Una turbina de gas es una máquina de combustión interna que utiliza gas que fluye continuamente como medio de trabajo para hacer que el impulsor gire a alta velocidad, convirtiendo la energía del combustible en trabajo útil. motor térmico.
China tiene registros de linternas giratorias en el siglo XII d.C. durante el reinado del emperador Gaozong de la dinastía Song del Sur. Se trata del prototipo de una turbina (turbina). A finales del siglo XV, el italiano Leonardo da Vinci diseñó un dispositivo giratorio de humo basado en el mismo principio que la linterna giratoria. A mediados del siglo XVII, el principio de la turbina se utilizaba ampliamente en Europa.
En 1791, el británico Barber describió por primera vez el proceso de funcionamiento de una turbina de gas; en 1872, el alemán Stolzer diseñó una turbina de gas y la probó de 1900 a 1904, pero debido a que no logró funcionar de forma independiente. sin motor de arranque; en 1905, los franceses Le Maire y Amongo fabricaron la primera turbina de gas que podía generar energía, pero la eficiencia era demasiado baja y no resultaba práctica.
En 1920, el alemán Holzwart fabricó la primera turbina de gas práctica con una eficiencia del 13% y una potencia de 370 kilovatios. Sin embargo, funcionaba según un ciclo de calentamiento de volumen constante. El ciclo de calentamiento por deflagración intermitente tiene muchas deficiencias importantes y ha sido abandonado.
Con el desarrollo de la aerodinámica, las personas dominaron las características del flujo de expansión de gas en las palas de los compresores y resolvieron el problema del diseño de compresores de flujo axial de alta eficiencia. Por lo tanto, la eficiencia apareció a mediados de la década de 1930. 85% de los compresores de flujo axial. Al mismo tiempo, la eficiencia de las turbinas también ha mejorado. En cuanto a los materiales de alta temperatura, han surgido aceros resistentes al calor, como el acero de aleación de cromo-níquel, que pueden soportar altas temperaturas superiores a 600 °C. Por lo tanto, se pueden utilizar temperaturas iniciales del gas más altas y finalmente se han creado turbinas de gas con ciclos de calentamiento isobáricos. sido aplicado con éxito.
En 1939 se construyó en Suiza una turbina de gas de cuatro megavatios para generar energía con una eficiencia del 18%. Ese mismo año, un avión a reacción fabricado en Alemania realizó con éxito un vuelo de prueba. A partir de entonces, las turbinas de gas entraron en la fase práctica y comenzaron a desarrollarse rápidamente.
Con el desarrollo continuo de materiales de alta temperatura y el uso de aspas de enfriamiento en las turbinas para mejorar continuamente el efecto de enfriamiento, la temperatura inicial del gas aumenta gradualmente, lo que resulta en una mejora continua de la eficiencia de la turbina de gas. La potencia de una sola unidad también siguió aumentando. A mediados de los años 1970 aparecieron varias turbinas de gas de 100 megavatios, la más alta alcanzaba los 130 megavatios.
Al mismo tiempo, los campos de aplicación de las turbinas de gas continúan ampliándose. En 1941, la primera locomotora de turbina de gas fabricada en Suiza pasó la prueba; en 1947, se botó el primer barco de fabricación británica equipado con una turbina de gas, que utilizaba una turbina de gas de 1,86 megavatios como potencia de postcombustión; Los primeros coches con turbinas de gas. Desde entonces, las turbinas de gas se han utilizado en más sectores.
Si bien las turbinas de gas son muy utilizadas, también aparecen dispositivos compuestos que combinan turbinas de gas con otros motores térmicos. El primer dispositivo que apareció fue un dispositivo combinado con un motor de combustión interna de pistón; en las décadas de 1950 y 1960, apareció un dispositivo de turbina de gas de pistón libre compuesto por un motor de gas de pistón libre y una turbina de gas. Debido a la complejidad del sistema, la producción se detuvo en los años 1970. Además, también se han desarrollado dispositivos compuestos de turbina de gas con motor diésel. También existe un tipo de sistema de energía total que utiliza el calor de escape de la turbina de gas para proporcionar calor (o vapor), lo que puede ahorrar energía de manera efectiva y se ha utilizado en una variedad de usos. de producciones industriales.
El proceso de funcionamiento de una turbina de gas es que el compresor (es decir, el compresor) aspira continuamente aire de la atmósfera y lo comprime; el aire comprimido ingresa a la cámara de combustión, se mezcla con el combustible inyectado y se quema para formar; El gas de alta temperatura fluye inmediatamente hacia la turbina de gas para expandirse y realizar trabajo, empujando el impulsor de la turbina para que gire junto con el impulsor del compresor. La capacidad de trabajo del gas calentado a alta temperatura mejora significativamente, por lo que la turbina de gas todavía tiene suficiente. La energía para accionar el compresor funciona como trabajo mecánico de salida de la turbina de gas. Cuando la turbina de gas se pone en marcha desde parada, es necesario girarla mediante el motor de arranque. El motor de arranque no se desconecta hasta que se acelera lo suficiente como para funcionar de forma independiente.
El proceso de trabajo de una turbina de gas es el más simple, llamado ciclo simple; además, existen ciclos de recuperación y ciclos complejos. El fluido de trabajo de la turbina de gas proviene de la atmósfera y finalmente se descarga a la atmósfera, lo cual es un ciclo abierto. Además, existen ciclos cerrados en los que se utiliza el fluido de trabajo en un ciclo cerrado. La combinación de una turbina de gas con otros motores térmicos se denomina dispositivo de ciclo compuesto.
La temperatura inicial del gas y la relación de compresión del compresor son los dos principales factores que afectan a la eficiencia de la turbina de gas. Aumentar la temperatura inicial del gas y aumentar correspondientemente la relación de compresión puede mejorar significativamente la eficiencia de la turbina de gas.
A finales de la década de 1970, la relación de compresión alcanzó un máximo de 31; la temperatura inicial del gas de las turbinas de gas industriales y marinas alcanzó un máximo de aproximadamente 1200 °C, y la de las turbinas de gas de aviación superó los 1350 °C.
Una turbina de gas está compuesta por un compresor, una cámara de combustión y una turbina de gas. Hay dos tipos de compresores: los de flujo axial y los centrífugos. Los compresores de flujo axial son más eficientes y adecuados para situaciones de gran caudal. A caudales bajos, la eficiencia del compresor de flujo axial es menor que la del compresor centrífugo porque las paletas en las etapas posteriores son muy cortas. Entre las turbinas de gas con una potencia de varios megavatios, algunos compresores utilizan un tipo de flujo axial más un tipo centrífugo como etapa final, logrando así una mayor eficiencia y acortando la longitud axial.