba la eficiencia. [60]
En 1954, Fiat presentó un concept car con motor de turbina, llamado Fiat Turbina . Este vehículo, que parecía un avión con ruedas, utilizaba una combinación única de propulsión a reacción y del motor que impulsaba las ruedas. Se afirmaron velocidades de 282 km/h (175 mph). [62]
En la década de 1960, Ford y GM también estaban desarrollando semirremolques con turbinas de gas. Ford exhibió el Big Red en la Exposición Universal de 1964 . [63] 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 se desconocía durante varias décadas, pero fue redescubierto a principios de 2021 en manos privadas, después de haber sido restaurado para funcionar. [64] [65] La división Chevrolet de GM construyó la serie Turbo Titan de camionetas conceptuales con motores de turbina como análogos de los conceptos Firebird, incluido 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 con turbina de gas GM Bison se mostró en la Exposición Universal de 1964. [66]
Como resultado de las enmiendas a la Ley de Aire Limpio de EE. UU . de 1970, se financió la investigación para desarrollar tecnología de turbinas de gas para automóviles. [67] 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 ). [68] Se realizaron pruebas a largo plazo para evaluar la rentabilidad comparable. [69] Varios AMC Hornets estaban propulsados 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. [70] [71] [72]
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 Medio Oriente en ese momento [73] [74] [75]
Toyota demostró varios autos conceptuales propulsados por turbinas de gas, como el híbrido de turbina de gas Century en 1975, el Sports 800 Gas Turbine Hybrid en 1979 y el GTV en 1985. No se fabricaron vehículos 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 . [76]
En 1993, General Motors presentó el primer vehículo híbrido comercial propulsado por turbina de gas , como una producción limitada del híbrido de la serie EV-1 . Una turbina Williams International de 40 kW impulsaba un alternador que alimentaba el tren motriz eléctrico de 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 demostró su concept car Jaguar C-X75 . Este superdeportivo de propulsión eléctrica tiene una velocidad máxima de 328 km/h (204 mph) y puede pasar de 0 a 100 km/h (0 a 62 mph) en 3,4 segundos. Utiliza baterías de iones de litio para alimentar cuatro motores eléctricos que se combinan para producir 780 CV. Viajará 68 millas (109 km) con una sola carga de baterías y utiliza un par de microturbinas de gas Bladon para recargar las baterías, ampliando el alcance a 560 millas (900 km). [77]
El primer coche de carreras (sólo en concepto) equipado con una turbina fue en 1955 por un grupo de la Fuerza Aérea de EE. UU. como un proyecto de hobby con una turbina que les prestó Boeing y un coche de carreras propiedad de la empresa Firestone Tire & Rubber. [78] El primer coche de carreras equipado con una turbina para el objetivo de las carreras reales fue 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 . Tenía un promedio de 173,5 km/h (107,8 mph) y una velocidad máxima de 229 km/h (142 mph). El estadounidense Ray Heppenstall se unió a Howmet Corporation y McKee Engineering para desarrollar su propio automóvil deportivo con turbina de gas en 1968, el Howmet TX , que corrió en varios eventos americanos y europeos, incluidas dos victorias, y también participó en las 24 Horas de Le Mans de 1968 . Los coches utilizaban turbinas de gas de Continental , que finalmente establecieron seis récords de velocidad en tierra de la FIA para coches propulsados por turbinas. [79]
Para las carreras de monoplazas , el revolucionario STP-Paxton Turbocar de 1967, presentado por la leyenda empresarial y de las carreras Andy Granatelli y conducido por Parnelli Jones, casi gana las 500 Millas de Indianápolis ; El auto con turbina Pratt & Whitney ST6B-62 estaba casi una vuelta por delante del auto del segundo lugar 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 en las 500 Millas de Indianápolis a pesar de que las nuevas reglas restringieron drásticamente la entrada de aire. En 1971, el director del equipo Lotus, Colin Chapman , presentó el coche Lotus 56B F1, propulsado por una turbina de gas Pratt & Whitney STN 6/76 . Chapman tenía fama de construir coches radicales ganadores de campeonatos, 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 (con la marca "Whirlfire") en varios prototipos de autobuses en las décadas de 1950 y 1960, incluido el Turbo-Cruiser I (1953, GT-300); Turbo-Crucero II (1964, GT-309); Turbo-Crucero III (1968, GT-309); RTX (1968, GT-309); y Estrategia en tiempo real 3T (1972). [80]
La llegada de la turbina Capstone ha dado lugar a varios diseños de autobuses híbridos, comenzando con 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 Estados Unidos). Estados). Los híbridos de turbina AVS estuvieron plagados de problemas de confiabilidad y control de calidad, lo que resultó en la liquidación de AVS en 2003. El diseño más exitoso de Designline ahora opera en 5 ciudades en 6 países, con más de 30 autobuses en operación en todo el mundo y pedidos por varios cientos. entregado a Baltimore y la ciudad de Nueva York.
Brescia Italia utiliza autobuses híbridos en serie propulsados por microturbinas en rutas que atraviesan los sectores históricos de la ciudad. [81]
La MTT Turbine Superbike apareció en 2000 (de ahí la designación de Y2K Superbike por MTT) y es la primera motocicleta de producción propulsada por un motor de turbina, específicamente, un motor turboeje Rolls-Royce Allison modelo 250, que produce alrededor de 283 kW (380 CV). Probada a una velocidad de 365 km/h o 227 mph (según algunas historias, el equipo de pruebas se quedó sin camino durante la prueba), tiene el récord mundial Guinness de la motocicleta de producción más potente y la motocicleta de producción más cara, con una etiqueta de precio. de 185.000 dólares estadounidenses.
Varias clases de locomotoras han sido propulsadas por turbinas de gas, siendo la encarnación más reciente el JetTrain de Bombardier .
La división de desarrollo de la Wehrmacht Heer del Tercer Reich, la 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 la propulsión de vehículos blindados de combate, el GT 101 basado en el BMW 003 , estaba pensado para su instalación en el tanque Panther . [82] Hacia el final de la guerra, un Jagdtiger fue equipado con una de las turbinas de gas antes mencionadas. [83]
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 , fue instalada y probada en un tanque Conqueror británico . [84] El Stridsvagn 103 se desarrolló en la década de 1950 y fue el primer tanque de batalla principal producido en masa que utilizó 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 motores principales en los tanques soviéticos/rusos T-80 y 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 combustible que el diésel equivalente, especialmente al ralentí, y requieren más combustible para lograr el mismo alcance de combate. Los modelos sucesivos del M1 han abordado este problema con paquetes de baterías o generadores secundarios para alimentar los sistemas del tanque mientras está estacionario, ahorrando combustible al reducir la necesidad de dejar la turbina principal en ralentí. Los T-80 pueden montar tres grandes bidones 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 el T-80UD y el T-84 con motor diésel con casi la potencia del modelo de gasolina. -tanque de turbina. El motor diésel del tanque francés Leclerc cuenta con el sistema de sobrealimentación híbrido "Hyperbar", en el que el turbocompresor del motor se sustituye completamente por una pequeña turbina de gas que también funciona como turbocompresor de escape diésel asistido, lo que permite un control del nivel de impulso independiente de las RPM del motor y una mayor alcanzar la presión máxima de sobrealimentación (que con los turbocompresores normales). Este sistema permite utilizar un motor de menor cilindrada y más ligero como central eléctrica del tanque y elimina eficazmente el retraso del turbo . Esta turbina/turbocompresor de gas especial también puede funcionar independientemente del motor principal como una APU normal.
Teóricamente, una turbina es más fiable y más 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 una mayor tasa de desgaste debido a sus mayores velocidades de trabajo. Las palas de las turbinas son muy sensibles al polvo y a la arena fina, por lo que en las operaciones en el desierto es necesario instalar y cambiar los filtros de aire varias veces al día. Un filtro mal colocado, o una bala o un fragmento de proyectil que perfore el filtro, pueden dañar el motor. Los motores de pistón (especialmente si están turboalimentados) también necesitan filtros en buen mantenimiento, 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 alta relación potencia-peso y la aceleración resultante de sus barcos y su capacidad para ponerse en marcha rápidamente.
El primer buque de guerra propulsado por turbinas de gas fue la cañonera a motor MGB 2009 (anteriormente MGB 509 ) de la Royal Navy , reconvertida en 1947. Metropolitan-Vickers equipó su motor a reacción F2/3 con una turbina de potencia. El Steam Gun Boat Grey Goose se convirtió a turbinas de gas Rolls-Royce en 1952 y operó como tal desde 1953. [85] Las lanchas patrulleras rápidas de clase Bold , Bold Pioneer y Bold Pathfinder, construidas en 1953, fueron los primeros barcos creados específicamente para la propulsión por turbinas de gas. . [86]
Los primeros barcos a gran escala propulsados parcialmente por turbinas de gas fueron las fragatas Tipo 81 (clase Tribal) de la Royal Navy con motores combinados de vapor y gas . El primero, el HMS Ashanti , se puso en servicio en 1961.
La Armada alemana botó en 1961 la primera fragata de la clase Colonia con 2 turbinas de gas Brown, Boveri & Cie en el primer sistema de propulsión combinado de diésel y gas del mundo .
La Armada Soviética encargó en 1962 el primero de los 25 destructores de la clase Kashin con 4 turbinas de gas en un sistema combinado de propulsión de gas y gas . Esos buques utilizaban 4 turbinas de gas M8E, que generaban entre 54.000 y 72.000 kW (72.000-96.000 hp). Esos barcos fueron los primeros grandes barcos del mundo propulsados únicamente por turbinas de gas.
La Armada danesa tenía 6 torpederos clase Søløven (la versión de exportación del barco patrullero rápido británico clase Brave ) en servicio de 1965 a 1990, que tenía 3 turbinas de gas marinas Bristol Proteus (más tarde RR Proteus) con una potencia de 9.510 kW (12.750 shp). ) combinados, más dos motores diésel de General Motors , con una potencia nominal de 340 kW (460 shp), para una mejor economía de combustible a velocidades más lentas. [87] Y también produjeron 10 barcos torpederos/misiles guiados clase Willemoes (en servicio de 1974 a 2000) que tenían 3 turbinas de gas Rolls-Royce Marine Proteus también con una potencia de 9.510 kW (12.750 shp), igual que los barcos de clase Søløven. y 2 motores diésel de General Motors, con una potencia nominal de 600 kW (800 shp), también para mejorar la economía de combustible a bajas velocidades. [88]
La Armada sueca produjo 6 torpederos clase Spica entre 1966 y 1967 propulsados por 3 turbinas Bristol Siddeley Proteus 1282 , cada una de las cuales entregaba 3210 kW (4300 shp). Más tarde se les unieron 12 barcos de clase Norrköping mejorados, todavía con los mismos motores. Con sus tubos de torpedos de popa reemplazados por misiles antibuque, sirvieron como barcos de misiles hasta que el último fue retirado en 2005. [89]
La Armada finlandesa encargó dos corbetas clase Turunmaa , Turunmaa y 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; Regularmente alcanzaron velocidades de 35 nudos y 37,3 nudos durante las pruebas en el mar. Los Turunmaa fueron dados de baja en 2002. El Karjala es hoy un barco museo en Turku , y el Turunmaa sirve como taller de máquinas flotantes y barco escuela para el Satakunta Polytechnical College.
La siguiente serie de buques de guerra importantes fueron los cuatro destructores canadienses que transportaban helicópteros de clase Iroquois , encargados por primera vez en 1972. Utilizaban motores de propulsión principal de 2 pies-4, motores de crucero de 2 pies-12 y 3 generadores Solar Saturn de 750 kW.
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El primer barco estadounidense propulsado por turbina de gas fue el Point Thatcher de la Guardia Costera de EE. UU. , un cúter encargado en 1961 que estaba propulsado por dos turbinas de 750 kW (1.000 shp) que utilizaban hélices de paso controlable. [90] Los cortadores de alta resistencia de clase Hamilton , más grandes , fueron la primera clase de cortadores más grandes en utilizar turbinas de gas, la primera de las cuales ( USCGC Hamilton ) se puso en servicio en 1967. Desde entonces, han propulsado al Oliver Hazard Perry de la Marina de los EE. UU . fragatas clase Spruance y Arleigh Burke , destructores clase Ticonderoga y cruceros de misiles guiados clase Ticonderoga . El USS Makin Island , un buque de asalto anfibio clase Wasp modificado , será el primer buque de asalto anfibio de la Armada propulsado por turbinas de gas. La turbina de gas marina funciona 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 turbinas de gas marinas en todo el mundo tuvo lugar en oficinas de diseño y talleres de fabricantes de motores, y el trabajo de desarrollo estuvo dirigido por la Marina Real Británica y otras Armadas. Si bien el interés en las turbinas de gas para fines marinos, tanto navales como mercantiles, siguió aumentando, la falta de disponibilidad de los resultados de la experiencia operativa en los primeros proyectos de turbinas de gas limitó el número de nuevas empresas que se estaban embarcando en buques comerciales marítimos.
En 1951, el petrolero diésel-eléctrico Auris , de 12.290 toneladas de peso muerto (DWT), se utilizó para adquirir experiencia operativa con una turbina de gas de propulsión principal en condiciones de servicio en el mar y se convirtió así en el primer buque mercante de alta mar propulsado por una turbina de gas. turbina. 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 el día del cumpleaños número 21 de la princesa Isabel del Reino Unido en 1947, el barco fue diseñado con una sala de máquinas. trazado 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. [91] El Auris operó comercialmente como camión cisterna durante tres años y medio con una unidad de propulsión diesel-eléctrica como se puso en servicio originalmente, pero en 1951 uno de sus cuatro motores diesel de 824 kW (1105 bhp), que eran conocidos como "Fe", "Esperanza", "Caridad" y "Prudencia" - fueron reemplazadas 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 la británica Thompson-Houston Company en Rugby. . Después de exitosas pruebas en el mar 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 transbordo. -Cruce del Atlántico. Durante este tiempo en el mar la turbina de gas quemó combustible diésel y funcionó sin paradas involuntarias ni dificultades mecánicas de ningún tipo. Posteriormente visitó Swansea, Hull, Rotterdam , Oslo y Southampton cubriendo un total de 13.211 millas náuticas. Luego, el Auris reemplazó todas sus plantas de energía con una turbina de gas acoplada directamente de 3.910 kW (5.250 shp) para convertirse en el primer barco civil en operar únicamente con energía de turbina de gas.
A pesar del éxito de este primer viaje experimental, la turbina de gas no reemplazó al motor diésel como planta de propulsión para grandes buques mercantes. A velocidades de crucero constantes, el motor diésel simplemente no tenía igual en el área vital de la economía de combustible. La turbina de gas tuvo más éxito en los barcos de la Royal Navy y en otras flotas navales del mundo, donde los buques de guerra en acción requieren cambios de velocidad repentinos y rápidos. [92]
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 alta resistencia fueron una de las seleccionadas. En 1956, el John Sergeant fue ampliado y equipado con una turbina de gas HD General Electric de 4.900 kW (6.600 shp) con regeneración de gases de escape, engranaje reductor y hélice de paso variable . Funcionó durante 9.700 horas utilizando combustible residual ( Búnker C ) durante 7.000 horas. La eficiencia del combustible estuvo a la par con la propulsión de vapor a 0,318 kg/kW (0,523 lb/hp) por hora, [93] y la producción de energía fue mayor de lo esperado con 5603 kW (7514 shp) debido a la temperatura ambiente de la ruta del Mar del Norte. siendo inferior a la temperatura de diseño de la turbina de gas. Esto le dio al barco una capacidad de velocidad de 18 nudos, frente a los 11 nudos del motor original, y muy por encima de los 15 nudos previstos. El barco realizó su primera travesía transatlántica a una velocidad media de 16,8 nudos, a pesar de las malas condiciones meteorológicas a lo largo del camino. El combustible Bunker C adecuado sólo estaba disponible en puertos limitados porque la calidad del combustible era de naturaleza crítica. El fueloil también tuvo 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. Al final, la hélice de paso variable, que tenía un diseño nuevo y no probado, puso fin a la prueba, ya que tres inspecciones anuales consecutivas revelaron grietas por tensión. Sin embargo, esto no reflejó mal el concepto de turbina de gas de propulsión marina y la prueba fue un éxito en general. El éxito de esta prueba abrió el camino para que GE siguiera desarrollando el uso de turbinas de gas HD para uso marino con combustibles pesados. [94] El John Sergeant fue desguazado en 1972 en Portsmouth PA.
Boeing lanzó su primer hidroplano Boeing 929 propulsado por chorro de agua para transporte de pasajeros , en abril de 1974. Estos barcos estaban propulsados por dos turbinas de gas Allison 501 -KF. [95]
Entre 1971 y 1981, Seatrain Lines operó un servicio regular de contenedores entre puertos de la costa este de los Estados Unidos y puertos del noroeste de Europa a través del Atlántico Norte con cuatro buques portacontenedores de 26.000 toneladas DWT. Estos barcos estaban propulsados por turbinas de gas gemelas Pratt & Whitney de la serie FT 4. Los cuatro barcos de la clase se denominaron Euroliner , Eurofreighter , Asialiner y Asiafreighter . Tras los dramáticos aumentos de precios de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) a mediados de la década de 1970, las operaciones se vieron limitadas por el aumento de los costos del combustible. Se llevaron a cabo algunas modificaciones en los sistemas de motores de 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 reacondicionaron con lo que en ese momento eran motores diésel más económicos, pero el mayor tamaño del motor redujo el espacio de carga. [ cita necesaria ]
El primer ferry de pasajeros que utilizó 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) e impulsaban el barco a una velocidad de 31 nudos. Sin embargo, el Finnjet también ilustró las deficiencias de la propulsión por turbina de gas en las embarcaciones comerciales, ya que los altos precios del combustible hacían que su funcionamiento no fuera rentable. Después de cuatro años de servicio, se instalaron motores diésel adicionales en el barco para reducir los costos de funcionamiento fuera de temporada. El Finnjet fue también el primer barco con propulsión combinada diésel-eléctrica y de gas . Otro ejemplo de uso comercial de turbinas de gas en un barco de pasajeros son los transbordadores rápidos clase HSS de Stena Line . Los buques Stena Explorer , Stena Voyager y Stena Discovery de clase HSS 1500 utilizan configuraciones combinadas de gas y gas de potencia gemela GE LM2500 más GE LM1600 para un total de 68.000 kW (91.000 shp). El Stena Carisma , de clase HSS 900, un poco más pequeño , utiliza turbinas gemelas 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 elevados costes del combustible. [ cita necesaria ]
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 General Electric LM2500 cuyo calor de escape se utilizaba para operar un generador de turbina de vapor en una configuración COGES (combinación de gas, electricidad y vapor). La propulsión fue proporcionada por dos cápsulas de azimut Rolls-Royce Mermaid impulsadas eléctricamente. El transatlántico RMS Queen Mary 2 utiliza una configuración combinada de diésel y gasolina. [96]
En aplicaciones de carreras marinas, el catamarán Miss GEICO C5000 Mystic 2010 utiliza dos turbinas Lycoming T-55 para su sistema de energía. [ cita necesaria ]
La tecnología de las turbinas de gas ha avanzado constantemente desde sus inicios y continúa evolucionando. El desarrollo está produciendo activamente tanto turbinas de gas más pequeñas como motores más potentes y eficientes. En estos avances contribuyen el diseño basado en computadora (específicamente la dinámica de fluidos computacional y el análisis de elementos finitos ) y el desarrollo de materiales avanzados: materiales base con resistencia superior a altas temperaturas (p. ej., superaleaciones monocristalinas que exhiben anomalías en el límite elástico ) o barrera térmica. Recubrimientos que protegen el material estructural de temperaturas cada vez más altas. Estos avances permiten mayores relaciones de compresión y temperaturas de entrada a la turbina, 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, CFD es una de las herramientas computacionales clave utilizadas en el diseño y desarrollo de motores de turbina de gas [97] [98] .
Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas prácticamente se duplicaron al incorporar interenfriamiento, regeneración (o recuperación) y recalentamiento. Estas mejoras, por supuesto, se producen a expensas de mayores costos iniciales y operativos, y no pueden justificarse 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 de la industria de minimizar los costos de instalación y el tremendo aumento en la eficiencia del ciclo simple a alrededor del 40 por ciento dejaron poco deseo de optar por estas modificaciones. [99]
Por el lado de las emisiones, el desafío es aumentar las temperaturas de entrada de la turbina y al mismo tiempo reducir la temperatura máxima de la llama para lograr menores emisiones de NOx y cumplir con las últimas regulaciones sobre emisiones. En mayo de 2011, Mitsubishi Heavy Industries alcanzó una temperatura de entrada de la turbina de 1.600 °C 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%. [100]
Los rodamientos de láminas compatibles se introdujeron comercialmente en las turbinas de gas en la década de 1990. Estos pueden soportar más de cien mil ciclos de arranque/parada y han eliminado la necesidad de un sistema de aceite. La aplicación de la microelectrónica y la tecnología de conmutación de energía ha permitido el desarrollo de generación de electricidad comercialmente viable mediante microturbinas para distribución y propulsión de vehículos.
Las siguientes son ventajas y desventajas de los motores de turbina de gas: [101]
Las ventajas incluyen:
Las desventajas incluyen:
Se utilizan códigos de prueba británicos, alemanes y de otros países e internacionales para estandarizar los procedimientos y definiciones utilizados 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 Estados Unidos, ASME ha elaborado varios códigos de prueba de rendimiento para turbinas de gas. Esto incluye 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 desempeño de ASME, incluido el PTC 22, es que la incertidumbre de la prueba de la medición indica la calidad de la prueba y no debe usarse como tolerancia comercial.
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