Turbina a gas

Unha turbina a gas é un tipo de motor de combustión interna rotativo que transforma a enerxía química dun combustíbel (líquido ou gas) en enerxía mecánica facendo xirar un eixo.

Turbina a gas GE serie H, para xeración eléctrica, de potencia de 480 MW en ciclo combinado.

A turbina consta de tres partes tres equipamentos: compresor, cámara de combustión e turbina propiamente dita. Esta configuración forma un ciclo termodinámico a gas, cuxo modelo ideal denomínase Ciclo Brayton, concibido por George Brayton en 1870.

Este conxunto opera nun ciclo aberto, ou sexa, o fluído de traballo (ar) é admitido na presión atmosférica e os gases de escape, tras pasaren pola turbina, son descargados de volta na atmosfera sen que retornen á admisión.

A denominación turbina a gas pode ser erroneamente asociada ao combustíbel utilizado. A palabra gas non se refire á queima de gases combustíbeis, mais, si ao fluído de traballo da turbina, que é neste caso a mestura de gases resultante da combustión. O combustíbel en si pode ser gasoso, como gas natural, gas liquefeito de petróleo (GLP), gas de síntese ou líquido, como queroseno, óleo diésel e até mesmo óleos máis pesados.

Ciclo Brayton

Diagrama Entalpia x Entropia de Ciclo Brayton (ideal) e ciclo real a gas.

Artigo principal: Ciclo Brayton.

O ciclo Brayton é un ciclo ideal, unha aproximación dos procesos térmicos que ocorren nas turbinas a gas, describindo variacións de estado (presión e temperatura) dos gases. O concepto é utilizado como base didáctica e para análise dos ciclos reais, que se desvían do modelo ideal, debido a limitacións tecnolóxicas e fenómenos de irreversibilidade, como o atrito.

O ciclo se constitúe de catro etapas. Primeiramente, o ar en condición ambiente pasa polo compresor, onde ocorre compresión adiabática e isentrópica, con aumento de temperatura e consecuente aumento de entalpía. Comprimido, o ar é dirixido ás cámaras, onde se mestúra co combustíbel posibilitando a queima e quecemento, á presión constante. Ao saír da cámara de combustión, os gases, á alta presión e temperatura, se expanden conforme pasan pola turbina, idealmente sen variación de entropía. Na medida en que o fluído exerce traballo sobre as palletas, redúcense a presión e temperatura dos gases, xerándose potencia mecánica. A potencia extraída a través do eixe da turbina é usada para accionar o compresor e eventualmente para accionar outra máquina. A cuarta etapa non ocorre fisicamente, se tratando dun ciclo termodinámico aberto. Conceptualmente, esta etapa representa a transferencia de calor do fluído para o ambiente.

Desta forma, mesmo se tratando dun ciclo aberto, parte da enerxía proveniente da combustión é rexeitada so a forma de calor, contido nos gases quentes de escape. O rexeitamento de calor é un límite físico, intrínseco ao funcionamento de ciclos termodinámicos, mesmo nos casos ideais, como define a segunda lei da termodinámica.

A perda de ciclo ideal pode ser cuantificada pola potencia proveniente do combustíbel, descontándose a potencia de accionamento do compresor e a potencia líquida. Así, diminúese a perda a medida que se reduce a temperatura de escape e se eleva a temperatura de entrada da turbina, o que fai da resistencia, a altas temperaturas, das partes da turbina un punto extremamente crítico na tecnoloxía de construción destes equipamentos.