ATPL Training Gas Turbine Engines #10 Turbine Assembly

Summary

El motor de turbina de gas funciona extrayendo energía de los gases calientes, convirtiéndola en energía mecánica que impulsa el compresor y otros componentes. Las palas de la turbina enfrentan tensiones extremas debido a la alta velocidad de rotación y temperaturas que alcanzan hasta 1,700°C, lo que puede causar un fenómeno llamado 'creep'. Para mejorar la eficiencia, se utilizan aleaciones especiales como los superaleaciones y los materiales cerámicos. Además, el control preciso de la temperatura es esencial para evitar daños irreparables. Las turbinas libres ofrecen ventajas como menor par de arranque y reducción de ruido durante el rodaje.

Takeaways

• 😀 El rotor de una turbina de gas se puede comparar con un compresor de flujo axial que trabaja en reversa, extrayendo energía de los gases calientes para convertirla en energía mecánica.
• 😀 La turbina extrae energía en forma de calor, energía potencial y energía cinética de los gases, los cuales se transforman en energía mecánica para accionar el compresor y los sistemas auxiliares.
• 😀 La temperatura y velocidad de los gases en una turbina pueden alcanzar niveles extremos, lo que provoca tensiones y fenómenos como la fluencia, que afecta la vida útil de las palas de la turbina.
• 😀 Las primeras turbinas de gas utilizaban acero de alta temperatura, lo que limitaba la temperatura máxima en la parte trasera del motor y, por ende, la potencia de salida del motor.
• 😀 Los avances en tecnología de turbinas incluyeron el uso de aleaciones basadas en níquel y aleaciones súper resistentes, que permiten temperaturas más altas, hasta los 1425°C en algunos casos.
• 😀 Las palas de las turbinas modernas se fabrican mediante procesos como la metalurgia de polvos y el moldeo de cristal único, lo que mejora la resistencia a la fluencia y a la corrosión.
• 😀 Los recubrimientos cerámicos, como los recubrimientos por plasma, se utilizan para proteger las palas de la turbina de la corrosión causada por la interacción entre los metales base de la pala, el sodio del aire y el azufre del combustible.
• 😀 En las turbinas, la energía potencial (presión) se convierte en energía cinética (velocidad) a medida que los gases fluyen a través de las palas y se reduce la presión en el proceso.
• 😀 Un diseño de turbina puede incluir varias etapas, cada una con palas rotativas y estatoras (veletas guía), lo que permite controlar la velocidad de los gases y optimizar la eficiencia.
• 😀 Las turbinas libres o libres de compresores permiten que la turbina se opere de forma independiente, lo que mejora la eficiencia del motor y reduce el ruido y el desgaste en las condiciones de operación, como en el arranque o durante el despegue.
• 😀 La eficiencia de una turbina está influenciada por la velocidad de rotación de las palas y la cantidad de etapas en la turbina, pero también hay un ciclo vicioso entre el aumento de la eficiencia y las tensiones creadas en las palas a medida que aumentan las velocidades de rotación.

Q & A

¿Cómo se puede comparar el funcionamiento de la turbina de un motor de gas con un compresor de flujo axial?

La turbina de un motor de gas puede compararse con un compresor de flujo axial en reversa. Mientras que un compresor aumenta la presión del aire, la turbina extrae energía del flujo de gases calientes y la convierte en energía mecánica.

¿Qué tipos de energía se extraen de los gases en una turbina y cómo se convierten en energía mecánica?

De los gases en una turbina se extraen tres tipos de energía: la energía térmica, la energía potencial (presión) y la energía cinética (velocidad). Estas formas de energía se convierten en energía mecánica, la cual se utiliza para accionar el compresor y otros componentes del motor.

¿Por qué la velocidad de los gases aumenta en la turbina, a pesar de que el gas entra a la cámara de combustión con baja velocidad?

Aunque el gas entra a la cámara de combustión a baja velocidad, su velocidad aumenta al pasar a través de la turbina debido a la conversión de la energía potencial en energía cinética, lo que aumenta la velocidad del flujo de gas.

¿Qué es el fenómeno de la 'creep' o fluencia en las palas de la turbina?

La 'creep' o fluencia es el alargamiento irreversible del material de las palas de la turbina debido a las altas temperaturas y tensiones mecánicas. Este fenómeno ocurre a lo largo de los ciclos de operación del motor, reduciendo la vida útil de las palas.

¿Qué materiales se utilizaban originalmente en las palas de las turbinas y qué limitaciones presentaban?

Las primeras palas de turbina se fabricaban con acero de alta temperatura, lo que limitaba la temperatura máxima a la que podía operar el motor y, por ende, la potencia generada. Esto afectaba el rendimiento general del motor.

¿Qué son las superaleaciones y por qué son importantes para las palas de turbina?

Las superaleaciones son materiales compuestos por metales como cromo, cobalto, níquel y titanio, entre otros. Son esenciales para las palas de turbina porque permiten que operen a temperaturas más altas (hasta 1.425°C), lo que mejora el rendimiento y la eficiencia de los motores.

¿Cómo contribuye la fabricación por fundición de cristal único a la resistencia de las palas de la turbina?

La fabricación por fundición de cristal único permite que las palas de turbina tengan una estructura sin límites de grano, lo que mejora su resistencia a la fluencia y aumenta su durabilidad al reducir las debilidades estructurales.

¿Qué ventajas ofrece el uso de materiales cerámicos en las palas de turbina?

Los materiales cerámicos, aplicados como un recubrimiento en plasma, proporcionan una excelente protección contra la corrosión provocada por las reacciones químicas entre los metales base de la pala y los gases de escape. Esto aumenta la vida útil de las palas.

¿Qué es una turbina libre o libre de compresor y en qué tipo de motores se utiliza?

Una turbina libre no está conectada al compresor y funciona a su propia velocidad óptima, lo que le permite ser más eficiente en motores turbopropulsores y reducir el ruido durante el rodaje, además de requerir menos par de arranque.

¿Cómo se controlan las pérdidas de energía en una turbina y cuáles son sus principales fuentes?

Las pérdidas de energía en una turbina se controlan minimizando las pérdidas aerodinámicas en las palas y las guía de toberas, reduciendo las fugas de gas sobre las puntas de las palas y optimizando el sistema de escape. Las principales fuentes de pérdidas son las pérdidas aerodinámicas, las fugas de gas y las pérdidas en el sistema de escape.