Turbina de gas

Ejemplos de configuraciones de turbina de gas: (1) turbojet, (2) turboprop, (3) turboshaft (que se presenta como generador eléctrico), (4) turbofán de alto bypass, (5) turbofán de baja deriva después de quemar turbofán

Una turbina de gas, también llamada turbina de combustión, es un tipo de motor de combustión interna de flujo continuo. Las partes principales comunes a todos los motores de turbina de gas forman la parte productora de energía (conocida como generador de gas o núcleo) y son, en la dirección del flujo:

• un compresor de gas giratorio
• un combustión
• una turbina que conduce compresor.

Se deben agregar componentes adicionales al generador de gas para adaptarse a su aplicación. Todos tienen en común una entrada de aire, pero con diferentes configuraciones para adaptarse a los requisitos de uso marino, uso terrestre o vuelo a velocidades que varían de estacionarias a 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 canalizado (turboventilador) para reducir el consumo de combustible (al aumentar la eficiencia de propulsión) a velocidades de vuelo subsónicas. También se requiere una turbina adicional para impulsar 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 dispositivo de poscombustión.

La operación básica 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 una presión más alta; 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 una salida de trabajo en el eje en el proceso, que se utiliza para accionar el compresor; la energía no utilizada sale en los gases de escape que pueden reutilizarse para trabajo externo, como producir empuje directamente 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 para que se logre la división de energía más deseable 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.

Cronología de desarrollo

Sketch de la turbina de gas de John Barber, de su patente

• 50: registros más antiguos del motor de Hero (aeolipile). Lo más probable es que no sirviera un propósito práctico, y era más bien una curiosidad; sin embargo, demostró un principio importante de la física en el que todos los motores modernos de turbina dependen.
• 1000: La "Lámpara de Caballo Reconstruido" (Chino: ., z∫umădēng) fue utilizado por los chinos en las ferias de linternas tan temprano como la dinastía de la canción norte. Cuando se enciende la lámpara, el flujo de aire calentado se eleva y conduce un impulsor con figuras a caballo adheridas a ella, cuyas sombras se proyectan en la pantalla exterior de la linterna.
• 1500: El Fuma Jack fue dibujado por Leonardo da Vinci: El aire caliente de un fuego se eleva a través de un rotor de turbina axial de una sola etapa montado en el conducto de escape de la chimenea y gira el escupido asado por conexión de cadena de engranaje.
• 1629: Los Jets de vapor rotaron una turbina de impulso que luego conducía un molino de estampación de trabajo mediante un engranaje de bevel, desarrollado por Giovanni Branca.
• 1678: Ferdinand Verbiest construyó un carruaje modelo basado en un chorro de vapor para poder.
• 1791: Se dio una patente a John Barber, un inglés, para la primera verdadera turbina de gas. Su invención tenía la mayoría de los elementos presentes en las turbinas de gas del día moderno. La turbina fue diseñada para alimentar un carruaje sin caballos.
• 1861: La patente británica No 1633 fue otorgada a Marc Antoine Francois Mennons por un "motor católico". La patente muestra que era una turbina de gas y los dibujos lo muestran aplicado a una locomotora.
• 1872: Se cree que un motor de turbina de gas diseñado por el ingeniero de Berlín, Franz Stolze, es el primer intento de crear un modelo de trabajo, pero el motor nunca corrió bajo su propio poder.
• 1894: Sir Charles Parsons patentó la idea de impulsar un barco con una turbina de vapor, y construyó un buque de demostración, el Turbinia, fácilmente el barco más rápido aflotar en ese momento. Este principio de propulsión sigue siendo útil.
• 1895: Tres 4 toneladas 100 kW Parsons generadores de flujo radial fueron instalados en la estación de energía de Cambridge, y se utiliza para alimentar el primer sistema de iluminación de calle eléctrica en la ciudad.
• 1899: Charles Gordon Curtis patentó el primer motor de turbina de gas en los Estados Unidos ("Apparatus para generar potencia mecánica", patente No. US635,919).
• 1900: Sanford Alexander Moss presentó una tesis sobre turbinas de gas. En 1903, Moss se convirtió en ingeniero del Departamento de Turbinas Steam del General Electric en Lynn, Massachusetts. Mientras estaba allí, aplicó algunos de sus conceptos en el desarrollo del turbosupercharger. Su diseño utilizó una pequeña rueda de turbina, impulsada por gases de escape, para convertir un supercargador.
• 1903: Un noruego, Ègidius Elling, construyó la primera turbina de gas que pudo producir más potencia de lo necesario para ejecutar sus propios componentes, lo que se consideró un logro en un momento en que el conocimiento sobre la aerodinámica era limitado. Usando compresores giratorios y turbinas produjo 11 hp.
• 1906: El motor de turbina Armengaud-Lemale en Francia con una cámara de combustión refrigerada por agua.
• 1910: La turbina de impulso Holzwarth (combustión de pulso) alcanzó 150 kW (200 hp).
• 1913: Nikola Tesla patenta la turbina Tesla basada en el efecto de la capa fronteriza.
• 1920s La teoría práctica del flujo de gas a través de los pasajes se desarrolló en la teoría más formal (y aplicable a las turbinas) del flujo de gas pasados de los aires por A. A. Griffith dando lugar a la publicación en 1926 de Una Teoría Aerodinámica del Diseño de Turbina. El Royal Aeronautical Establishment desarrolló diseños de turbinas axiales adecuadas para conducir una hélice, lo que demuestra la eficiencia de la formación aerodinámica de las cuchillas en 1929.
• 1930: Al no haber encontrado interés de la RAF por su idea, Frank Whittle patentó el diseño de una turbina de gas centrífuga para la propulsión de jet. El primer uso exitoso de su motor ocurrió en Inglaterra en abril de 1937.
• 1932: BBC Brown, Boveri & Cie de Suiza comienza a vender compresores axiales y turbinas como parte de la caldera de vapor turbocargada que genera Velox. Siguiendo el principio de la turbina de gas, los tubos de evaporación de vapor se organizan dentro de la cámara de combustión de turbinas de gas; la primera planta Velox fue erigida en Mondeville, Calvados, Francia.
• 1934: Raúl Pateras de Pescara patentó el motor de pistón libre como generador de gas para turbinas de gas.
• 1936: Whittle with others backed by investment forms Power Jets Ltd
• 1937: El prototipo de prueba de concepto del motor jet funciona en Reino Unido (Frank Whittle) y Alemania (Hans von Ohain's Heinkel HeS 1). Henry Tizard asegura financiamiento del gobierno del Reino Unido para el desarrollo ulterior de Power Jets motor.
• 1939: First 4 MW power generation gas turbine from BBC Brown, Boveri & Cie. for an emergency power station in Neuchâtel, Switzerland.
• 1944: El motor Junkers Jumo 004 entra en plena producción, potenciando los primeros jets militares alemanes como el Messerschmitt Me 262. Esto marca el comienzo del reinado de las turbinas de gas en el cielo.
• 1946: National Gas Turbine Establishment formado por Power Jets y la división de turbinas RAE para reunir el trabajo de Whittle y Hayne Constant. En Beznau, Suiza se encargó la primera unidad comercial recalentada/recuperada que generó 27 MW.
• 1947: A Metropolitan Vickers G1 (Gatric) se convierte en la primera turbina de gas marino cuando completa los ensayos de mar en el buque M.G.B 2009 de la Marina Real. El Gatric era una turbina de gas aeroderivada basada en el motor Metropolitan Vickers F2.
• 1995: Siemens se convierte en el primer fabricante de grandes turbinas de gas que producen electricidad para incorporar la tecnología única de turbina de cristal en sus modelos de producción, permitiendo mayores temperaturas operativas y mayor eficiencia.
• 2011 Mitsubishi Heavy Las industrias prueban la primera turbina de gas de ciclo combinado de eficiencia del mento60% (el M501J) en su Takasago, Hyōgo, funciona.

Teoría de funcionamiento

El ciclo Brayton

En una turbina de gas ideal, los gases se someten a cuatro procesos termodinámicos: una compresión isentrópica, una combustión isobárica (presión constante), una expansión isentrópica y el rechazo de calor. Juntos, estos forman el ciclo Brayton.

En una turbina de gas real, la energía mecánica se transforma de manera irreversible (debido a la fricción interna y la turbulencia) en presión y energía térmica cuando se comprime el gas (ya sea en un compresor centrífugo o axial). Se añade calor en la cámara de combustión y aumenta el volumen específico del gas, acompañado de una ligera pérdida de presión. Durante la expansión a través de los pasos del estator y del rotor en la turbina, se produce una vez más una transformación de energía irreversible. Se toma aire fresco en lugar del rechazo de calor.

Si el motor tiene una turbina de potencia añadida 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 con solo la energía suficiente para superar las pérdidas de presión en el conducto de escape y expulsar el escape Para un motor turbohélice, habrá un equilibrio particular entre la potencia de la hélice y el empuje del chorro que proporciona la operación más económica. En un motor turborreactor, solo se extrae suficiente presión y energía del flujo para accionar el compresor y otros componentes. Los gases de alta presión restantes 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 hoja. 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.

Mecánicamente, las turbinas de gas pueden ser considerablemente menos complejas que los motores de pistón de combustión interna. 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 costo de 10 000 ℛℳ en materiales, el Jumo 004 resultó ser más económico que el motor de pistón Junkers 213, que costaba 35 000 ℛℳ, y solo necesitó 375 horas de mano de obra menos calificada para completarse (incluida la fabricación, el ensamblaje y el envío), en comparación con 1400 para el BMW 801. Esto, sin embargo, también se tradujo en poca eficiencia y confiabilidad. Las turbinas de gas más avanzadas (como las que se encuentran en los motores a reacción modernos o en las centrales eléctricas de ciclo combinado) pueden tener 2 o 3 ejes (carretes), cientos de compresores y álabes de turbina, 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 a menudo hace que la construcción de una turbina de gas simple sea más complicada que la de un motor de pistón.

Además, para alcanzar un rendimiento óptimo en las centrales eléctricas de turbinas de gas modernas, 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 de combustible antes de ingresar a la turbina en términos de presión, temperatura, composición del gas y el índice Wobbe relacionado.

La principal ventaja de un motor de turbina de gas es su relación potencia-peso. Dado que un motor relativamente ligero puede generar un trabajo útil significativo, las turbinas de gas son perfectamente adecuadas para la propulsión de aeronaves.

Los cojinetes de empuje y los cojinetes lisos son una parte fundamental de un diseño. Son cojinetes de aceite hidrodinámicos o cojinetes de elementos rodantes refrigerados por aceite. Los cojinetes de láminas se utilizan en algunas máquinas pequeñas, como microturbinas, y también tienen un gran potencial para su uso en pequeñas turbinas de gas/unidades de potencia auxiliar.

Arrastrarse

Un desafío importante que enfrenta el diseño de turbinas, especialmente las palas de las turbinas, es reducir la fluencia inducida por las altas temperaturas y las tensiones que se experimentan durante la operación. Se buscan continuamente temperaturas de operación más altas para aumentar la eficiencia, pero tienen el costo de tasas de fluencia más altas. Por lo tanto, se han empleado varios métodos en un intento de lograr un rendimiento óptimo mientras se limita la fluencia, siendo los más exitosos los recubrimientos de alto rendimiento y las superaleaciones monocristalinas. Estas tecnologías funcionan limitando la deformación que se produce por mecanismos que pueden clasificarse en términos generales como deslizamiento de dislocaciones, ascenso de dislocaciones y flujo de difusión.

Los revestimientos protectores proporcionan aislamiento térmico de la cuchilla y ofrecen resistencia a la oxidación y la corrosión. Los recubrimientos de barrera térmica (TBC) a menudo son cerámicas estabilizadas a base de dióxido de circonio y los recubrimientos resistentes a la oxidación/corrosión (capas adhesivas) generalmente 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 reduce la difusividad de las especies activas (normalmente 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 reducir la temperatura de las hojas hasta en 200 °C (392 °F). Las capas adhesivas se aplican directamente sobre la superficie del sustrato mediante la carburación en paquete y tienen el doble propósito de proporcionar una adherencia mejorada para el TBC y resistencia a la oxidación para el sustrato. El Al de las capas de enlace forma Al₂O₃ en la interfaz TBC-capa de enlace que proporciona resistencia a la oxidación, pero también da como resultado la formación de una interdifusión no deseada (ID) zona entre sí mismo y el sustrato. La resistencia a la oxidación supera los inconvenientes asociados con la zona de identificación, ya que aumenta la vida útil de la hoja y limita las pérdidas de eficiencia causadas por una acumulación en el exterior de las hojas.

Las superaleaciones a base de níquel cuentan con una mayor resistencia y resistencia a la fluencia debido a su composición y microestructura resultante. El níquel gamma (γ) FCC está aleado con aluminio y titanio para precipitar una dispersión uniforme del Ni₃ coherente. (Al,Ti) gamma-prime (γ') fases. El γ' finamente disperso los precipitados impiden el movimiento de dislocación e introducen una tensión umbral, lo que aumenta la tensión requerida para el inicio de la fluencia. Además, γ' es una fase L1₂ ordenada que dificulta el paso de las dislocaciones. Se pueden agregar otros elementos refractarios como el renio y el rutenio en una 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 resistencia y la resistencia a la fluencia. El desarrollo de superaleaciones monocristalinas también ha llevado 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 reduce la tasa de fluencia. Aunque los monocristales tienen una fluencia más baja a altas temperaturas, tienen tensiones de fluencia significativamente más bajas 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.

Tipos

Motores a reacción

típico axial-flow gas turbina turbojet, el J85, seccionado para mostrar. Flujo se deja a la derecha, compresor multietapa a la izquierda, centro de cámaras de combustión, turbina de dos etapas a la derecha

Los motores a reacción que respiran aire son turbinas de gas optimizadas para generar empuje a partir de los gases de escape o de ventiladores canalizados conectados a las turbinas de gas. Los motores a reacción que producen empuje a partir del impulso directo de los gases de escape a menudo se denominan turborreactores, mientras que los que generan empuje con la adición de un ventilador con conductos a menudo se denominan turboventiladores o (rara vez) ventiladores.

Las turbinas de gas también se usan en muchos cohetes de combustible líquido, donde las turbinas de gas se usan para impulsar una turbobomba para permitir el uso de tanques livianos de baja presión, lo que reduce el peso vacío del cohete.

Motores turbohélice

Un motor turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión mediante un engranaje reductor. Los motores turbohélice se utilizan en aviones pequeños como el Cessna 208 Caravan de aviación general y el entrenador militar Embraer EMB 312 Tucano, aviones de pasajeros medianos como el Bombardier Dash 8 y aviones grandes como el transporte Airbus A400M y el de 60 años. viejo bombardero estratégico Tupolev Tu-95.

Turbinas de gas aeroderivadas

LM6000 en una aplicación de planta eléctrica

Las turbinas de gas aeroderivadas generalmente se basan en motores de turbinas de gas de aviones existentes y son más pequeñas y livianas que las turbinas de gas industriales.

Los aeroderivados se utilizan en la generación de energía eléctrica debido a su capacidad para apagarse y manejar los cambios de carga más rápidamente que las máquinas industriales. También se utilizan en la industria marítima 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.

Turbinas de gas para aficionados

Los aficionados están utilizando o incluso construyendo un número cada vez mayor de turbinas de gas.

En su forma más sencilla, se trata de turbinas comerciales adquiridas a través de excedentes militares o ventas de desguace, que luego se utilizan para exhibirlas como parte del pasatiempo de coleccionar motores. En su forma más extrema, los aficionados incluso han reconstruido motores más allá de la reparación profesional y luego los han usado para competir por el récord de velocidad en tierra.

La forma más simple de turbina de gas autoconstruida emplea un turbocompresor automotriz como componente central. Se fabrica y conecta una cámara de combustión entre las secciones del compresor y la turbina.

También se construyen turborreactores más sofisticados, donde su empuje y peso ligero son suficientes para propulsar modelos de aviones grandes. El diseño de Schreckling construye todo el motor a partir de materias primas, incluida la fabricación de una rueda de compresor centrífugo de madera contrachapada, epoxi y hilos de fibra de carbono envueltos.

Varias pequeñas empresas ahora fabrican pequeñas turbinas y piezas para aficionados. La mayoría de los modelos de aviones propulsados por turborreactores ahora utilizan estas microturbinas comerciales y semicomerciales, en lugar de una construcción casera similar a Schreckling.

Unidades auxiliares de potencia

Las turbinas de gas pequeñas se utilizan como unidades de energía auxiliar (APU) para suministrar energía auxiliar a máquinas móviles más grandes, como un avión. Ellos suministran:

• aire comprimido para aire acondicionado y ventilación,
• potencia de arranque de aire comprimido para motores de jet más grandes,
• potencia mecánica (accionamiento) a una caja de cambios para accionar accesorios de eje, y
• Fuentes eléctricas, hidráulicas y otras fuentes de transmisión de energía para consumir dispositivos alejados de la APU.

Turbinas de gas industriales para generación de energía

Gateway Generating Station, una central eléctrica de ciclo combinado en California, utiliza dos turbinas de combustión GE 7F.04 para quemar gas natural.

GE Turbina de gas de la serie H: en la configuración de ciclo combinado, su mayor eficiencia termodinámica es 62.22%

Las turbinas de gas industriales se diferencian de los diseños aeronáuticos en que los armazones, los cojinetes y las palas son de construcción más pesada. También están mucho más 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).

Varían en tamaño desde plantas móviles portátiles hasta sistemas grandes y complejos que pesan más de cien toneladas alojados en edificios especialmente diseñados. Cuando la turbina de gas se utiliza únicamente para la potencia del eje, su eficiencia térmica es de alrededor del 30 %. Sin embargo, puede ser más barato comprar electricidad que generarla. Por lo tanto, muchos motores se utilizan en configuraciones CHP (Combined Heat and Power) que pueden ser lo suficientemente pequeñas 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 de recuperación de calor (HRSG) para impulsar una turbina de vapor convencional en una configuración de ciclo combinado. El General Electric 9HA de 605 MW logró una tasa de eficiencia del 62,22 % con temperaturas de hasta 1540 °C (2800 °F). Para 2018, GE ofrece su HA de 826 MW con una eficiencia de más del 64 % en ciclo combinado debido a los avances en la fabricación aditiva y los avances en combustión, frente al 63,7 % de los pedidos de 2017 y en camino de alcanzar el 65 % a principios de la década de 2020. En marzo de 2018, GE Power logró una eficiencia bruta del 63,08 % para su turbina 7HA.

Las turbinas de gas aeroderivadas también se pueden usar en ciclos combinados, lo que conduce a una mayor eficiencia, pero no será tan alta como una turbina de gas industrial diseñada específicamente. También se pueden ejecutar en una configuración de cogeneración: el escape se usa para calentar el espacio o el agua, o impulsa 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 la turbina.

Otra ventaja significativa es su capacidad para encenderse y apagarse en cuestión de minutos, suministrando energía durante picos de demanda o demanda no programada. Dado que las plantas de energía de ciclo único (solo turbinas de gas) son menos eficientes que las plantas de ciclo combinado, generalmente se usan como plantas de energía pico, que operan desde varias horas por día hasta unas pocas docenas de horas por año, según la demanda de electricidad y el capacidad de generación de la región. En áreas con escasez de carga base y capacidad de la central eléctrica de carga o con bajos costos de combustible, una central eléctrica de turbina de gas puede funcionar regularmente la mayor parte del día. Una gran turbina de gas de un solo ciclo normalmente produce de 100 a 400 megavatios de energía eléctrica y tiene una eficiencia termodinámica del 35 al 40 %.

Turbinas de gas industriales para accionamiento mecánico

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 cuentan con un diseño de doble eje en lugar de un solo eje. El rango de potencia varía desde 1 megavatio hasta 50 megavatios. Estos motores están conectados directamente oa través de 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 un 2 % aproximadamente.

Las plataformas de petróleo y gas requieren que estos motores accionen los compresores para inyectar gas en los pozos para forzar el petróleo a través de otro pozo o para comprimir el gas para su transporte. También se utilizan a menudo para proporcionar energía a la plataforma. Estas plataformas no necesitan usar 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 a tierra y a través de tuberías en varios intervalos.

Almacenamiento de energía por aire comprimido

Un desarrollo moderno busca mejorar la eficiencia de otra manera, al separar 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 accionar el compresor. En una configuración de almacenamiento de energía de aire comprimido, la energía, quizás 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 es necesario.

Motores turboeje

Los motores turboeje se utilizan para accionar compresores en estaciones de bombeo de gas y plantas de licuefacción de gas natural. También se utilizan para propulsar todos los helicópteros modernos, excepto los más pequeños. Un eje primario lleva el compresor y su turbina que, junto con una cámara de combustión, se denomina generador de gas. Por lo general, se usa una turbina de potencia que gira por separado para impulsar el rotor en los helicópteros. Permitir que el generador de gas y la turbina/rotor de potencia giren a su propia velocidad permite una mayor flexibilidad en su diseño.

Turbinas de gas radiales

Motores a reacción a escala

Los motores de chorro de escala son escaladas versiones de este motor de escala completa temprana

También conocidas como turbinas de gas en miniatura o microchorros.

Con esto en mente, el pionero de los Micro-Jets modernos, Kurt Schreckling, produjo una de las primeras Micro-Turbinas del mundo, la FD3/67. Este motor puede producir hasta 22 newtons de empuje y puede ser construido por la mayoría de las personas con mentalidad mecánica con herramientas básicas de ingeniería, como un torno de metal.

Microturbinas

Evolucionados a partir de turbocompresores de motores de pistón, APU de aeronaves o pequeños motores a reacción, las microturbinas son turbinas de 25 a 500 kilovatios del tamaño de un refrigerador. Las microturbinas tienen eficiencias del orden del 15% sin recuperador, del 20 al 30% con uno y pueden llegar al 85% de eficiencia termoeléctrica combinada en cogeneración.

Combustión externa

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. Esos sistemas generalmente se indican como 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 el aserrín) como combustible. En el sistema indirecto, se utiliza un intercambiador de calor y solo aire limpio sin productos de combustión viaja a través de la turbina de potencia. La eficiencia térmica es menor en el tipo indirecto de combustión externa; sin embargo, los álabes de la turbina no están sujetos a productos de combustión y se pueden utilizar combustibles de mucha menor calidad (y por lo tanto más baratos).

Cuando se utiliza la combustión externa, es posible utilizar el aire de escape de la turbina como aire de combustión principal. Esto reduce efectivamente las pérdidas globales de calor, aunque las pérdidas de calor asociadas con el escape de 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 nuclear y solar de alta temperatura.

En vehículos de superficie

MAZ-7907, un lanzador eréctil transportador con transmisión turbina-eléctrica

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 reactores y turbohélices para la propulsión de aviones, su rendimiento superior a gran altura en comparación con los motores de pistón, en particular los de aspiración natural, es irrelevante en la mayoría de las aplicaciones de automóviles. Su ventaja potencia-peso, aunque menos crítica que la 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 responden ni son tan eficientes como los motores de pistón pequeños en la amplia gama de RPM y potencias necesarias en las aplicaciones de vehículos. En los vehículos híbridos en serie, como los motores eléctricos impulsores se separan mecánicamente del motor generador de electricidad, la capacidad de respuesta, el bajo rendimiento a baja velocidad y los problemas de baja eficiencia a baja potencia son mucho menos importantes. La turbina puede funcionar a la velocidad óptima para su potencia de salida, y las baterías y los ultracondensadores pueden suministrar energía según sea necesario, con el motor encendiéndose y apagándose para hacerlo funcionar solo 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 costosas 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 motores de turbina de gas pequeños 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 simple y compacta que es 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 desperdiciada en impulso del motor.

Los motores turbocompuestos (empleados en realidad 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 motor. cigüeñal 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 de velocidad.

Vehículos de carretera para pasajeros (coches, bicicletas y autobuses)

Se han llevado a cabo varios experimentos con automóviles propulsados por turbinas de gas, el más grande realizado por Chrysler. 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 obtenido una inversión de la Junta 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 la empresa líder en máquinas eléctricas SR Drives, es producir el primer generador de turbina de gas del mundo comercialmente viable y respetuoso con el medio ambiente diseñado específicamente para aplicaciones automotrices.

El turbocompresor común para motores de gasolina o diesel también es un derivado de turbina.

Automóviles conceptuales

The 1950 Rover JET1

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 empresa de ingeniería de Nueva York, idearon el concepto en el que un diseño de motor de turbina compacto único proporcionaría Potencia para un coche de tracción trasera. Después de que apareció un artículo en Popular Science, no hubo más trabajo, más allá de la etapa de papel.

Conceptos iniciales (1950/60s)

En 1950, el diseñador F.R. Bell y el ingeniero jefe Maurice Wilks de los fabricantes de automóviles británicos Rover dieron a conocer el primer automóvil propulsado por un motor de turbina de gas. El JET1 de dos plazas tenía el motor colocado detrás de los asientos, las rejillas de entrada de aire a ambos lados del automóvil y las salidas de escape en la parte superior de la cola. Durante las pruebas, el coche alcanzó velocidades máximas de 140 km/h (87 mph), a una velocidad de turbina de 50 000 rpm. Después de mostrarse en el Reino Unido y los Estados Unidos en 1950, el JET1 se desarrolló aún más y se sometió a pruebas de velocidad en la autopista Jabbeke en Bélgica en junio de 1952, donde superó los 240 km/h (150 mph). El automóvil funcionaba con gasolina, parafina (queroseno) o gasóleo, pero los problemas de consumo de combustible resultaron insuperables para un automóvil de producción. JET1 está en exhibición en el Museo de Ciencias de Londres.

Un automóvil francés impulsado por una turbina, el SOCEMA-Grégoire, se exhibió en el Auto Show de París de octubre de 1952. Fue diseñado por el ingeniero francés Jean-Albert Grégoire.

GM Firebird I

El primer automóvil propulsado por turbina construido en los EE. UU. fue el GM Firebird I, cuyas evaluaciones comenzaron en 1953. Aunque las fotos del Firebird I pueden sugerir que el empuje de la turbina a reacción propulsaba el automóvil como un avión, la turbina en realidad condujo las ruedas traseras. El Firebird I nunca se pensó como un automóvil de pasajeros comercial y se construyó únicamente para pruebas y aplicaciones. evaluación, así como con fines de relaciones públicas. Se desarrollaron autos conceptuales Firebird adicionales, cada uno propulsado por turbinas de gas, para los salones del automóvil Motorama de 1953, 1956 y 1959. 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.

compartimiento del motor de un coche Chrysler 1963 Turbine

A partir de 1954 con un Plymouth modificado, el fabricante de automóviles estadounidense Chrysler hizo demostraciones de varios prototipos de automóviles propulsados por turbinas de gas desde principios de la década de 1950 hasta principios de la década de 1980. Chrysler construyó cincuenta Chrysler Turbine Cars en 1963 y llevó a cabo la única prueba de consumo de automóviles con turbinas de gas. Cada una de sus turbinas empleó un recuperador giratorio único, conocido como regenerador que aumentó la eficiencia.

En 1954, Fiat presentó un automóvil conceptual con motor de turbina, llamado Fiat Turbina. Este vehículo, que parecía un avión con ruedas, utilizaba una combinación única de propulsión a chorro y el motor que impulsaba las ruedas. Se reclamaron velocidades de 282 km/h (175 mph).

En la década de 1960, Ford y GM también estaban desarrollando semirremolques con turbinas de gas. Ford exhibió el Big Red en la Feria Mundial de 1964. Con el remolque, medía 29 m (96 ft) de largo, 4,0 m (13 ft) 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). El taxi 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 desconoció durante varias décadas, pero fue redescubierto a principios de 2021 en manos privadas, después de haber sido restaurado a su estado de funcionamiento. La división Chevrolet de GM construyó la serie Turbo Titan de camiones conceptuales con motores de turbina como análogos de los conceptos Firebird, incluido el Turbo Titan I (c.< span style="white-space:nowrap;"> 1959, comparte el 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 Feria Mundial de 1964.

Emissions and fuel economy (1970s/80s)

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. 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). Se realizaron pruebas a largo plazo para evaluar la rentabilidad comparable. 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.

En 1982, General Motors usó un Oldsmobile Delta 88 impulsado por una turbina de gas que usaba polvo de carbón pulverizado. Esto fue considerado por los Estados Unidos y el mundo occidental para reducir la dependencia del petróleo de Oriente Medio en ese momento.

Toyota hizo una demostración de varios autos conceptuales impulsados 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.

Desarrollo ulterior

A principios de la década de 1990, Volvo presentó el Volvo ECC, que era un vehículo eléctrico híbrido propulsado por una turbina de gas.

En 1993, General Motors presentó el primer vehículo híbrido propulsado por una turbina de gas comercial, como una producción limitada de la serie híbrida EV-1. Una turbina de 40 kW de Williams International impulsaba un alternador que alimentaba el sistema de propulsión eléctrico a batería. El diseño de la turbina incluía un recuperador. En 2006, GM entró en el proyecto de automóvil de concepto EcoJet con Jay Leno.

En el Salón del Automóvil de París de 2010, Jaguar mostró su prototipo Jaguar C-X75. Este superdeportivo eléctrico tiene una velocidad máxima de 204 mph (328 km/h) y puede pasar de 0 a 62 mph (0 a 100 km/h) en 3,4 segundos. Utiliza baterías de iones de litio para alimentar cuatro motores eléctricos que se combinan para producir 780 bhp. Recorrerá 68 millas (109 km) con una sola carga de las baterías y utiliza un par de microturbinas de gas Bladon para recargar las baterías, lo que amplía el alcance a 560 millas (900 km).

Coches de carreras

1967 STP Tratamiento de aceite en exhibición en el Indianapolis Motor Speedway Hall of Fame Museum, con la turbina de gas Pratt & Whitney mostrada

A 1968 Howmet TX, el único coche de carreras con turbina que ha ganado una carrera

El primer auto de carreras (solo en concepto) equipado con una turbina fue en 1955 por un grupo de la Fuerza Aérea de EE. UU. como un proyecto de pasatiempo con una turbina prestada por Boeing y un auto de carreras propiedad de Firestone Tire & Empresa de caucho. El primer coche de carreras equipado con una turbina para el objetivo de las carreras reales fue de Rover y el equipo BRM de Fórmula Uno unió fuerzas para producir el Rover-BRM, un cupé propulsado por una turbina de gas, que participó en las 24 Horas de Le Mans de 1963, conducido por Graham Hill y Richie Ginther. Promediaba 107,8 mph (173,5 km/h) y tenía una velocidad máxima de 142 mph (229 km/h). 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 participó en varios eventos estadounidenses y europeos, incluidas dos victorias, y también participó en las 24 Horas de Le Mans de 1968. Los autos usaban turbinas de gas Continental, que eventualmente establecieron seis récords de velocidad en tierra de la FIA para autos impulsados por turbinas.

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 estuvo a punto de ganar las 500 Millas de Indianápolis; el Pratt & El automóvil de turbina con motor Whitney ST6B-62 estaba casi una vuelta por delante del automóvil 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 automóvil de turbina STP Lotus 56 ganó la pole position de 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 auto Lotus 56B F1, impulsado por un Pratt & Turbina de gas Whitney STN 6/76. Chapman tenía la reputación de construir autos ganadores de campeonatos radicales, pero tuvo que abandonar el proyecto porque había demasiados problemas con el turbo lag.

Autobuses

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-Cruiser III (1968, GT-309); RTX (1968, GT-309); y RTS 3T (1972).

La llegada de Capstone Turbine ha dado lugar a varios diseños de autobuses híbridos, comenzando con HEV-1 por 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 los Estados Unidos). Los híbridos de turbina AVS estaban 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 se opera en 5 ciudades en 6 países, con más de 30 autobuses en operación en todo el mundo, y se están ordenando varios cientos. entregado a Baltimore y la ciudad de Nueva York.

Brescia Italia está utilizando autobuses híbridos en serie impulsados por microturbinas en rutas a través de las secciones históricas de la ciudad.

Motocicletas

La MTT Turbine Superbike apareció en 2000 (de ahí la designación de Y2K Superbike por parte de MTT) y es la primera motocicleta de producción impulsada por un motor de turbina, específicamente, un motor turboeje Rolls-Royce Allison modelo 250, que produce alrededor de 283 kW (380 CV). Con una velocidad probada de 365 km/h o 227 mph (según algunas historias, el equipo de pruebas se quedó sin carretera durante la prueba), ostenta el récord mundial Guinness de la motocicleta de producción más poderosa y la motocicleta de producción más cara, con un precio de US$185.000.

Trenes

Varias clases de locomotoras han sido propulsadas por turbinas de gas, la encarnación más reciente es el JetTrain de Bombardier.

Tanques

Marines from 1st Tank Battalion load a Honeywell AGT1500 multifuel turbina back into an M1 Abrams tank at Camp Coyote, Kuwait, February 2003

La división de desarrollo de la Wehrmacht Heer del Tercer Reich, la Heereswaffenamt (Junta de Artillería del Ejército), estudió una serie de diseños de motores de turbina de gas para usar en tanques a partir de mediados de 1944. El primer diseño de motor de turbina de gas diseñado para su uso en la propulsión de vehículos de combate blindados, el GT 101 basado en BMW 003, estaba destinado a la instalación en el tanque Panther.

El segundo uso de una turbina de gas en un vehículo blindado de combate fue en 1954 cuando una unidad, PU2979, desarrollada específicamente para tanques por C. A. Parsons and Company, se instaló y probó en un tanque British Conqueror. El Stridsvagn 103 se desarrolló en la década de 1950 y fue el primer tanque de batalla principal producido en masa en utilizar un motor de turbina, el Boeing T50. Desde entonces, los motores de turbina de gas se han utilizado como unidades de energía auxiliares en algunos tanques y como centrales eléctricas principales en los tanques soviéticos/rusos T-80 y M1 Abrams de EE. UU., entre otros. Son más livianos y pequeños que los motores diésel con la misma potencia de salida sostenida, pero los modelos instalados hasta la fecha son menos eficientes en combustible que el diésel equivalente, especialmente en ralentí, lo que requiere más combustible para lograr el mismo rango de combate. Los modelos sucesivos de 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 inactiva la turbina principal. Los T-80 pueden montar tres grandes tambores de combustible externos para ampliar su alcance. Rusia ha detenido la producción del T-80 a 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 gas. -Tanque de turbina. El motor diesel del tanque francés Leclerc cuenta con el sistema "Hyperbar" sistema de sobrealimentación híbrido, en el que el turbocompresor del motor se reemplaza por completo con una pequeña turbina de gas que también funciona como un turbocompresor de escape diésel asistido, lo que permite controlar el nivel de sobrealimentación independiente de las RPM del motor y alcanzar una presión de sobrealimentación máxima más alta (que con turbocompresores ordinarios). Este sistema permite utilizar un motor más ligero y de menor cilindrada como planta de energía 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 ordinaria.

En teoría, 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 un mayor índice de desgaste debido a sus mayores velocidades de trabajo. Los álabes de la turbina son muy sensibles al polvo y la arena fina, por lo que en las operaciones en el desierto se deben instalar y cambiar los filtros de aire varias veces al día. Un filtro colocado incorrectamente, o un fragmento de bala o proyectil que perfore el filtro, puede dañar el motor. Los motores de pistón (especialmente si tienen turbocompresor) también necesitan filtros bien mantenidos, pero son más resistentes si el filtro falla.

Al igual que la mayoría de los motores diésel modernos que se utilizan en tanques, las turbinas de gas suelen ser motores multicombustible.

Aplicaciones marinas

Naval

La turbina de gas de MGB 2009

Las turbinas de gas se utilizan en muchos buques de guerra, donde se valoran por su alta relación potencia-peso y sus barcos' la aceleración resultante y la capacidad de ponerse en marcha rápidamente.

El primer buque de guerra propulsado por una turbina de gas fue el Motor Gun Boat MGB 2009 de la Royal Navy (anteriormente MGB 509) convertido 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 funcionó como tal desde 1953. Los barcos patrulleros rápidos de clase Bold Bold Pioneer y Bold Pathfinder construido en 1953 fueron los primeros barcos creados específicamente para la propulsión de turbinas de gas.

Los primeros barcos a gran escala, parcialmente propulsados por turbinas de gas, fueron las fragatas Tipo 81 (clase Tribal) de la Royal Navy con centrales eléctricas combinadas de vapor y gas. El primero, el HMS Ashanti, se puso en servicio en 1961.

La Armada alemana botó la primera fragata clase Köln en 1961 con 2 Brown, Boveri & Turbinas de gas Cie en el primer sistema combinado de propulsión diésel y gas del mundo.

La Marina soviética encargó en 1962 el primero de los 25 destructores de la clase Kashin con 4 turbinas de gas en sistema combinado de propulsión de gas y gas. Esos buques usaban 4 turbinas de gas M8E, que generaban entre 54 000 y 72 000 kW (72 000 y 96 000 hp). Esos barcos fueron los primeros grandes barcos en el mundo que funcionaban únicamente con turbinas de gas.

Proyecto 61 nave ASW grande, destructor de clase Kashin

La Marina danesa tuvo 6 torpederos de clase Søløven (la versión de exportación de la patrullera rápida de clase Brave británica) en servicio desde 1965 hasta 1990, que tenían 3 Bristol Proteus (más tarde RR Proteus) Turbinas de gas marinas con una potencia nominal de 9510 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 bajas. Y también produjeron 10 barcos Willemoes Class Torpedo / Guided Missile (en servicio desde 1974 hasta 2000) que tenían 3 turbinas de gas Rolls-Royce Marine Proteus también nominales 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.

La Armada sueca produjo 6 torpederos clase Spica entre 1966 y 1967 propulsados por 3 turbinas Bristol Siddeley Proteus 1282, cada una con 3210 kW (4300 shp). Más tarde se les unieron 12 barcos mejorados de la clase Norrköping, 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.

La Marina finlandesa encargó dos corbetas de clase Turunmaa, Turunmaa y Karjala, en 1968. Estaban equipadas con un Rolls-Royce Olympus TM1 de 16 410 kW (22 000 shp) turbina de gas y tres motores diesel marinos Wärtsilä para velocidades más lentas. Eran los barcos más rápidos de la Armada finlandesa; alcanzaron regularmente velocidades de 35 nudos y 37,3 nudos durante las pruebas de mar. Los Turunmaa fueron dados de baja en 2002. Karjala es hoy un barco museo en Turku, y Turunmaa sirve como taller de máquinas flotante y barco escuela para Colegio Politécnico de Satakunta.

La siguiente serie de buques de guerra importantes fueron los cuatro destructores canadienses de transporte de helicópteros de la clase Iroquois que se pusieron en servicio por primera vez en 1972. Utilizaron motores de propulsión principal de 2 pies-4, motores de crucero de 2 pies-12 y 3 generadores Solar Saturn de 750 kW.

Una turbina de gas LM2500 en USS Ford

El primer barco propulsado por turbinas de gas de EE. UU. fue el Point Thatcher de la Guardia Costera de EE. UU., un cúter encargado en 1961 que funcionaba con dos turbinas de 750 kW (1000 shp) que utilizaban hélices de paso controlable. Los cortadores de alta resistencia de clase Hamilton más grandes fueron la primera clase de cortadores más grandes en utilizar turbinas de gas, el primero de los cuales (USCGC Hamilton) se puso en servicio en 1967. Desde entonces, han propulsado Oliver Hazard Perry de la Marina de los EE. UU. - fragatas clase, destructores clase Spruance y Arleigh Burke, y cruceros de misiles guiados clase Ticonderoga. El USS Makin Island, un buque de asalto anfibio de clase Wasp modificado, será el primer buque de asalto anfibio de la Marina propulsado por turbinas de gas. La turbina de gas marina opera 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.

Marítima civil

Hasta finales de la década de 1940, gran parte del progreso de las turbinas de gas marinas en todo el mundo tuvo lugar en las oficinas de diseño y los talleres de los fabricantes de motores, y el trabajo de desarrollo estuvo a cargo de la Royal Navy británica y otras Armadas. Si bien el interés en la turbina de gas para fines marinos, tanto navales como comerciales, 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 en embarcaciones comerciales de navegación marítima que se estaban embarcando.

En 1951, el petrolero diésel-eléctrico Auris, de 12.290 toneladas de peso muerto (DWT), se utilizó para obtener experiencia operativa con una turbina de gas de propulsión principal en condiciones de servicio en el mar y se convirtió así en el primer transatlántico -Nave mercante que va a ser propulsada por una turbina de gas. 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 en el 21 cumpleaños de la Princesa Isabel del Reino Unido en 1947, el barco fue diseñado con un diseño de sala de máquinas 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 diesel por una turbina de gas. El Auris operó comercialmente como buque cisterna durante tres años y medio con una unidad de propulsión diésel-eléctrica tal como se puso en servicio originalmente, pero en 1951 uno de sus cuatro motores diésel de 824 kW (1105 bhp): que se conocían como "Fe", "Esperanza", "Caridad" y "Prudencia" – fue reemplazado 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 British Thompson-Houston Company en Rugby. Luego 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. mar, completando con éxito su histórica travesía transatlántica. Durante este tiempo en el mar la turbina de gas quemó combustible diesel y operó sin paradas involuntarias ni dificultad mecánica de ningún tipo. Posteriormente visitó Swansea, Hull, Rotterdam, Oslo y Southampton cubriendo un total de 13.211 millas náuticas. Luego, se reemplazaron todas las centrales eléctricas del Auris por una turbina de gas acoplada directamente de 3910 kW (5250 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 diesel como planta de propulsión para grandes barcos mercantes. A velocidades de crucero constantes, el motor diesel simplemente no tenía igual en el área vital de economía de combustible. La turbina de gas tuvo más éxito en los barcos de la Royal Navy y otras flotas navales del mundo donde los barcos de guerra en acción requieren cambios repentinos y rápidos de velocidad.

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 servicio pesado fueron una de las seleccionadas. En 1956, el John Sergeant se alargó y se equipó con una turbina de gas HD de General Electric de 4900 kW (6600 shp) con regeneración de gases de escape, engranajes reductores y una hélice de paso variable. Operó 9.700 horas utilizando combustible residual (Bunker 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, y la potencia de salida fue mayor de lo esperado a 5603 kW (7514 shp) debido a que la temperatura ambiente de la ruta del Mar del Norte es 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 con la planta de energía original, y muy por encima de los 15 nudos previstos. El barco hizo su primera travesía transatlántica a una velocidad media de 16,8 nudos, a pesar de las malas condiciones meteorológicas en el camino. El combustible Bunker C adecuado solo 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 fue un proceso intensivo en mano de obra que no era adecuado para la automatización en ese momento. Finalmente, la hélice de paso variable, que tenía un diseño nuevo y no probado, terminó la prueba, ya que tres inspecciones anuales consecutivas revelaron grietas por tensión. Sin embargo, esto no se reflejó mal en 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 un mayor desarrollo por parte de GE en el uso de turbinas de gas HD para uso marino con combustibles pesados. El John Sergeant fue desguazado en 1972 en Portsmouth PA.

Boeing Jetfoil 929-100-007 Urzela de TurboJET

Boeing lanzó su primer hidroplano Boeing 929 propulsado por chorro de agua para transporte de pasajeros en abril de 1974. Esos barcos estaban propulsados por dos turbinas de gas Allison 501-KF.

Entre 1971 y 1981, Seatrain Lines operó un servicio regular de contenedores entre los puertos de la costa este de los Estados Unidos y los puertos del noroeste de Europa a través del Atlántico Norte con cuatro buques portacontenedores de 26 000 toneladas DWT. Esos barcos estaban propulsados por gemelos Pratt & Turbinas de gas Whitney de la serie FT 4. Los cuatro barcos de la clase se llamaron Euroliner, Eurofreighter, Asialiner y Asiafreighter. Tras los dramáticos aumentos de precios de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP) de mediados de la década de 1970, las operaciones se vieron limitadas por el aumento de los costos del combustible. Se realizaron algunas modificaciones en los sistemas de motores de esos barcos para permitir la quema de un grado inferior de combustible (es decir, diesel marino). La reducción de los costos de combustible tuvo éxito 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 aumento del tamaño del motor redujo el espacio de carga.

El primer transbordador de pasajeros en usar una turbina de gas fue el GTS Finnjet, construido en 1977 y propulsado por dos Pratt & Turbinas Whitney FT 4C-1 DLF, que generan 55 000 kW (74 000 shp) y propulsan el barco a una velocidad de 31 nudos. Sin embargo, el Finnjet también ilustró las deficiencias de la propulsión de turbinas de gas en las embarcaciones comerciales, ya que los altos precios del combustible hicieron que su funcionamiento no fuera rentable. Después de cuatro años de servicio, se instalaron motores diesel 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 del uso comercial de turbinas de gas en un barco de pasajeros son los transbordadores rápidos de clase HSS de Stena Line. Las embarcaciones Stena Explorer, Stena Voyager y Stena Discovery de clase HSS 1500 utilizan configuraciones combinadas de gas y gas de dos GE LM2500 más GE LM1600 para una 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 nominal de 34 000 kW (46 000 shp) brutos. El Stena Discovery fue retirado del servicio en 2007, otra víctima de los costos de combustible demasiado altos.

En julio de 2000, el Millennium se convirtió en el primer crucero impulsado 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 utilizó 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 accionadas eléctricamente. El transatlántico RMS Queen Mary 2 utiliza una configuración combinada de diésel y gas.

En aplicaciones de regatas marinas, el catamarán Miss GEICO C5000 Mystic 2010 utiliza dos turbinas Lycoming T-55 para su sistema de energía.

Avances en tecnología

La tecnología de turbinas de gas ha avanzado constantemente desde su inicio y continúa evolucionando. El desarrollo está produciendo activamente tanto turbinas de gas más pequeñas como motores más potentes y eficientes. El diseño basado en computadora (específicamente la dinámica de fluidos computacional y el análisis de elementos finitos) ayudan en estos avances y el desarrollo de materiales avanzados: Materiales base con resistencia superior a altas temperaturas (por ejemplo, superaleaciones monocristalinas que muestran 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 motores de turbinas de gas a través de una mejor comprensión de los complejos fenómenos de transferencia de calor y flujo viscoso involucrados. Por esta razón, CFD es una de las herramientas informáticas clave utilizadas en el diseño y desarrollo de motores de turbina de gas.

Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas de gas prácticamente se duplicaron mediante la incorporación de enfriamiento intermedio, regeneración (o recuperación) y recalentamiento. Estas mejoras, por supuesto, se producen a expensas de mayores costos iniciales y de operación, y no pueden justificarse a menos que la disminución en los costos de combustible compense el aumento en otros costos. Los precios relativamente bajos del combustible, el deseo general en 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.

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 de emisiones. En mayo de 2011, Mitsubishi Heavy Industries logró una temperatura de entrada a la turbina de 1600 °C en una turbina de gas de 320 megavatios y 460 MW en aplicaciones de generación de energía de ciclo combinado de turbina de gas en las que la eficiencia térmica bruta supera el 60 %.

Los rodamientos de aluminio 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 potencia han permitido el desarrollo de generación de electricidad comercialmente viable mediante microturbinas para distribución y propulsión de vehículos.

Ventajas y desventajas

Las siguientes son ventajas y desventajas de los motores de turbina de gas:

Las ventajas incluyen:

• ratio de potencia a peso muy alta en comparación con motores de reciprocación.
• Más pequeño que la mayoría de motores de reciprocación de la misma potencia.
• La rotación del eje principal produce menos vibración que un motor de reciprocación.
• Menos piezas móviles que los motores de reciprocación resultan en menor coste de mantenimiento y mayor fiabilidad/disponibilidad en su vida útil.
• Mayor fiabilidad, especialmente en aplicaciones donde se requiere una alta potencia sostenida.
• El calor de los residuos se disipa casi completamente en el escape. Esto resulta en un flujo de escape de alta temperatura que es muy utilizable para hervir el agua en un ciclo combinado, o para la cogeneración.
• Presiones de combustión pico inferior que motores de reciprocación en general.
• Las altas velocidades de eje en unidades de turbina más pequeñas, aunque las turbinas de gas más grandes empleadas en la generación de energía operan a velocidades sincronizadas.
• Bajo coste y consumo de aceite lubricante.
• Puede funcionar con una gran variedad de combustibles.
• Emisiones tóxicas muy bajas de CO y HC debido al exceso de aire, combustión completa y no "extracción" de la llama en superficies frías.

Las desventajas incluyen:

• Los costos básicos del motor pueden ser altos debido al uso de materiales exóticos.
• Menos eficiente que los motores de reciprocación a velocidad de ocio.
• La puesta en marcha más larga que los motores de reciprocación.
• Menos sensible a los cambios en la demanda de energía en comparación con los motores de reciprocación.
• El capricho característico puede ser difícil de suprimir.

Principales fabricantes

• Siemens
• Ansaldo
• Mitsubishi Heavy
• Rolls-Royce
• General Electric
• Silmash
• ODK
• Pratt & Whitney
• PULW Canada
• Torbinas solares
• Alstom
• Zorya-Mashproekt
• MTU Aero Engines
• MAN Turbo
• IHI Corporation
• Kawasaki Pesado
• HAL
• BHEL
• MAPNA
• Techwin
• Doosan Heavy
• Shanghai Electric
• Harbin Electric
• AECC

Pruebas

Los códigos de prueba británicos, alemanes y otros nacionales e internacionales se utilizan para estandarizar los procedimientos y las definiciones que se utilizan 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 los Estados Unidos, ASME ha producido varios códigos de prueba de rendimiento en turbinas de gas. Esto incluye ASME PTC 22–2014. Estos códigos de prueba de rendimiento de ASME han ganado reconocimiento y aceptación internacional para probar turbinas de gas. La característica individual más importante y diferenciadora de los códigos de prueba de rendimiento 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 una tolerancia comercial.