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sábado, 31 de mayo de 2014

REDUCCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN

Las turbinas de aviación están sujetas a las normas internacionales (OACI) en las que se definen los límites recomendados para los diferentes contaminantes. Los NOx son los gases de combustión que crean el mayor problema ya que, aunque los niveles de inquemados CO e hidrocarburos HC, han disminuido de forma importante en las últimas generaciones de turbinas, no ocurre lo mismo con los NOx. Los avances realizados en el campo de la combustión y, sobre todo, en el acortamiento de las cámaras de combustión, permiten evitar que un aumento de la relación de compresión en las turbinas, incremente la producción de NOx. Si para una misma tecnología de la cámara, la relación de compresión de las turbinas futuras siguen aumentando, los NOx van a aumentar también, y será más difícil cumplir la normativa actual, Fig XI.7. El acortamiento de las cámaras y los avances en la combustión contribuyen a que el aumento de la relación de compresión suponga un mayor aumento de NOx.
Un problema adicional, en el caso de los aviones supersónicos civiles es el de la contaminación en altura, y la influencia de los NOx en la destrucción de la capa de ozono, siendo estos contaminantes los que, actualmente, exigen un mayor esfuerzo a los proyectistas de este tipo de motores.

viernes, 30 de mayo de 2014

IMPACTO DEL DIMENSIONAMIENTO DE LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN SOBRE LA CONTAMINACIÓN

Los niveles de contaminación de una turbina se pueden preveer si se conoce la tecnología de la cámara. Para su determinación se han establecido algunas metodologías, habiéndose observado una buena similitud entre los valores calculados y las medidas realizadas a la salida de la cámara de combustión, permitiendo establecer la influencia de algunos parámetros, como el reparto de aire y carburante en la cámara, así como las características del sistema de inyección (tamaño y dispersión de las gotitas). Como no se pueden tener presentes al mismo tiempo todos los parámetros termodinámicos, hay que establecer entre ellos algún tipo de compromiso, ya que se ha observado que las condiciones de funcionamiento del motor pueden conducir a situaciones contradictorias; por ejemplo, un aumento del volumen de la cámara de combustión, produce un aumento del tiempo de permanencia, lo que provoca una disminución de los niveles de inquemados durante el funcionamiento al ralentí y un aumento de los NOx durante los períodos más revolucionados. Para una mismas condiciones iniciales, al acortamiento de la cámara de combustión reduce la emisión de NOx pero ésto puede dar lugar a niveles de humos más elevados, Fig XI.6.

Las consideraciones a tener en cuenta para eliminar la contaminación a nivel del dimensionamiento de la cámara de combustión de un motor, entran en competencia con otras prestaciones como, pérdidas de carga, temperatura de las paredes, encendido, reencendido en vuelo, estabilidad, distribución de las temperaturas de salida, etc, por lo que las opciones tecnológicas se deben seleccionar teniendo en cuenta el conjunto de las prestaciones y las condiciones de funcionamiento del motor.

jueves, 29 de mayo de 2014

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (III)

Humos.- Los humos son inquemados producidos bajo condiciones de alta presión, en zonas de la cámara en las que la riqueza local es elevada, principalmente en la zona primaria. Por el contrario, en la zona de dilución (terciaria), debido a la oxigenación de los gases y a que las temperaturas son todavía elevadas, se observa en general una combustión de las partículas de carbono y, por lo tanto, una disminución de los humos.
El nivel de humos emitidos por un turborreactor aumenta con la presión y con la riqueza de funcionamiento de la cámara de combustión, y disminuye con la temperatura en la zona de dilución, en donde existe menor temperatura y aire terciario fresco, Fig XI.4; el fenómeno de combustión de los humos en la zona de dilución supera, en general, a su producción en la zona primaria.

miércoles, 28 de mayo de 2014

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (II)

El parámetro de contaminación (Dp/F00) se define en la forma:
Óxidos de nitrógeno.- Se forman esencialmente en las zonas de alta temperatura. En las condiciones de funcionamiento de un turborreactor, las reacciones de oxidación son más lentas que las de combustión del carburante por lo que las concentraciones resultantes están lejos del equilibrio químico, siendo prácticamente proporcionales al tiempo de permanencia. Para predecir la influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de dichos óxidos se utiliza un parámetro s, Fig XI.3, que se obtiene a partir de resultados experimentales, y que permite deducir la influencia de la presión pe, la temperatura
de entrada Te y el gasto másico de aire Gaire (o tiempo de permanencia).
Se observa que los NOx se producen sobre todo en condiciones de gran carga. En las fases de vuelo ascendente y despegue se emite aproximadamente 3/4 partes de la masa total de NOx. La riqueza de funcionamiento de la cámara de combustión es otro parámetro del que dependen las emisiones contaminantes.
Teniendo en cuenta la complejidad interna del tubo de combustión, las riquezas y temperaturas locales de la mezcla que se realiza en la zona primaria son las que controlan los procesos químicos; si se mejora la mezcla o se hace una premezcla, se puede reducir el nivel de los NOx emitidos.

martes, 27 de mayo de 2014

FORMACIÓN DE CONTAMINANTES (I)

CO e hidrocarburos no quemados HC.- Son productos intermedios de la combustión del carburante, cuya oxidación completa da lugar al CO2. Las reacciones de oxidación dependen de la presión, temperaturas locales, riquezas locales de la mezcla y tiempo de permanencia.
La influencia de las condiciones termodinámicas sobre los niveles de CO e hidrocarburos no quemados se puede evaluar, por ejemplo, a partir del parámetro de carga aerodinámica W, Fig XI.1 y XI.2, que permite observar la influencia de la presión de entrada pe, temperatura de entrada Te, gasto másico de aire Gaire y volumen de la cámara de combustión V. A partir de estas curvas se puede predecir, durante la fase de dimensionamiento de la cámara, los niveles de contaminación debidos a los inquemados emitidos por el motor en todos los regímenes de funcionamiento. Se observa que dichos contaminantes se producen sobre todo en el funcionamiento al ralentí.
No se tienen en cuenta en el parámetro de carga aerodinámica las características de la carburación, el reparto de aire en la camisa interior y fenómenos tales como el enfriamiento por el aire de refrigeración de las paredes o por el aire de dilución (aire terciario), que influyen en la producción de inquemados.

lunes, 26 de mayo de 2014

CONTAMINACIÓN POR TURBINAS DE AVIACIÓN

Los turborreactores lanzan a la atmósfera, principalmente, tres tipos de compuestos químicos:
a) Compuestos del aire ambiente: N2, O2 y Ar
b) Productos de combustión completa: CO2 y H2O
c) Contaminantes, que son inquemados: CO, CH y humos, así como NOx
La reacción química global se puede expresar en la forma general siguiente:

domingo, 25 de mayo de 2014

TURBORREACTORES DE DOBLE FLUJO (II)

Para el turborreactor de un flujo, el consumo específico es del orden de 0,9 ¸ 1, kg/kg.hora, mientras que para el de dos flujos se reduce a 0,5 ¸ 0,8 kg/kg.hora; el turborreactor de dos flujos, ideado en 1945 y después abandonado durante algunos años, se vuelve a considerar actualmente por la mayor
parte de los constructores.

sábado, 24 de mayo de 2014

TURBORREACTORES DE DOBLE FLUJO (I)

Un aumento del rendimiento del propulsor implica una disminución de V1; ésto se puede conseguir sin reducir el htérmico, aumentando la relación, G/G’, lo que implica un turborreactor de dos flujos, Fig X.23.
La parte de baja presión BP del compresor impulsa el gasto másico G’ hacia la parte de alta presión AP, mientras que la cámara de combustión impulsa el gasto másico, G - G’, directamente hacia la turbina.

viernes, 23 de mayo de 2014

Aumento del rendimiento

El rendimiento global es bajo porque un buen rendimiento térmico es incompatible con un buen rendimiento de propulsión. Si se pudiese imaginar un aparato en el que se pudiesen diferenciar el gasto másico de la tobera G y el de la cámara de combustión G’, (que en un turborreactor de un solo flujo son iguales), el rendimiento térmico de dicho aparato sería:

jueves, 22 de mayo de 2014

Ambos dispositivos se han sustituido por la poscombustión (II)

La elevación de la temperatura hasta T0’ tiende a producir un aumento del gasto másico en la tobera, de donde resulta un aumento de la contrapresión a la salida de la turbina y una estrangulación de ésta, por lo que es necesario disponer una tobera de sección variable y un dispositivo de regulación especial que mantenga una relación entre la abertura de la tobera y el suplemento de combustible inyectado.
La poscombustión permite alcanzar un suplemento de empuje del 40% en el punto fijo, y del 100% en, M=1, con un aumento del consumo específico del 50% y un aumento del peso del aparato del orden del 15%.

miércoles, 21 de mayo de 2014

Ambos dispositivos se han sustituido por la poscombustión (I)

que consiste en quemar una cierta cantidad de combustible a la salida de la turbina y antes de la tobera. El ciclo se desarrolla como se indica en la Fig X.22; la temperatura de los gases aumenta sensiblemente, siendo Ta’ del orden de 1400ºC, temperatura perfectamente admisible ya que la soportan paredes fijas y no los álabes móviles; a su vez, la inyección de combustible en la tobera se puede regular de forma que proporcione un reparto heterogéneo de las temperaturas más elevadas en la parte central. La velocidad de salida aumenta considerablemente, así como el empuje, pero el rendimiento de propulsión y el rendimiento térmico disminuyen, siendo mucho mayor el consumo de combustible.
Este dispositivo lleva consigo algunas complicaciones constructivas, por lo que es necesario moderar suficientemente la velocidad de los gases a la salida de la turbina para permitir la poscombustión y crear una turbulencia suficiente, fuente de pérdidas cuando la sobrecarga no está en servicio.

martes, 20 de mayo de 2014

Aumento del empuje

Para aumentar temporalmente el empuje se pueden utilizar los siguientes métodos:
a) Inyectar agua a la entrada del compresor, resultando una relación de compresión más elevada, y por lo tanto, un aumento del gasto másico y del empuje, siendo necesario aumentar la cantidad de combustible inyectado. Es interesante sobre todo para el despegue del avión en tiempo cálido, pudiéndose alcanzar un empuje suplementario de hasta un 20%.
b) Inyectar agua a la entrada de la turbina, por lo que se superpone al ciclo del gas un ciclo de vapor de agua, sin condensación. Si la sección de los distribuidores de la turbina permanece constante, un aumento del gasto másico de la turbina exige una elevación de la presión a la salida del compresor y el punto de funcionamiento se acerca al límite de bombeo.

lunes, 19 de mayo de 2014

Influencia de la altitud

A velocidad de rotación constante, el gasto másico que atraviesa el compresor es independiente de la presión y de la temperatura a la entrada del mismo (p1,T1), por lo que el empuje es proporcional a la masa de aire a la entrada del compresor, deduciéndose las condiciones (p1,T1) a partir de las (p0,T0), que son las condiciones a la altura considerada.
Los resultados de un turborreactor se pueden representar en un diagrama ( p p0 , V V10 ) que proporcionan el empuje en función del número Mach de vuelo para distintas altitudes, a un régimen de funcionamiento determinado, definido por la velocidad de rotación de la máquina.
La hélice, Fig X.21, se hace inutilizable en las proximidades de, M = 1; sin embargo, el turborreactor evita los fenómenos relativos al sonido, ralentizando V¥ en el difusor de entrada, y eligiendo una velocidad adecuada para el compresor, obteniéndose el grado de compresión multiplicando el número de escalonamientos que suelen estar comprendidos entre 7 y 17.
La potencia máxima del turborreactor viene limitada por los efectos mecánicos de la fuerza centrífuga sobre las aletas de los rotores y la temperatura de admisión de los gases.
Los resultados se pueden mejorar mediante un aumento del empuje y mediante un aumento del rendimiento.

domingo, 18 de mayo de 2014

Influencia de la velocidad de desplazamiento

Suponiendo rendimientos iguales a la unidad, (transformaciones isentrópicas), y que el punto 1, Fig X.18, representa la entrada al compresor del turborreactor, definido por su presión p1 y temperatura T1, siendo n la velocidad de rotación y que la velocidad de expulsión de los gases de la turbina, punto E, es igual a la velocidad de entrada en la tobera, V10, siendo V1 la velocidad de salida de los gases en la misma, la expansión en la tobera es de la forma:

sábado, 17 de mayo de 2014

Ensayos de Laboratorio

Los ensayos en el suelo o ensayos en laboratorio permiten obtener:
- La temperatura a la entrada de la turbina Ta o de la tobera Te
- El empuje
- El consumo en kg/hora, por kg de empuje
- El gasto másico de aire
en función de la velocidad n de rotación Fig X.17, siendo nn la velocidad de funcionamiento normal (régimen de crucero), n0 la velocidad de arranque 0,3 nn, nr la velocidad de ralentí, y nmáx la velocidad máxima.

viernes, 16 de mayo de 2014

Características de funcionamiento de un turborreactor

En el funcionamiento de un turborreactor se pueden considerar las siguientes variables independientes:
p0 y T0 ó la altitud Z que permite definirlas (atmósfera normal)
V , velocidad de desplazamiento del avión
n, velocidad de rotación de la turbina.

jueves, 15 de mayo de 2014

ESTATOREACTOR

Si se supone un aumento de la velocidad del avión V¥ suficiente para hacer inútil la presencia del grupo turbocompresor, se tiene un estatoreactor, de forma que:

miércoles, 14 de mayo de 2014

Influencia de la velocidad del avión

Para determinar la influencia de la velocidad del avión consideraremos un ciclo determinado por la relación de compresión D y por la relación de temperaturas F, Fig X.16; si se supone un aumento de la velocidad V¥ del avión, el punto B pasa a la posición B1 y el punto 2 a la 2’, por lo que la diferencia de temperaturas en el compresor se reduce en los incrementos (DTB + DT2). La caída de temperatura en la turbina se reduce en el mismo valor si los calores específicos cp y cp’ son iguales, es decir en el decremento (DTE = DTB + DT2) pasando el punto E a la posición E1 y el 4 a la 4’, con lo que la caída de temperatura en la tobera aumenta en (DTE + DT4).

martes, 13 de mayo de 2014

El rendimiento global

producto de los dos anteriores, se puede expresar en función de D tomando F como parámetro, existiendo para cada valor de F un valor óptimo de p2. El empuje máximo se obtiene para un grado de compresión inferior al de rendimiento máximo.
Los rendimientos htérmico y de hpropulsión varían en sentido inverso; un aumento de F para un valor dado de p2/p1 no implica necesariamente una mejora del hglobal; sin embargo, un aumento de área del ciclo disminuye el gasto másico de aire necesario y, por tanto, disminuyen también las dimensiones de la máquina.

lunes, 12 de mayo de 2014

TURBORREACTOR DE UN FLUJO (II)

Los rendimientos de la compresión y expansión de los dispositivos estáticos hdifusor y htobera son superiores a los de las máquinas rotativas hcomp y hturbina, por lo que para aumentar la velocidad del avión interesa hacer más importante la parte de los dispositivos estáticos.

domingo, 11 de mayo de 2014

TURBORREACTOR DE UN FLUJO (I)

El diagrama entrópico de un turborreactor de un flujo viene esquematizado en la Fig X.14.
En el difusor de entrada la energía cinética del aire se transforma en presión. Si la transformación fuese perfecta, se tendría la evolución isentrópica (0B’), de forma que:





sábado, 10 de mayo de 2014

PROPULSIÓN POR REACCIÓN TURBORREACTORES. (III)

Este rendimiento mejora cuando aumenta la velocidad del avión V¥, es decir, el propulsor de reacción es conveniente para grandes velocidades, observándose que:

viernes, 9 de mayo de 2014

PROPULSIÓN POR REACCIÓN TURBORREACTORES. (I)

Es en el terreno de la propulsión aeronáutica donde la turbina de gas ha encontrado su utilización más espectacular. Utilizada inicialmente en aparatos militares rápidos, pero con radio de acción reducido, se extiende en la actualidad a recorridos de largo alcance dentro del campo de la aviación civil.
En general, un propulsor de reacción es un aparato que produce un chorro de gas de gasto másico G que sale a la velocidad V1 y produce un empuje, E = G V1.

jueves, 8 de mayo de 2014

El problema de la aplicación de la turbina de gas al automóvil radica en el recuperador,

a) Un generador de gases calientes constituido por un grupo de AP de un escalonamiento, compresor centrífugo
de aletas radiales, un recuperador rotativo cuyas células, calentadas por los gases de escape de la turbina BP, recalientan
el aire que sale del compresor, una cámara de combustión;
b) Una turbina de potencia útil de un escalonamiento BP con álabes distribuidores regulables
c) Elementos auxiliares, motor de arranque, bomba de combustible
La originalidad de la máquina consiste en la presencia de los álabes distribuidores regulables que
permiten hacer variar el par sobre la rueda de BP, e incluso ejercer un momento de frenado, particularidad interesante cuando se sabe que la falta de freno motor es uno de los principales inconvenientes que se encuentran en la turbina de gas aplicada para la tracción automóvil.

miércoles, 7 de mayo de 2014

Propulsión de automóviles

La técnica actual permite adaptar la turbina de gas para potencias pequeñas con rendimientos muy aceptables en máquinas pequeñas con velocidad de rotación elevada.
Pero los tipos que no llevan recuperador tienen un consumo exagerado que hace imposible todo desarrollo en la industria del automóvil.

martes, 6 de mayo de 2014

MOTORES DE PROPULSIÓN POR TURBINA DE GAS (II)

La segunda característica consiste en que la inercia térmica de una turbina de gas de disposición clásica es grande, sobre todo cuando la instalación tiene dos líneas de ejes. En estas condiciones, se facilita la adaptación del generador de pistones libres, pues este aparato posee una inercia calorífica y mecánica pequeña, análoga a la del motor Diesel, y la inercia del grupo turboreductor de gas que mueve es idéntica a la de una turbina de vapor. De esta manera se han equipado un cierto número de barcos de pequeño tonelaje.
El aparato propulsor con grupo clásico lleva el generador de gas AP y el turboreductor BP; la Fig X.9 representa un esquema de esta disposición.

lunes, 5 de mayo de 2014

MOTORES DE PROPULSIÓN POR TURBINA DE GAS (I)

Propulsión de barcos.- Las aplicaciones de la turbina de gas en la propulsión de navíos son poco numerosas, debido fundamentalmente a dos situaciones.
La primera es que la turbina marina debe estar provista de un elemento de marcha atrás que, cuando está inutilizado en funcionamiento normal, produce pérdidas por ventilación; en la turbina de vapor estas pérdidas son pequeñas, pues los elementos de marcha atrás giran en un espacio donde reina la presión del condensador, es decir, prácticamente el vacío; sin embargo no ocurre lo mismo en los grupos de gas donde estas pérdidas son sensibles, ya que las aletas están, cuando menos, a la presión atmosférica. No obstante, en algunos casos se puede evitar este inconveniente utilizando rotores de palas orientables.

domingo, 4 de mayo de 2014

GENERADOR DE GAS DE PISTONES

El generador de pistones de gases calientes que alimenta una turbina de gas situada sobre el conducto de escape, es un motor Diesel sobrealimentado, conjunto constituido por una máquina de pistones cuyo único papel es alimentar una turbina de gas que suministre por sí misma toda la potencia motriz. En la Fig X.6 se esquematiza un generador de este tipo que lleva dos pistones escalonados de movimientos opuestos y simétricos; en la parte central un cilindro funciona según un ciclo Diesel de dos tiempos. Los pistones de barrido están dispuestos a ambas partes.
El aire es aspirado a través de unas válvulas al espacio anular que rodea el cilindro Diesel que está alimentado por las aberturas, verificándose el escape por una canalización que alimenta la turbina.
El barrido se asegura por una disposición conveniente de las aberturas 6 y 7 que, en un momento dado, están simultáneamente abiertas. Durante su desplazamiento hacia el exterior, los pistones 3 comprimen el aire que, durante la carrera de vuelta, asegura por su expansión el barrido y la compresión en el cilindro Diesel así como la compresión del aire de barrido. Los movimientos de los pistones se sincronizan mediante un sistema de bielas exterior que, teóricamente, no recibe ningún esfuerzo y que se utiliza del mismo modo para el mando de los inyectores.
En la Fig X.7 se representa el diagrama termodinámico; suponiendo que el punto A representa el
estado del aire ambiente, se observa que:
La fase de aspiración del aire viene representada por la transformación (AB)
La compresión del aire en el cilindro compresor por (BC)
La inyección del aire entre el compresor y el cárter por (CD)
En el punto D la masa de aire que evoluciona se subdivide en otras dos, cuya relación varía con la
carga, una sigue el ciclo Diesel (DEGH13’), y la otra sirve para el barrido del cilindro motor y se
añade a los gases de escape del ciclo Diesel, punto J, para conformar la mezcla gaseosa, punto K, que
se va a expansionar en la turbina siguiente (KL).
El conjunto generador-turbina de gas presenta un rendimiento elevado, del orden del 35%, próximo
al del motor Diesel, comparable al obtenido por las turbinas de gas de ciclos complejos que llevan
recuperación prolongada y compresión y expansión escalonadas.
El montaje de varios generadores para alimentar una misma turbina permite realizar instalaciones
cuya potencia puede llegar a 10.000 CV. En algunas centrales se encuentran aplicaciones como
elemento en horas punta o en emergencias.

sábado, 3 de mayo de 2014

Turbina de gas para la producción simultánea de energía y aire comprimido

En esta instalación, Fig X.5, el grupo gira a velocidad constante y la regulación del gasto másico de viento se efectúa en la turbosoplante, por el escape, mediante una turbina de recuperación combinada con una toma en el compresor de aire. La combinación de la generación de energía y viento ofrece la posibilidad de hacer funcionar el alternador como motor, accionando la soplante en caso de una parada imprevista de la turbina de gas. Los combustibles gaseosos, gases de horno alto o gas natural, no presentan en general los inconvenientes de los combustibles líquidos en lo que concierne a la corrosión. Los gases de horno alto se
deben depurar y las temperaturas vienen limitadas por la resistencia metalúrgica de los metales que con frecuencia llegan a 750ºC

viernes, 2 de mayo de 2014

Turbina de gas para la producción de viento

La turbina de gas acciona en acoplamiento directo a la turbosoplante de viento, que alcanza una presión del orden de 1,2 atm, y mediante un multiplicador de engranajes acciona al compresor. Como no hay alternador, la potencia generada en la turbina acciona a la turbosoplante, que no está sujeta a una velocidad de rotación determinada, por lo que se puede adaptar a las necesidades de viento de la instalación, tanto desde el punto de vista del gasto másico, como de la presión. Como el gasto másico de viento está entre un 33% a un 45% del gasto másico total del compresor, las fluctuaciones que se pueden producir en el servicio no influyen sensiblemente en el funcionamiento de la turbina.

jueves, 1 de mayo de 2014

Turbina de gas para generación de energía

Cuando la turbina de gas se utilice para generar energía eléctrica, la instalación se complementa con un compresor de gas de pequeñas dimensiones, que
puede girar a mayor velocidad accionado mediante un multiplicador de engranajes. Los gases de escape calientan el aire y el gas combustible; la regulación del gasto de combustible se efectúa mediante un by-pass en la aspiración; se puede realizar un ahorro de energía dotando al compresor de combustible de una turbina de recuperación.