La turbina de gas más sencilla es la de ciclo Joule simple abierto y consta de un compresor de aire, de una cámara de combustión, de una turbina propiamente dicha y de dispositivos auxiliares, para la lubricación, alimentación de combustible, regulación de velocidad, etc. El aire atmosférico, aspirado por el compresor, alimenta
la cámara de combustión a altas presiones. En la cámara de combustión se inyecta el combustible de forma continua por medio de una bomba adecuada. La combustión, una vez iniciada, continúa a presión constante, a temperaturas elevadas. Los gases obtenidos se expansionan sobre los rodetes de la turbina para hacer rotar su eje y el del compresor; es decir, que este gas provee la potencia necesaria para la compresión y para la generación de potencia en el árbol de la turbina. Y por último los gases se liberan a la atmósfera. La turbina de gas admite combustibles, cuya cantidad de cenizas producidas no excede cierto límite: generalmente, se emplea el gas natural, el petróleo bruto, el aceite pesado y el gas de altos hornos, aunque este último precise una instalación de filtrado de polvo antes de su entrada al equipo.
Hay métodos para mejorar la eficiencia térmica de una turbina de gas, se puede recuperar una parte del calor perdido en los gases de escape a alta temperatura mediante el ciclo abierto con regeneración, utilizando uno o más regeneradores o intercambiadores de calor entre la salida del compresor y la entrada de la cámara de combustión, precalentándose de esta forma el aire por la acción de los gases de escape de la turbina. Todavía puede aumentarse más la eficiencia térmica mediante el ciclo abierto con regeneración y refrigeración, es decir, refrigerando el aire de salida del compresor e inyectándolo en otro compresor de alta presión; los refrigerantes trabajan a contracorriente, y por lo general, las turbinas correspondientes son de dos o más ejes, y están provistas de regeneradores.
Y en el caso de la turbina de gas de ciclo cerrado, se hace recircular prácticamente todo el fluido de trabajo de forma continua; el calor procedente de un calentador de alta temperatura (que sustituya a la cámara de combustión) o de un reactor nuclear que transmita a la turbina. Los gases de escape de ésta se refrigeran antes de introducirlos nuevamente en el compresor, a la salida del cual se introducen nuevamente en el calentador. En el ciclo cerrado pueden emplearse otros gases, además del aire como helio, anhídrido carbónico y nitrógeno, lo que representa una especial ventaja en un ciclo combinado con un reactor nuclear.
Aprovechando la elevada temperatura de los gases de escape, pueden realizarse ciclos combinados gas-vapor, en los que el calor de los gases de escape de la turbina de gas se emplean para generar vapor en una caldera de recuperación de calor necesario para una turbina de vapor o, en otros casos, para calentar directamente el aire de combustión del propio generador de vapor. De esta forma, puede aumentarse considerablemente la eficiencia térmica de una central generadora con turbina de vapor.
Comparando las ventajas de las turbinas de gas con las de vapor, se establece que las turbinas de gas presentan una instalación más compacta, menos dispositivos auxiliares, no necesitan condensador, no necesitan agua, no necesitan chimenea, lubricación más sencilla, cimientos más ligeros y menor relación peso-potencia. Entre sus inconvenientes la necesidad de estar construidas con materiales especiales (aceros al níquel, cromo y cobalto), debido a las altas temperaturas alcanzadas.
Ya se mencionó que los procesos reales presentan una gran complejidad, pero que en su estudio inicial, es preciso examinar sus características más importantes, esto sin promover un análisis detallado. De este modo, un modelo matemático simple ofrece la facilidad de resaltar los parámetros más importantes que gobiernan en los ciclos de aire. Por lo tanto, eliminando del proceso real todas sus complicaciones y reteniendo sólo un mínimo indispensable de detalles, el ingeniero puede analizar la influencia de estos parámetros sobre la operación de los dispositivos de turbomaquinaria.
Por lo tanto, el estudio de las turbinas de gas se orienta al análisis paramétrico del ciclo Joule simple abierto. Comenzando por la explicación de cada uno de sus procesos elementales.
Figura 2.2.1. Diagrama Temperatura - Entropía del Ciclo Joule simple abierto.
En la Figura 2.2.1 se puede analizar que del estado 1 al 2s se tiene el proceso isoentrópico de compresión (proceso ideal), en el que se comprime el aire para elevar su presión y temperatura, a entropía constante. Del estado 1 al 2 se presenta el proceso politrópico de compresión (proceso real) en el que se nota una elevación de temperatura mayor que en el caso del proceso ideal, y que la presión alcanzada es la misma que la alcanzada en el proceso de compresión ideal pero con un apreciable aumento de entropía. Del estado 2 al 3 se tiene el proceso isobárico de calentamiento, en el cual se realiza la combustión, y tiene como objeto elevar la temperatura del aire a presión constante en la cámara de combustión. Del estado 3 al 4s se presenta un proceso isoentrópico de expansión, donde se provoca que la temperatura y presión del aire disminuyan a entropía constante, en la turbina de gas. Y por último, del estado 3 al 4 se presenta el proceso politrópico de expansión,
4 4s 3 2 2s 1 TEM P ERA TURA ENTROPÍA
donde el descenso de temperatura es menor que en el caso del proceso de expansión isoentrópica, y se puede notar un apreciable aumento de entropía.
Otra forma de representar gráficamente al ciclo Joule simple abierto es mediante el diagrama Presión contra Volumen, donde se pueden observar los procesos ya analizados, pero con una explicación detallada de los cambios de presión y de volumen (Ver Figura 2.2.2).
Figura 2.2.2. Diagrama Presión - Volumen del Ciclo Joule simple Abierto.
En la Figura 2.2.2 se puede observar que del estado 1 al 2s se tiene el proceso isoentrópico de compresión (proceso ideal), en el que se comprime el aire para reducir su volumen y elevar su presión a entropía constante. Del estado 1 al 2 se presenta el proceso politrópico de compresión (proceso real) en el que se nota una reducción de volumen ligeramente menor que en el caso del proceso ideal, el cual alcanza la misma presión de compresión. Del estado 2 al 3 se tiene el proceso isobárico de calentamiento, donde claramente se puede observar el aumento de volumen a presión constante. Del estado 3 al 4s se presenta el proceso de expansión isoentrópica, donde se provoca que la presión disminuya y el volumen aumente a entropía constante. Y por último, del estado 3 al 4 se presenta el proceso politrópico de expansión, en el que la presión se reduce hasta la presión inicial y el aumento de volumen es mayor que en el caso del proceso de expansión isoentrópica. PRESIÓN VOLUMEN 4 4s 3 2 2s 1