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 La Turbina De Gas 
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas
Queridos amigos:

Aunque no es imprescindible, si han empezado este Subforo de Propulsión por el Tema presente, les recomiendo que, previamente, visiten el Tema denominado <<El Motor Diesel>>, ya que, en él, se abordan conceptos comunes a ambos tipos de máquina.

Un saludo cordial.

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2º Secretario General del Foro.
Insignia en el navío: Resurrección R. O. del 27 de abril de 2008.
"Todo lo hemos perdido, mi querido Lord:
Estado, honor, patria, existencia..."

(De la carta de Gaspar Melchor de Jovellanos a Lord Holland, 2 de febrero de 1810).


01 Abr 2008 22:57
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Nuevo mensaje Re: La Turbina De Gas
Estimados amigos y compañeros:

Comenzaremos nuestro recorrido por este tipo de motor, estableciendo una comparativa entre la Turbina De Gas (TG), El Motor Diesel (MD) y el otro motor empleado en propulsión naval, es decir, la Turbina De Vapor (TV).

COMPARACION ENTRE LA TG, LA TV Y EL MD

La TG tiene una Potencia específica por unidad de peso aproximadamente 10 veces mayor que el Motor Diesel (MD).

La Potencia específica por unidad de volumen es, en la TG, aproximadamente, 3 veces mayor que en el MD y mayor también que en la TV. (Ambas ventajas disminuyen al emplear ciclos más complejos).

En la TG, la Potencia máxima en el eje suele ser alrededor de 150.000 KW. En este caso, aunque suele superar en tres veces a la potencia de los MD más grandes, es inferior a los grupos de TV grandes (4.500.000 MW).

El rendimiento de las TG suele ser menor que el de las TV y mucho menor que el de los MD. Aunque la desventaja es menor, al emplear ciclos de TG más complejos.

El combustible suele ser más económico en las TG que en los MD y menos que en las TV.

Los tiempos de arranque y parada de las TG son menores que en los MD y las TV.

El consumo de agua de refrigeración es mínimo o nulo, en las TG.

El ruido en las TG es elevado, a causa de la admisión en el compresor y el escape en la turbina propiamente dicha, pero menor que en los MD.

Las velocidades de giro de las TG son mucho más elevadas que en los MD (50.000 rpm en las TG y del orden de las 1.500 rpm en los MD).

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01 Abr 2008 23:16
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Nuevo mensaje Re: La Turbina De Gas
El empleo de las turbinas de gas de circuito abierto presenta, con relación a los motores alternativos de combustión interna, el mismo interés que las turbinas de vapor respecto a las máquinas de pistón.

En las turbinas de gas, el rendimiento está muy lejos de igualar el de los motores alternativos, y aun a veces, al de las turbinas de vapor; ésto es debido a que:

Existe una cierta dificultad para construir compresores rotativos que permitan alcanzar elevadas relaciones de compresión.

Existe una cierta dificultad de conseguir materiales que soporten temperaturas elevadas, al tiempo que mantienen unas determinadas características técnicas.

En las turbinas de gas de circuito abierto se cumplen una serie de circunstancias:

No existen piezas en movimiento alternativo, por lo que es muy fácil realizar el equilibrado.

Tienen gran velocidad de rotación, entre 3.000 y 30.000 rpm.

Tienen un par regular sin necesidad de volante de compensación.

Tienen buena adaptación a las grandes expansiones, y por lo tanto, a los grandes volúmenes de fluido.

Producen grandes potencias en poco espacio.
Adjunto:
ciclo abierto.jpg

En estas máquinas rotativas, el aire aspirado a la presión atmosférica, se comprime mediante un compresor C, elevando su temperatura, y es conducido a la cámara de combustión D, donde se inyecta
el combustible que arde en forma continuada y suave.
Adjunto:
grupo turbina simple.jpg

Los gases calientes de la combustión se expansionan en los álabes de la turbina, desarrollando un trabajo útil y salen a la atmósfera a través del escape.

la turbina, una vez en marcha, acciona el compresor; el ciclo desarrollado se conoce como ciclo Brayton (según ya vimos).

Tanto la compresión como la expansión se realizan en una sola etapa.
Adjunto:
cogeneracion.jpg

Los gases que se expansionan en la turbina, todavía calientes en el escape, se pueden aprovechar para producir vapor de agua en una caldera y utilizarlo posteriormente en una turbina de vapor.

Si los gases de escape se hacen llegar a una tobera de descarga, la turbina de gas se convierte en una máquina de chorro.


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03 Abr 2008 23:36
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: Repaso
Recordemos que el Ciclo de Brayton, que define el proceso llevado a cabo en una turbina de gas, está compuesto por dos procesos reversibles a presion constante y dos procesos isentrópicos.
Adjunto:
14 brayton.jpg

El aire entra desde la atmósfera y a dicha presión al compresor, a través de su conducto de entrada (punto 4).

El aire pasa a través del compresor, que eleva su presión y disminuye su volumen, situación que se representa en el punto 1.

Ha tenido lugar una compresión adiabática (sin intercambio de calor con las fronteras del sistema y reversible) también denominada isentrópica. La temperatura del fluido (aire) ha aumentado a cambio del trabajo entregado por el eje del compresor.

El aire entra en la cámara de combustión, iniciándose la reacción química, por la que el combustible y el comburente se convierten en gases a alta emperatura.
Adjunto:
16 planta turbina gas ciclo abierto.jpg

La presión entre los puntos 1 y 2 permanece constante, a costa de emplear la energía calorífica en el aumento del volumen y la temperatura del fluido.
Ha tenido lugar un proceso reversible a presión constante. Estamos en el punto 2.

Los gases calientes entran en la turbina, donde tiene lugar el intercambio de energía entre los gases y el rodete de aquélla. Tiene lugar una expansión adiabática reversible, o isentrópica, inversa de la inicial, en la que el fluido pierde temperatura y presión, aumentando su volumen. Punto 3.

En la atmósfera, los gases se enfrían y, en la entrada del compresor, se vuelve a tener aire fresco, en las condiciones del punto 4, habiendo se guido un proceso reversible a presión constante.

En la figura siguiente se muestra una analogía entre un motor de encendido provocado y un motor de turbina de gas.
Adjunto:
semejanza.jpg


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06 Abr 2008 11:16
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: Repaso
En la figuras, se muestran los diagramas, que se corresponden con la actuación de los componentes de la Turbina De Gas.
Adjunto:
admision.jpg

Adjunto:
compresion.jpg

Adjunto:
combustion.jpg


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07 Abr 2008 13:55
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: Repaso
Se muestran, a continuación, las dos fases finales del Ciclo.
Adjunto:
expansion.jpg

Adjunto:
enfriamiento.jpg


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07 Abr 2008 14:00
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Ciclo Real
.
El ciclo básico real de la Turbina de Gas tiene menor rendimiento que el correspondiente al Ciclo Ideal, debido a que los dos procesos (supuestamente) isentrópicos, en la práctica, son irreversibles.
Adjunto:
real.jpg


Se dibujan, a trazo rojo las líneas del proceso real y, en negro, las del proceso ideal, en el diagrama presión - volumen, del Ciclo De Brayton Real Simple.

El punto 1 define el estado inicial (aire atmosférico) que, lógicamente, abarca tanto el estado ideal como el real.

Las líneas de trazos 2 - 3 y 4 - 1 no son isobaras (a presión constante) debido a las pérdidas de presión existentes en el conducto que va desde el compresor hasta la turbina, incluyendo la cámara de combustión.

Tanto en la turbina como en el compresor tienen lugar desviaciones del balance energético:

Decir que la expansión del gas en la turbina no es isentrópica equivale a decir que el trabajo desarrollado por la turbina es menor en el ciclo real que en el ideal.

De la misma manera, el gasto energético (trabajo consumido) del compresor es mayor para el ciclo real que para el ideal: El rendimiento total (lo que obtenemos / lo que pagamos) se reduce considerablemente.

Además de las pérdidas consideradas bajo el punto de vista termodinámico, existen otras pérdidas denominadas externas, tales como las ocasionadas por combustión incompleta, por pérdidas de calor al exterior de la máquina (por fenómenos de conducción y radiación) y debido a rozamientos en cojinetes y empaquetaduras.


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09 Abr 2008 20:13
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Ciclo De Brayton Con Recuperación
.

Ya sabemos que se puede mejorar la eficiencia del ciclo simple de una Turbina De Gas, calentando el aire que sale del compresor con el gas de escape de la turbina, mediante un Cambiador De Calor llamado Recuperador. Ello nos permite reducir el calor aportado externamente.
Adjunto:
recuperacion 1.jpg

Adjunto:
recuperacion 2.jpg

Adjunto:
recuperacion 3.jpg


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09 Abr 2008 21:49
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Ciclo De Brayton Con Recuperación
Adjunto:
recuperacion 4.jpg

Adjunto:
recuperacion 5.jpg


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09 Abr 2008 21:52
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Ciclo De Brayton Con Recalentamiento
.

Se puede conseguir un aumento del trabajo obtenido si se fracciona en dos partes la expansión en la turbina, recalentando los gases entre las dos etapas.

El punto óptimo de la expansión para efectuar el recalentamiento es el que hace que las relaciones de expansión (y por tanto los saltos de temperatura y los trabajos obtenidos) sean iguales en las dos turbinas.

Ello, como se dijo, incrementa significativamente el trabajo obtenido, aunque a costa de una disminución en el rendimiento. Esta disminución es menor a temperaturas más elevadas.
Adjunto:
brayton con recalentamiento 1.jpg

Adjunto:
brayton con recalentamiento 2.jpg

Adjunto:
brayton con recalentamiento 3.jpg


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09 Abr 2008 22:19
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Ciclo De Brayton Con Recalentamiento
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brayton con recalentamiento 4.jpg

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brayton con recalentamiento 5.jpg


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09 Abr 2008 22:23
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: Ciclo Con Recuperación Y Recalentamiento
.

La disminución del rendimiento aludida en el Ciclo De Brayton Con Recalentamiento Intermedio puede subsanarse utilizando, además, la recuperación.

La mayor temperatura alcanzada ahora por los gases de escape puede usarse en el intercambiador. El rendimiento del ciclo con recuperación y recalentamiento es mayor que cuando no hay recalentamiento.
Adjunto:
recuperación con recalentamiento 1.jpg

Adjunto:
recuperación con recalentamiento 2.jpg

Adjunto:
recuperación con recalentamiento 3.jpg


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09 Abr 2008 23:14
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: Ciclo Con Recuperación Y Recalentamiento
Adjunto:
recuperación con recalentamiento 4.jpg

Adjunto:
recuperación con recalentamiento 5.jpg

Adjunto:
recuperación con recalentamiento 6.jpg


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09 Abr 2008 23:17
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Nuevo mensaje Refrigeración Intermedia+Recalentamiento+Recuperación
.

El Ciclo Con Refrigeración Intermedia permite disminuir el trabajo de compresión.

Los rendimientos que se obtienen son similares a los del ciclo con recalentamiento, pero más cercanos al ciclo simple.

En general una modificación en la parte de baja temperatura del ciclo es menos significativa que una modificación de la misma magnitud en la parte de alta temperatura.
Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 1.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 2.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 3.jpg


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10 Abr 2008 21:55
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Nuevo mensaje Refrigeración Intermedia+Recalentamiento+Recuperación
Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 4.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 5.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 6.jpg


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Nuevo mensaje Refrigeración Intermedia+Recalentamiento+Recuperación
Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 7.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 8.jpg

Adjunto:
recalentamiento recuperacion refrigeracion 9.jpg


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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Compresor
Queridos amigos:

Recordemos que la primera ley de la termodinámica establece un balance de energía en el sistema considerado y nos dice que el incremento de calor (entregado o sustraido al sistema) equivale al aumento (o descenso) de la energía interna más el incremento de trabajo (entregado o sustraido).

El trabajo puede ser debido a:

Las variaciones de presión.

Las variaciones de velocidad (energía cinética)

Las variaciones de altura (energía potencial).

Para una turbomáquina hidraulica, la variación de energía potencial es fundamental (un salto de agua) pero, en nuestro caso, no la tendremos en cuenta al no existir variación de la misma (toda la máquina opera en el mismo plano).

Así, sólo será relevante el incremento de trabajo por vía cinética y de presión.

En un compresor volumétrico, el aumento de la presión del fluído tiene lugar por disminución del volumen en la cámara de compresión.

En un turbocompresor, el fluído (el aire), primero se acelera y después, se transforma la energía cinética del fluído en presión.

Se utilizan dos tipos de turbocompresor:

El compresor centrífugo o radial.

El compresor axial.
Adjunto:
radial.jpg

En el primer caso, la aceleración del aire es en sentido radial, hacia fuera.
Adjunto:
axial.jpg

En el segundo, el aire es acelerado en el sentido del eje de la turbomáquina.


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13 Abr 2008 19:19
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Compresor
.

COMPRESOR RADIAL
Un compresor de flujo radial consta de dos partes principales:

El rotor y

El difusor.

El rotor o rodete comunica la energía cinética al aire (lo acelera) y, en el difusor, se transforma la energía cinética en presión.
Adjunto:
radial en seccion.jpg

El difusor es el espacio que circunda al rodete y, según se dijo, constituye la zona de transformación de la energía cinética en presión, mediante la disminución controlada de la velocidad del fluido.

A continuación, se muestra un rodete típico.
Adjunto:
rodete compresor radial 1.jpg

Adjunto:
difusor.jpg

Se pretende que el aire llegue a la cámara de combustión a la velocidad más baja posible. La velocidad usual a la salida del compresor es de 90 m/s.
El aire de salida del rodete se divide en un número de corrientes separadas mediante álabes fijos. Normalmente los conductos son de profundidad constante, siendo la anchura la que diverge.


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13 Abr 2008 19:29
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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Compresor
.

COMPRESOR AXIAL
Adjunto:
alabes axial 2.jpg

Un compresor de flujo axial está formado por una rueda móvil, llamada rotor, dotada de láminas o álabes, seguida de una corona de paletas o álabes fijos, llamada estator.

A la entrada del compresor existe una corona de vanos fijos, cuya misión es hacer de guía del aire, pero que no es considerada como parte del compresor, ya que su única finalidad es orientar el flujo del aire convenientemente hacia la rueda móvil, sin producir elevación de presión ni reducción de la velocidad.
Adjunto:
rotor compresor axial.jpg

Los álabes del rotor están montados sobre un tambor, calado sobre el eje de giro.
Adjunto:
estator compresor axial.jpg

Los álabes del estator van sobre la carcasa que cierra la turbomáquina por el exterior.


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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Compresor
.

Un compresor axial (lo mismo que un compresor radial) puede estar formado por varias etapas rotor - estator o escalonamientos. A continuación, se muestra un compresor, con escalonamientos múltiples.
Adjunto:
turbocompresor axial.jpg

En la figura siguiente, se muestran dos escalonamientos, en los que se aprecia cómo, en el estator, tiene lugar el intercambio entre energía cinéticay energía de presión, que se va incrementando de escalonamiento en escalonamiento.
Adjunto:
escalonamientos 1.jpg

El camino del flujo de un compresor axial disminuye en área de sección transversal en la dirección del flujo, reduciendo el volumen del aire a medida que progresa la compresión de escalón a escalón y manteniendo constante la velocidad axial del aire a medida que la densidad aumenta a lo largo de toda la longitud del compresor.
Adjunto:
escalonamientos 2.jpg

La convergencia del paso anular del aire se consigue por medio de la conicidad del estator o del rotor. También es posible una combinación de ambos.


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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: El Compresor
.

Los álabes del compresor no están rígidamente unidos al tambor del eje, sino que están sueltos en sus bases de manera que están libres para balancearse.

Cuando la turbomáquina está funcionando, la fuerza centrífuga mantiene a los álabes en su posición correcta.

El que los álabes estén sueltos evita esfuerzos en la raíz. Una forma generalizada de unir los álabes a los discos del tambor es por el método de ajuste mostrado en la figura.
Adjunto:
sujeccion de los alabes 1.jpg

Casi todos los álabes de compresor están diseñados con cierto grado de torsión para darles el correcto gradiente de presión a lo largo de su longitud a medida que su velocidad cambia de la raíz a la punta.
Adjunto:
sujeccion de los alabes 2.jpg

La punta de un álabe de compresor es de suma importancia.

Algunas puntas de álabes son cuadradas, y otras tienen reducido el espesor.

Estas puntas con el espesor reducido se llaman puntas de perfil. Las puntas más delgadas tienen una alta frecuencia de resonancia natural y por lo tanto no están sujetas a las vibraciones que afectarían a un álabe con la punta cuadrada.
Adjunto:
sujeccion alabes del estator.jpg

Los álabes fijos del estátor están montados en anillos de retención que están unidos a la carcasa del compresor.

Para terminar, señalar que la relación de compresión de un compresor de flujo axial es elevada.

La relación de presión por cada etapa es baja, pero usando un gran número de etapas, la relación total puede ser muy alta.

Si la relación de presión a través de cada etapa es solo de aproximadamente 1,2:1, la presión del aire en la descarga de cada etapa es de 1,2 veces la presión del aire a la entrada de cada respectiva etapa.

La relación total de presión puede determinarse hallando la elevación de presión en cada etapa y luego dividiendo la presión final por la presión a la entrada.

Por ejemplo, si hay nueve etapas, y cada etapa tiene una relación de presión de 1,2, la relación total de presión es de 5,16.

1,2· 1,2· 1,2· 1,2· 1,2· 1,2· 1,2· 1,2· 1,2 = 5,159

Si se conoce la presión de descarga, la presión de entrada, y el número de etapas de compresión, la elevación de presión por etapa puede hallarse extrayendo la raíz n de la relación de compresión, siendo n el número de etapas de compresión.


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Nuevo mensaje La Turbina De Gas: La Cámara De Combustión
.

La Cámara De Combustión tiene la difícil tarea de quemar grandes cantidades de combustible, suministrado a través de inyectores, con extensos volúmenes de aire, suministrados por el compresor, y liberar la energía de tal manera que el aire se expanda y acelere para proporcionar una corriente constante de gas uniformemente calentada en todas las condiciones requeridas por la turbina.

Esta tarea debe realizarse con la mínima pérdida de presión y con la máxima liberación de calor para el limitado espacio disponible.

La elevación de temperatura debe estar en la gama de 700º C a 1.200º C.

Debido a que el aire ya está calentado por el trabajo añadido durante la compresión, la elevación de temperatura requerida en la cámara de combustión puede estar entre 500º C y 800º C.
Adjunto:
camara de combustion distribucion flujo aire.jpg

El aire procedente del compresor entra en la cámara de combustióna una velocidad de 150 m/s o 540 Km/h, pero dado que esta velocidad es demasiado alta para la combustión, lo primero que la cámara debe hacer es difundirla o dispersarla, es decir desacelerarla y elevar su presión estática.
Adjunto:
camara de combustion basica.jpg

Aproximadamente el 20 por ciento de la masa de flujo de aire entra en la boca o sección de entrada de la cámara.

Inmediatamente aguas abajo de la boca están los pequeños álabes fijos generadores de torbellino y una campana perforada que actúa de estabilizador o deflector, a través de la cual el aire pasa dentro de la zona de combustión primaria.

El aire turbulento induce un flujo hacia el centro del tubo de llama y promueve la recirculación deseada.

El aire que no entra por la boca de entrada de la cámara fluye dentro del espacio anular entre el tubo de llama y la carcasa o cárter de refrigeración.

A lo largo de la pared del cuerpo del tubo de llamas, adyacente a la zona de combustión, existe un determinado número de orificios a través de los cuales fluye una parte del flujo principal de aire que pasa dentro de la zona primaria.

El aire procedente del generador de torbellinos y el que procede de los orificios de aire primario actúan entre si y crean una región de recirculación de baja velocidad. Esta toma la forma de un torbellino toroidal similar a un anillo de humo, y tiene el efecto de estabilizar y fijar la llama.

Los gases de recirculación aceleran la combustión del combustible fresco inyectado elevándole a la temperatura de ignición.
Adjunto:
camara de combustion estabilizacion del frente de llama.jpg

La temperatura de los gases de la combustión liberada en la zona de combustión es aproximadamente de 1.800 a 2000 grados centígrados, la cual es demasiado caliente para entrar en los álabesguías de entrada en la turbina.

El aire que no se usa para la combustión, que supone aproximadamente del 60 al 75 por ciento del flujo total de aire, se introduce
progresivamente dentro del tubo de llama.

Aproximadamente la mitad de este aire se usa para bajar la temperatura del gas antes de que entre en la turbina, y la otra mitad se usa para refrigerar las paredes del tubo de llama.

La combustión debería estar completa antes de que el aire de dilución entre en el tubo de llama, de lo contrario el aire que llega enfriará la llama resultando una combustión incompleta.

Una chispa eléctrica procedente de una bujía inicia la combustión, luego la llama se automantiene.


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15 Abr 2008 23:07
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El aire no utilizado directamente para la combustión supone el 60 % del flujo total aportado por el compresor y es introducido gradualmente en el tnterior del tubo de llama.

Una tercera parte se emplea para reducir la temperatura de los gases, aguas abajo del tubo de llama, en la zona de recirculación, antes de que éstos pasen a la turbina y el remanente del aire se usa para refrigerar las paredes del tubo de llama.

La recirculación tiene lugar después de la combustión, como ya quedó dicho, ya que, en caso contrario, el efecto sería el de enfriar el frente de llama, dando lugar a una combustión incompleta y a la producción de gases -todavía- combustibles que entrarían a la turbina con efectos negativos, el menor de los cuales sería el ensuciamiento de los álabes de la misma.

Los métodos de refrigeración de las paredes del tubo de llama son variados y, de ellos, se muestran algunos, a continuación.
Adjunto:
camara de combustion metodos de refrigeracion 1.jpg

Adjunto:
camara de combustion metodos de refrigeracion 2.jpg

Adjunto:
camara de combustion metodos de refrigeracion 4.jpg


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18 Abr 2008 13:28
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.

Para incorporar el combustible a la corriente de aire, se usan dos principios, uno basado en la inyección de una pulverización finamente atomizada en una corriente de aire de recirculación, y el otro basado en la prevaporización del combustible antes de que entre la zona de combustión.

Aunque la inyección del combustible por medio de chorros atomizadores es el método más común, algunas turbinas usan el principio de vaporización del combustible.
Adjunto:
camara de combustion vaporizador.jpg

En este ejemplo, el tubo de llama es de la misma forma general que para la atomización, pero no tiene generador de torbellino ni campana perforada.


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18 Abr 2008 13:42
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CAMARA DE COMBUSTION MULTITUBULAR
Este tipo de cámara de combustión se usa en las turbomáquinas con compresor centrífugo y en los primeros tipos de aquéllas con compresor de flujo axial.

Las cámaras están dispuestas alrededor del eje de la turbomáquina y el aire entregado por el compresor se dirige por medio de conductos hacia el interior de las cámaras individuales.
Adjunto:
camara de combustion multiple.jpg

Cada cámara tiene un tubo de llama interior alrededor del cual hay una carcasa de aire.

El aire pasa a través de la boca de entrada del tubo de llama y también entre el tubo y la carcasa exterior como se ha descrito.

Los tubos de llama independientes están todos interconectados. Esto permite que todos los tubos funcionen a la misma presión y también permite que la combustión se propague alrededor de los tubos de llama durante el arranque.


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Traducción al español por Huan Manwë para phpbb-es.com