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Turbina de gas, definición y partes principales

Oct 25, 2023 | Articulo

Una turbina de gas es un tipo de motor térmico que utiliza la energía térmica del combustible para generar energía mecánica.  Se basa en el principio del ciclo Brayton, también conocido como ciclo de aire estándar, para su funcionamiento.

En su forma más básica, una turbina de gas consta de tres componentes principales: el compresor, la cámara de combustión y la turbina. Se emplean en una amplia gama de aplicaciones debido a su eficiencia, fiabilidad y capacidad de respuesta.  Estas máquinas son fundamentales para impulsar el desarrollo y la innovación en diversos sectores industriales al proporcionar una fuente confiable de energía mecánica para satisfacer las necesidades de energía actuales y futuras.

Las turbinas de gas pueden dividirse en cuatro grandes partes principales:

  • Compresor
  • Cámara de combustión
  • Turbina de expansión
  • Carcasa

Además, cuenta con una serie de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación,

Compresor

Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Empuja el aire a través de cada etapa de álabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contrapresión, consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina.

El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades:

  • Turbinas monoeje. El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y, por lo tanto, absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir el aire es igual, tanto si trabajamos a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas. Y en consecuencia producimos menos potencia
  • Turbinas multieje. Dado que la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la velocidad del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada momento.

Los compresores utilizados en las turbinas a gas son del tipo giratorio, pudiendo ser:

  • Compresores centrifugo
  • Compresores axiales

En el compresor axial, como su nombre lo indica, el flujo de aire es axial, o sea paralelo al eje del mismo. Está formado por varias ruedas móviles donde los álabes están montados en discos. Las ruedas están ensambladas entre sí mediante tornillos guías axiales que permiten él apriete correspondiente, formando de esta manera el rotor del compresor axial.

Entre cada estadio móvil del rotor se ubica un estadio fijo del estator, o sea que en la dirección del eje del compresor se suceden alternativamente un estadio fijo y un estadio móvil, conformando de esta manera el conjunto compresor axial.

La comprensión del aire se produce al pasar este a través de un estadio fijo y uno móvil, por lo tanto, el compresor está formado por un gran número de escalonamientos de comprensión.

Cámara de combustión

Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión, mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño está enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 °C, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evita que el calor dañe otras partes de la turbina que no están diseñadas para soportar tan altas temperaturas.

Están diseñadas mediante una doble cámara:

  • Cámara interior. Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a esta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
  • Cámara exterior. Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada.

Están diseñadas mediante una doble cámara:

  • Cámara interior. Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a esta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores.
  • Cámara exterior. Recoge el aire, proveniente del compresor, haciéndolo circular por el exterior de la cámara interior, refrigerando los paneles cerámicos, a su vez distribuye el aire a la cámara interior de forma adecuada.

Turbina de expansión

Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por varias etapas, cada una integrada por una corona de álabes con diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de álabes fijos sujetos a la carcasa, cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente. También, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios a lo largo de toda su superficie.

Carcasa

La carcasa protege y aísla el interior de la turbina, pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:

  • Carcasa del compresor. Compuesta por una capa para soporte de los álabes fijos y para conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.
  • Carcasa de la cámara de combustión. Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.
  • Carcasa de la turbina de expansión. Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los álabes fijos y otra externa para la distribución del aire por el interior. Debe también proveer protección térmica frente al exterior.
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