La turbina de gas Vs Motor de 4 tiempos / Gas turbine Vs 4 stroke engine

En este entrada vamos a comparar los ciclos de la turbina de gas con los de un motor de explosión de 4 tiempos.

All Gas Turbines are a continuous  4 cycle (stroke) engine

Turbina aeroderivativa de Rolls-Royce par el Hawker Hunter Fighter. Originalmente diseñada para  este tipo de avión y otros jets militares en 1946.

Originally designed in 1946 for use on the Hawker Hunter Fighter jet and other military aircraft.

Los álabes del compresor / Compressor Blading

Alabes de Compresor / Compressor Blades

Cada etapa de compresión de un compresor axial está compuesto por el par rotor y estátor. La construcción de estos álabes es pimportante parala operación eficiente de la turbina de gas.

Fir-tree / tipo Abeto

Rotor Blades.-The rotor blades are usually made of aluminum, titanium, or stainless or semi stainless steel. Methods of attaching the blades in the rotor disk rims vary. They are commonly fitted into the disks by either the bulb or the fir-tree type of roots. The blades are then locked with grub-screws, lock wires, pins, or keys.

Compressor blade tips are reduced by cutouts, which are referred to as blade profiles. Some manufacturers use a ring (usually called a shroud) that acts as a spacer for the stators. The shroud can also act as a wear surface when the blade tips come into contact with the ring. This rubbing of blade tips maintains the close tolerances necessary to maintain the efficiency of the compressor and the profiles prevent serious damage to the blade or housing.

Bulb / Tipo bulbo

Alabes del Rotor.- Normalmente están fabricadas en aluminio, titanio o acero inoxidable o semi-inoxidable. La forma de fijar los álabes puede ser tipo bulbo o tipo abeto. Normalmente se usan los dos tipos. Los álabes se bloquean con pasadores, cables de  bloqueo o llaves.

Los álabes del compresor son recortados según la forma deseada. Algunos fabricantes usan anillo (también llamados cubiertas)  que actúan de separadores para el estator. La cubierta también puede actuar como una superficie de desgaste cuando las puntas de las cuchillas entran en contacto con el anillo. Este roce de las puntas de la hoja mantiene estrechas tolerancias necesarias para mantener la eficiencia del compresor y los perfiles de evitar daños graves a la cuchilla o la vivienda.

Tipos de rotor de compresores axiales / Axial Compresor rotor Types

There are 2 main types of axial compressor rotors:

Drum Type.- The drum-type rotor consists of rings that are flanged to it one against the other. The entire assembly may then be held together by through bolts often called tie bolts). The drum is one diameter over its full length. The blades and stators vary in their radial length from the front to the rear of the assembly. The compressor case tapers accordingly. This type of construction is satisfactory for low-speed compressors where centrifugal stresses are low.

Tipo Tambor.- Los compresores de este tipo, consisten en anillos contrapuestos. Así el conjunto puede ser fijado con tornillos pasantes llamados pernos de sujeción. El tambor es un diámetro en toda su longitud. Los álabes y los estátores varían en su longitud radial desde la parte frontal a la parte posterior del conjunto. El compresor se estrecha en consecuencia. Este tipo de construcción es satisfactoria para los compresores de baja velocidad, donde las tensiones centrífugas son bajas.

Disk Type.- The disk-type rotor consists of a series of disks of increasing diameter which are machined from forgings and shrunk fit over a steel shaft. Another method of rotor construction is to machine the disks and shaft from a single aluminum forging and bolt steel stub shafts on the front and rear of the assembly. The stub shafts provide bearing support surfaces and splines for joining the turbine shaft. The blades decrease in length from entry to discharge. This is due to a progressive reduction in the annular working space (drum to casing) toward the rear. The working space decreases because the rotor disk diameter increases. The disk-type rotors are used almost exclusively in all present-day, high-speed engines.

Tipo de Disco.- El rotor de tipo disco consiste en una serie de discos de diámetro creciente que están mecanizados a partir de piezas mecanizadas y ajustadas sobre un eje de acero. Otro método de construcción del rotor es mecanizar un disco y el eje de una sola pieza y fijarlo a un eje de acero en la parte frontal y posterior. Los ejes cortos proporcionan superficies de apoyo de apoyo para unirse al eje de la turbina. Las cuchillas disminuyen en longitud desde la entrada a la descarga. Esto es debido a una reducción progresiva en el espacio de trabajo anular (tambor a la carcasa) hacia la parte posterior. El espacio de trabajo se reduce debido a que aumenta el diámetro del disco del rotor. Los rotores de tipo disco se utilizan casi exclusivamente en todos los motores de hoy en día, de alta velocidad.

Ciclo de Rankine II / Rankine Cycle II

El ciclo de Rankine es el utilizado en las centrales termoeléctricas y consiste en calentar agua en una caldera hasta evaporarla y elevar la presión del vapor, que incide sobre los álabes de una turbina, donde pierde presión produciendo energía cinética. Prosigue el ciclo hacia un condensador donde el fluido se licúa, para posteriormente introducirlo en una bomba que de nuevo aumentará la presión, y será de nuevo introducido en la caldera.

 Dentro de la campana, el fluido se está evaporando, y las isotermas son horizontales. Esto es así porqué dada una presión, el calor que se le aporta al fluido no se emplea en elevar la temperatura, sino en su evaporación.

El rendimiento ideal que tiene este ciclo es el mismo que el de Carnot aunque no alcanza valores tan elevados.



Las etapas del ciclo de Rankine son:

• 1-2 aumenta la presión del líquido sin pérdidas de calor, por medio de un compresor, con aportación de un trabajo mecánico externo. 
• 2-3 se aporta calor al fluido a presión constante en una caldera, con lo que se evapora todo el líquido elevándose la temperatura del vapor al máximo. 
• 3-4 es una expansión adiabática, con lo que el vapor a alta presión realiza un trabajo en la turbina. 
• 4-1 consiste en refrigerar el fluido vaporizado a presión constante en el condensador hasta volver a convertirlo en líquido, y comenzar de nuevo el ciclo.

The Rankine Cycle is used in Thermo Electric Generation and it consist in heat up water, in a boiler, till it will be evaporated and increase its pressure, in order to move the blades of the turbine.

Here the steam lose its pressure pruducing Kinetic energy. After the fluid is conduced to the condenser to be condensed and transform in liquid, for later, thanks to a pump, be sent back to the boiler.

Inside the bell, the fluid is evaporating and the isothermal lines are horizontal. This is because a certain pressure, the heat supplied to the fluid is not to increase its temperautre, but used to change the state of the fluid.

The ideal performance of this cycle is as the Carnot Cycle although it not reach so higher values .



The stages of the rankine Cycle are:

• 1-2 The pressure increases without lost heat thanks to the compressor adding an external mechanical work. 
• 2-3 The fluid is heated up at a constant pressure in the boiler, and the liquid will evaporate, increasing the temperature. 
• 3-4 It is an adiabatic expansion bringing the steam performs a work in the turbine. 
• 4-1 It consist in coll down and condense the fluid, at a constant pressure in the condenser in order to start the cycle again. 

El ciclo de Rankine / The Rankine Cycle

El ciclo de Rankine es un ciclo de potencia, que utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, siendo el agua el mas utilizado. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje que es transmitido al eje del generador transformando de nuevo esta energía mecánica en eléctrica.





El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo.


Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.


Existen también centrales alimentadas mediante energía solar térmica (centrales termosolares), en cuyo caso la caldera es sustituida por un campo de colectores cilindro-parabólicos o un sistema de helióstatos y torre. Además este tipo de centrales poseen un sistema de almacenamiento térmico, habitualmente de sales fundidas.






The Rankine cycle is a power cycle which use a work fluid which is condensed and evaporated alternatively.


The fluid normally used is the water.


The system fuel burning produce steam in a boiler, at high pressure, and send it to the turbine where the steam is expanded to produce mechanical energy in the shaft of the turbine. The turbine´s shaft is connected to the Generator´s shaft and convert it in electric energy.


The steam, at low pressure, is introduced in the condenser, where change its state to liquid (the excess of heat is released by sea water, river water or lake water).


After, a pump increase the pressure of the fluid, in liquid state, and fed to the boiler, closing the circuit.


Exist some ways to improve the performance of the cycle, as for example superheating the vapor at the inlet of the turbine or regeneration of the water at the inlet of the boiler with fresh water.

Construcción del Compresor II / Compressor Construction II

On engines with the split case, either the upper or lower case can be removed, allowing the engine to remain in place for maintenance and inspection.

The compressor case is usually made of aluminum or steel. The material used will depend

on the engine manufacturer, the weight requirements of the engine, and the accessories attached to the case. The compressor case may have external connections made as part of the case.

These connections are normally used as bleed air ports to aid in the prevention of stalls during starting and acceleration or at low-speed operation.

En los motores con carcasa dividida, ambas partes pueden ser  desmontadas, permitiendo que el motor permanezca en su sito para inspección y mantenimiento. Normalmente están hechos de de aluminio o acero. El material usado depende del fabricante, los requerimientos en peso del motor y los accesorios necesarios. La carcasa debe montar conexiones para los accesorios externos como parte de la carcasa.

Estas conexiones son normalmente usadas como puntos de sangrado de aire para ayudar en la prevención de pérdidas de velocidad y aceleración durante el arranque o en la operación a baja velocidad.

Construcción del Compresor / Compressor Construction

Compressor Construction

The two main elements of an axial-flow compressor are the rotor and the stator.

The rotor has fixed blades which force the air rearward much like an aircraft propeller. Behind each rotor is a stator which directs the air rearward to the next rotor. Each consecutive pair of rotor and stator blades constitutes a pressure stage.

The action of the rotor at each stage increases compression and velocity of the air and directs it rearward. By virtue of this increased velocity, energy is transferred from the compressor to the air in the form of velocity energy. The stators at each stage act as diffusers, partially converting this high velocity to pressure.

The number of stages required in a compressor is determined by the amount of air and total pressure rise required by the GTE. The greater, the number of stages, the best, the compression ratio.  Most present-day engines have 8 to 16 stages. 

The rotor and stators are enclosed in the compressor case. Today’s GTEs use a case that is horizontally divided into upper and lower halves. The halves are bolted together with fitted bolts and dowel pins located at various points for casing alignment. This ensures proper casing half alignment.

Other assemblies can then be bolted to either end of the compressor case.

On some older design engines, the case is a one-piece cylinder open on both ends. The one piece compressor case is simpler to manufacture, but any repair or detailed inspection of the compressor rotor requires engine removal and delivery to a shop. 
At the shop it is disassembled for inspection or repair of the rotor or stator.

Construcción del Compresor

Los dos principales elementos de un compresor de flujo axial son el rotor y el estator.

El rotor lleva álabes fijas que fuerza el aire hacia atrás como un motor de aviación. Detrás de cada rotor está el estator que dirige el aire al siguiente rotor. Y así sucesivamente en pares de  rotor-estator conforman las diferentes etapas de compresión.

La acción del rotor en cada etapa de compresión es incrementar la compresión y la velocidad del aire y direccionarlo hacia dentro del compresor. Gracias a esta compresión la energía es traspasada desde el compresor al aire en forma de velocidad. El estator de cada etapa actúa como u difusor convirtiendo esta alta velocidad en presión.

El número de etapas requeridas por el compresor viene determinada por la cantidad de aire requerida por la Turbina de gas. Lo bueno,  el número de etapas, lo mejor, el ratio de compresión. Las turbinas de gas mas recientes suelen llevar entre 8 y 16 etapas.

El rotor y el estator están encerrados en la carcasa del compresor. Las turbinas de gas de hoy usan una carcasa horizontal dividida en dos mitades, superior e  inferior. Estas mitades están unidas, juntas, con pernos  y con varios puntos para lineamiento. Esto asegura la perfecta alineación de las dos mitades.

Ahora otros conjuntos pueden ser atornillados a cualquiera de los extremos de la carcasa del compresor.

En algunos motores con diseños antiguos, la carcasa era un cilindro abierto en ambos lados. El fabricar la carcasa de una sola pieza es muy fácil para el fabricante, pero cualquier inspección detallada o reparación supondrá tener que desmontar el motor completamente, para posteriormente en el taller desmontarlo  e inspeccionarlo o repararlo.

Tipos de Procesos Termodinámicos II / Types of Thermodynamics process II

Adiabatic Process

An adiabatic process is one in which there is no heat transfer into or out of the system. The system can be considered to be perfectly insulated.

Proceso Adiabático

Es cuando no se produce intercambio de calor hacia adentro o hacia afuera del sistema. Este sistema se puede considerar perfectamente asilado.

Isentropic Process

An isentropic process is one in which the entropy of the fluid remains constant. This will be true if the process the system goes through is reversible and adiabatic. An isentropic process can also be called a constant entropy process.

Proceso isentrópico

Es en el que la entropía del fluido permanece constante. Esto será cierto si el proceso es reversible y adiabático. También son llamados procesos a entropía constante.

Polytropic Process

When a gas undergoes a reversible process in which there is heat transfer, the process frequently takes place in such a manner that a plot of the Log P (pressure) vs. Log V (volume) is a straight line. Or stated in equation form PVn = a constant. This type of process is called a polytropic process. An example of a polytropic process is the expansion of the combustion gasses in the cylinder of a water-cooled reciprocating engine.

Proceso politrópico

Cuando un gas pasa por un proceso reversible en el cual hay intercambio de calor, el proceso frecuentemente se produce como un gráfico del logaritmo de P (presión) versus logaritmo de V (volumen) en una línea recta. O en forma de ecuación P*V_n = Constante. Este tipo de procesos se denomina proceso politrópico. Un ejemplo es la expansión de los gases de combustión ene l cilindro de un motor alternativo refrigerado por agua.

Throttling Process

A throttling process is defined as a process in which there is no change in enthalpy from state one to state two, h1 = h2; no work is done, W = 0; and the process is adiabatic, Q = 0. To better understand the theory of the ideal throttling process let’s compare what we can observe with the above theoretical assumptions.

An example of a throttling process is an ideal gas flowing through a valve in mid position. From experience we can observe that: Pin > Pout, velin < velout (where P = pressure and vel = velocity).

These observations confirm the theory that hin = hout. Remember h = u + Pv (v = specific

volume), so if pressure decreases then specific volume must increase if enthalpy is to remain constant (assuming u is constant). Because mass flow is constant, the change in specific volume is observed as an increase in gas velocity, and this is verified by our observations.

The theory also states W = 0. Our observations again confirm this to be true as clearly no "work" has been done by the throttling process. Finally, the theory states that an ideal throttling process is adiabatic. This cannot clearly be proven by observation since a "real" throttling process is not ideal and will have some heat transfer.

Proceso Isoentálpico

Un proceso isoentálpico se define como un proceso en el que no hay ningún cambio en la entalpía de un estado a uno de dos estados, h1 = h2; no se realiza trabajo, W = 0, y el proceso es adiabático, Q = 0. Para entender mejor la teoría del proceso de estrangulación ideales vamos a comparar lo que podemos observar con los supuestos teóricos anteriores.

Un ejemplo de un proceso isoentálpico es cuando un gas ideal fluye a través de una válvula.

Por experiencia, podemos observar que: P_in> P_out, vel_in <vel_out (donde P = presión y vel= velocidad).

Estas observaciones confirman la teoría de que h_in = h_out. Hay que recordar que  h = u + Pv (v = volumen específico), por lo que si la presión disminuye entonces el volumen específico debe aumentar si la entalpía se mantiene constante (suponiendo que u es constante).

Debido a que el flujo de masa es constante, se observa el cambio en el volumen específico como un aumento de la velocidad del gas, y esto se verifica por nuestras observaciones.

La teoría también confirma W = 0. Nuestras observaciones confirman, una vez más, que esto es verdad y que claramente no hay  "trabajo" producido en el proceso de regulación. Por último, la teoría establece que un proceso isoentálpico ideal es adiabático. Esto no puede ser del todo demostrado por la observación ya que un proceso isoentálpico  "real" no es ideal y tendrá algún tipo de transferencia de calor.

Tipos de Procesos Termodinámicos / Types of Thermodynamics process

Cyclic Process

When a system in a given initial state goes through a number of different changes in state (going through various processes) and finally returns to its initial values, the system has undergone a cyclic process or cycle. Therefore, at the conclusion of a cycle, all the properties have the same value they had at the beginning.

Proceso cíclico

Cuando un sistema, en un estado inicial dado, pasa por diferentes cambios de estado ( a través de diferentes procesos) y finalmente vuelve al estado inicial, dicho sistema ha pasado por un proceso cíclico. Por lo tanto el sistema, al finalizar el ciclo, las propiedades del mismo sistema tienen los valores iniciales. 

Reversible Process

A reversible process for a system is defined as a process that, once having taken place, can be reversed, and in so doing leaves no change in either the system or surroundings. In other words the system and surroundings are returned to their original condition before the process took place.

In reality, there are no truly reversible processes; however, for analysis purposes, one uses reversible to make the analysis simpler, and to determine maximum theoretical efficiencies.

Therefore, the reversible process is an appropriate starting point on which to base engineering study and calculation. Although the reversible process can be approximated, it can never be matched by real processes.

One way to make real processes approximate reversible process is to carry out the process in a series of small or infinitesimal steps. For example, heat transfer may be considered reversible if it occurs due to a small temperature difference between the system and its surroundings. For example, transferring heat across a temperature difference of 0.00001 °F "appears" to be more reversible than for transferring heat across a temperature difference of 100 °F. Therefore, by cooling or heating the system in a number of infinitesimally small steps, we can approximate a reversible process. Although not practical for real processes, this method is beneficial for thermodynamic studies since the rate at which processes occur is not important.

Proceso reversible

Un proceso reversible,  para un sistema, está definido como un proceso que, una vez a concluido, puede ser revertido, y al hacerlo no produce ningún cambio ni en el sistema ni en lo que le rodea.

En otras palabras, tanto el sistema  como lo que lo rodea vuelven a su condición original antes de que termine el proceso.

En realidad, no existen verdaderos procesos reversibles, como cuando, para propósitos analíticos, se usa un proceso reversible para hacer análisis simples y determinar la máxima eficiencia teórica.

Por lo tanto, el proceso reversible está en un estado inicial apropiado en el cual se basa el estudio de ingeniería y sus cálculos. Aunque los procesos reversibles pueden ser aproximados, nunca pueden ser procesos reales.

Una manera de hacer real una aproximación a un proceso reversible es usar series de procesos en pasos infinitesimales. Por ejemplo, la transferencia de calor se puede considerar reversibles si ocurre con pequeñas diferencias de temperatura entre el sistema y lo que le rodea. Por ejemplo la transferencia de calor  con una diferencia de temperatura de 0.00001ºF aparece más reversible que con una diferencia de 100 ºF. Por lo tanto, calentado y enfriando el sistema en pequeños pasos infinitesimales, podemos aproximarnos a un proceso reversible. Aunque en la práctica no es para procesos reales, este método es beneficioso para el estudio de la  termodinámica ya que la velocidad a la que se producen los procesos no es importante.

Irreversible Process

An irreversible process is a process that cannot return both the system and the surroundings to their original conditions. That is, the system and the surroundings would not return to their original conditions if the process was reversed. For example, an automobile engine does not give back the fuel it took to drive up a hill as it coasts back down the hill.

There are many factors that make a process irreversible. Four of the most common causes of irreversibility are friction, unrestrained expansion of a fluid, heat transfer through a finite temperature difference, and mixing of two different substances. These factors are present in real, irreversible processes and prevent these processes from being reversible.

Proceso irreversible

Un proceso irreversible es el que no puede retornar, ni el sistema ni lo que lo rodea, a las condiciones originales. Es decir, que el sistema y su entorno no volverían a sus condiciones originales si se invierte el proceso. Por ejemplo el motor d un automóvil no devuelve el fuel que utilizó para subir una colina mientras la baja.

Hay muchos factores que hacen un proceso irreversible. Cuatro de las causas más comunes para irreversibilidad de un proceso son, la fricción, la expansión incontrolado de un fluido, la transferencia de calor a través de la finita diferencia de temperatura, y la mezcla de dos sustancias diferentes. Estos factores están presentes en un proceso  irreversible real y previenen que este sea reversible.

Procesos Termodinámicos (Definición) / Thermodynamics process (Definition)

Thermodynamic Process

Whenever one or more of the properties of a system change, a change in the state of the system occurs. The path of the succession of states through which the system passes is called the thermodynamic process.

One example of a thermodynamic process is increasing the temperature of a fluid while maintaining a constant pressure. Another example is increasing the pressure of a confined gas while maintaining a constant temperature.

Procesos Termodinámicos

En cuanto hay un cambio en una o más propiedades de un sistema, se produce un cambio en dicho sistema. El conjunto de sucesivos estados a través de los cuales pasa un sistema de denomina proceso termodinámico.

Un ejemplo de un proceso termodinámico es el incremento de temperatura de un fluido mientras se mantienen a presión constante. Otro ejemplo es el incremento de presión  de un gas confinado mientras mantiene su temperatura constante.

Nº de álabes del Compresores / Compressor number of blades

El número de álabes del rodete está relacionado,

a) Con el rendimiento, ya que un aumento del número de álabes aumenta el rozamiento de superficie al aumentar la superficie mojada y, simultáneamente, disminuye el rozamiento de forma porque la corriente va mejor guiada. El número de álabes óptimo será el que reduzca a un mínimo la suma de estos dos tipos de pérdidas.

b) Con la altura teórica que se puede conseguir con una geometría y un tamaño de rodete determinado.

La gráfica permite seleccionar el número óptimo de álabes de un compresor radial en función del ángulo medio, y de la relación de diámetros.

The number of blades of the impeller are related with:

a) The performance, since an increase in the number of blades increases the surface friction by increasing the wetted surface and simultaneously reduces friction so that the current is better guided. The optimum number of blades will be minimized that the sum of these two kinds of losses.

b) The theoretical height that can be achieved with a geometry and specific wheel size.

The graph allows you to select the optimal number of blades of a radial compressor according to the mean angle, and the diameter ratio.

 Ángulo medio.Relación de diámetros.

Alabes / Blades

A turbine blade is the individual component which makes up HP turbine section of a gas turbine. The blades are responsible for extracting energy from the high temperature and high pressure gas produced by the combustor. The turbine blades are often the limiting component of gas turbines. To survive in this difficult environment, turbine blades often use exotic materials like super alloys and many different methods of cooling, such as internal air channels, boundary layer cooling, and thermal barrier coatings.

The number of turbine stages varies in different types of engines, with high bypass ratio engines tending to have the most turbine stages. The number of turbine stages can have a great effect on how the turbine blades are designed for each stage.

Many gas turbine engines are twin spool designs, meaning that there is a high pressure spool and a low pressure spool. Other gas turbines used three spools, adding an intermediate pressure spool between the high and low pressure spool. The high pressure turbine is exposed to the hottest, highest pressure, air, and the low pressure turbine is subjected to cooler, lower pressure air. 

That difference in conditions leads the design of high pressure and low pressure turbine blades to be significantly different in material and cooling choices even though the aerodynamic and thermodynamic principles are the same. 

El número de etapas de compresión varía según el tipo de turbina, donde los motores con un ratio alto de compresión tendrán mayor número de etapas. Dicho número de etapas tendrá un gran efecto en como son diseñados los álabes para cada etapa.


Muchas turbinas de gas son diseñadas con doble eje, lo que quiere decir que tendremos un eje de alta presión y uno de baja presión. Algunas otras usan 3 ejes, añadiendo un estado intermedio entre alta y baja presión. La turbina de alta presión está expuesta a altas temperaturas, alta presión y la turbina de baja presión es sometida a menos temperatura con baja presión.

Esta diferencia de condiciones conduce el diseño de los álabes de alta presión baja presión teniendo que ser significativamente diferentes a la hora de elegir los materiales y la refrigeración a pesar de que los principios aerodinámicos y termodinámicos son los mismos.

Diseño de Alabes / Paddle Design

A paddle is a curved blade of a turbo machine. It is a part of the impeller and, where appropriate, also a part of the diffuser or distributor. The vanes deflect the air flow, or for the transformation of the kinetic energy into pressure energy by Bernoulli's principle, or to exchange fluid momentum into the moment of force on the shaft.


Un álabe es la paleta curva de una turbo máquina . Forma parte del rodete y, en su caso, también del difusor o del distribuidor. Los álabes desvían el flujo de corriente, bien para la transformación entre energía cinética y energía de presión por el principio de Bernoulli, o bien para intercambiar cantidad de movimiento del fluido con un momento de fuerza en el eje.

Estos son los triángulos de velocidades en el radio medio de la etapa de una turbina de flujo axial.

El gas entra en la fila de álabes del estator (o toberas) con una presión y temperatura estáticas p1 y T1 y una velocidad C1, se expande hasta p2 y T2 y sale con una velocidad mayor C2 de ángulo 2 α medido entre dicha velocidad y la dirección axial (a diferencia de la turbinas de vapor que se miden con respecto a la dirección tangencial).

Se toma un ángulo de entrada de los álabes del rotor tal, que se acomode a la dirección 2 β de la velocidad relativa de entrada del gas respecto del álabe, (V2); 2 β y V2 se determina restando vectorialmente la velocidad periférica de la velocidad absoluta C2 .

Después de ser desviado y, por lo común, expandido de nuevo en los conductos formados por los álabes del rotor (turbinas de reacción), el gas sale con p3 y T3, y una velocidad relativa V3 de ángulo 3 β.

Sumando vectorialmente U se obtiene la magnitud y la dirección de la velocidad absoluta del gas a la salida de la etapa, C3 y 3 α. A 3 α se le conoce como ángulo de turbulencia y, por lo general, es igual a cero en la última etapa de una turbina con el objeto de disminuir las pérdidas en el tubo de salida.

Dado que la velocidad del alabe U crece con el radio, la forma de los triángulos de velocidades variará desde la raíz a la punta del álabe. En este apartado se hace referencia a las condiciones correspondientes al diámetro medio del conducto anular y de esta forma se obtiene un promedio de lo que le sucede al flujo másico total m& al atravesar la etapa.

Este planteamiento es válido cuando la razón de radios de punta - raíz es baja, es decir, para álabes cortos, pero para álabes altos es indispensable tener en cuenta los efectos tridimensionales como se verá más adelante.

La nomenclatura es la siguiente:

C : Velocidad absoluta [m/s]
V : Velocidad relativa [m/s]
U : Velocidad del álabe [m/s]
α : Ángulo absoluto del flujo de gas [Grados]
β : Ángulo relativo del flujo de gas [Grados]
ω : Velocidad angular del rotor [rad/s]

Compresores de Flujo Axial / Axial Flow Compressors

Axial-Flow Compressors

They both take in ambient air and increase its velocity and pressure. The air is then discharged through the diffuser into the combustion chamber.

The two main elements of an axial-flow compressor are the rotor and the stator. The rotor has fixed blades which force the air rearward much like an aircraft propeller. Behind each rotor is a stator which directs the air rearward to the next rotor. Each consecutive pair of rotor and stator blades constitutes a pressure stage.

The action of the rotor at each stage increases compression and velocity of the air and directs it rearward. By virtue of this increased velocity, energy is transferred from the compressor to the air in the form of velocity energy. The stators at each stage act as diffusers, partially converting this high velocity to pressure.

The number of stages required in a compressor is determined by the amount of air and total pressure rise required by the GTE. The greater the number of stages, the higher the compression ratio. Most present-day engines have 8 to 16 stages.

Compresores de Flujo Axial

Tanto los compresores axiales como los centrífugos, cogen el aire ambiente y elevan su velocidad y presión. Después este aire es descargado en la cámara de combustión a través del difusor.

Los dos principales elementos de los compresores axiales son el rotor y el estator. El rotor dispone de álabes fijas que fuerzan el aire hacia a tras como  el motor de un avión. Detrás de cada rotor hay un estator que dirige el aire hacia atrás al siguiente rotor. Cada par consecutivo, rotor-estator, constituyen una etapa de compresión.

La acción del rotor en cada etapa es  incrementar la compresión y la velocidad del aire y dirigirlo a la siguiente etapa.  En virtud de este aumento de velocidad, la energía es transferida desde el compresor al aire en forma de energía. En los estator de cada etapa de compresión, que actúan como difusores, se convierte parcialmente esta alta velocidad en presión.

El número de etapas requeridas en el compresor viene determinadas por la cantidad de aire y la presión total requerida. Lo mejor de estos compresores es el número de etapas de compresión y su ratio. Las más modernas tienen entre 8 y 16 etapas.

Compresor Centrífugo / Centrifugal Compressor

Principle Operation of the Centrifugal Compressor

The compressor draws in the air at the hub of the impeller and accelerates it radially by centrifugal force through the impeller. It leaves the impeller at a high velocity and a low pressure and flows through the diffuser. The diffuser converts the high-velocity, LP air to low velocity, HP air. The compressor manifold diverts the flow of air from the diffuser (an integral part of the manifold) into the combustion chambers.

CONSTRUCTION

In a centrifugal compressor the manifold has one outlet port for each combustion chamber. The outlet ports are bolted to an outlet elbow on the manifold. The outlet ports ensure that the same amount of air is delivered to each combustion chamber. Each outlet port elbow contains from two to four turning vanes to change the airflow from radial to axial flow and to reduce air pressure losses by presenting a smooth turning surface.

The impeller is usually made from a forged aluminum alloy that is heat-treated, machined, and smoothed for minimum flow restriction and turbulence. Some types of impellers are made from a single forging, while in other types the inducer vanes are separate pieces that are welded in place.

Centrifugal compressors may achieve efficiencies of 80 to 84 percent at pressure ratios of

2.5:1 to 4:1 and efficiencies of 76 to 81 percent at pressure ratios of 4:1 to 10:1. Some advantages of centrifugal compressors are as follows:

• Rugged, simple in design
• Relatively light in weight
• Develop high-pressure ratio per stage

Some disadvantages of centrifugal compressors are as follows:

• Large frontal area
• Lower efficiency than axial-flow compressors
• Difficulty in using two or more stages due to the air loss.

Principio de Operación del compresor centrífugo

El compresor aspira el aire a través del eje del impulsor y lo acelera radialmente por la fuerza centrífuga a través del impulsor. Este deja el impulsor a alta velocidad y baja presión y fluye a través del difusor. El difusor convierte la alta velocidad y baja presión (LP) en baja velocidad y alta presión (HP). El colector del compresor desvía el flujo de aire desde el difusor (como parte integral del colector) en la cámara de combustión.

En un compresor centrífugo el colector tiene una salida por cada cámara de combustión. Los puertos de salida están fijados  a los codos de salida. Estos puertos aseguran que la misma cantidad de aire entre en las cámaras de combustión. Cada codo está provisto de  4 deflectores que cambian el la dirección del flujo de aire de radial a axial reduciendo las pérdidas de presión  que presentan las cámaras lisas.

El impulsor, normalmente esta forjado en una aleación de aluminio tratado térmicamente, mecanizado y pulido para ofrecer una mínima restricción del flujo y turbulencias. Algunos tipos de impulsores están hechos de una sola pieza, mientras que en otros el inductor frontal y trasero están en dos piezas soldadas.

Los compresores centrífugos pueden alcanzar el 80% 84 % de eficiencia, con unos ratios de presión de 2.5:1 a 4:1 y eficiencias del 76% al 81% para ratios de presión de 4:1 a 10:1.

Algunas ventajas de los compresores centrífugos son:

• Robustez, con un diseño simple.
• Relativamente ligeros de peso.
• Desarrolla un ratio de alta presión por etapa.

Las desventajas son:

• Área frontal larga.
• Menor  eficiencia que lo compresores axiales.
• Dificultad para usar 2 o más etapas debido a la pérdida de aire que ocurra entre las etapas y las juntas.

Tipos de Turbinas de gas / Types of Gas Turbine Engines III

Centrifugal Compressor

The centrifugal compressor is usually located between the accessory section and the combustion section. The basic compressor section consists of an impeller, diffuser, and compressor manifold.

The diffuser is bolted to the manifold. Often the entire assembly is referred to as the diffuser. For The impeller may be either single entry or dual entry. The main differences between the single-entry and dual-entry impeller are the size of the impeller and the ducting arrangement.

The single-entry impeller permits convenient ducting directly to the inlet vanes. The dual-entry impeller uses a more complicated ducting to reach the rear side of the compressor. Single-entry impellers are slightly more efficient in receiving air, but they must be of greater diameter to provide sufficient airflow. This increases the overall diameter of the engine.

Dual-entry impellers are smaller in diameter and rotate at higher speeds to ensure a sufficient airflow. Most modern GTEs use the dual-entry compressor to reduce engine diameter. Because the air must enter the engine at almost right angles to the engine axis, a plenum chamber is required for dual-entry compressors. The air must surround the compressor at a positive pressure before entering the compressor to ensure an undisturbed flow.

Compresor Centrífugo

El compresor centrífugo  está normalmente localizado entre la sección de acceso y la de combustión. El compresor básico consiste en un impulsor, un difusor y un colector.

El difusor está fijado al colector. A veces se llama difusor al conjunto entre de difusor y colector. El impulsor puede ser de simple o doble entrada. Las principales diferencias entre ambos son el tamaño de los impulsores y de la disposición  los conductos.

En el de entrada simple, permite la entrada de aire, a través de los conductos, directamente a los álabes. El de doble entrada usa unos conductos algo más complicados que alcanzan la parte trasera del compresor.

El compresor de simple entrada es ligeramente más eficiente a la hora de recibir el aire, pero debe ser de mayor diámetro para proveer un flujo de aire suficiente. Esto incrementa las dimensiones del motor.

 Los compresores de de doble entrada son más pequeños en diámetro y giran a mayor velocidad para asegurar un flujo de  aire suficiente. Las turbinas de gas más modernas usan los compresores de doble entrad porque reducen el diámetro del motor. Debido a que el aire debe entrar en el compresor casi en ángulo recto con el eje del compresor una cámara es necesario que estos compresores dispongan de cámara impelente.

Tipos de Turbinas de gas / Types of Gas Turbine Engines II

CLASSIFICATION BY COMPRESSOR TYPE

The compressor takes in atmospheric air and compresses it to a pressure of several atmospheres.

A GTE may be classified by compressor type, based on the direction of the flow of air through the compressor. The two principal types of compressors are the centrifugal flow and the axial flow. The centrifugal-flow compressor draws in air at the center or eye of the impeller and accelerates it around and outward. In the axial flow compressor, the air is compressed while continuing its original direction of flow (parallel to the axis of the compressor rotor).

El compresor coge el aire a presión atmosférica y lo comprime a varias atmósferas.

Una turbina de gas puede clasificarse según el tipo de compresor, basándose en el flujo de aire a través de este. Los dos tipos principales son el de flujo centrífugo y el de flujo axial. El compresor de flujo centrífugo, recibe el aire por el centro del impulsor y lo acelera enviándolo hacia afuera. En el compresor de flujo axial el aire es comprimido mientras continúa con la dirección original (paralelo al eje del rotor del compresor).

Tipos de Turbinas de gas / Types of Gas Turbine Engines

The different types of GTEs all use the same basic principles. A GTE is classified by its construction (the type of compressor, combustor, or shaft system used).

The compressor may be either centrifugal or axial type. The combustor may be annular, canannular, or can type. The type of shaft used on a GTE may be either single shaft, split shaft, or twin spool. These classifications will be discussed in the following paragraphs.


Todos los tipo de Turbinas de gas usan el mismo principio básico. Una turbina de gas es clasificada según su construcción. (tipo de compresor, tipo de combustor o sistema de ejes empleado).

El compresor puede ser centrífugo o axial. El combustor puede ser anular, de cámaras individuales o una mezcla de las dos. Según el tipo de eje usado estas pueden ser de eje simple o de eje dividido o de doble bobina.

Factores que afectan al rendimiento de las turbina de gas / Factors affecting GTE performance III

Effect of Compressor Cleanliness

Another factor that will have a great effect on performance is the condition of the compressor. A clean compressor is essential to efficiency and reliability. During operation at sea, the compressor takes in a high volume of salt contaminated air. Salt build up is relatively slow in the compressor and will occur more on the stator vanes and the compressor case than on rotating parts. Centrifugal force tends to sling salt contaminants off the rotor blades.

Any oil ingested into the engine coats the compressor with a film and will rapidly increase contamination of the compressor. The film traps any dust and other foreign matter suspended in the air. The dust and dirt absorb more oil, which traps more dirt, and so forth. If left unattended, the buildup of contamination (either oil or salt) will lead to a choking of the compressor and a restricted airflow. This restricted airflow will require the main fuel to schedule more fuel to produce an equivalent horsepower. The combustion gas temperatures will rise until loss of power, and damage to the turbine may result. Contamination, if not controlled, can induce a surge condition in the compressor during engine start. It will also reduce the life of the compressor and turbine blading through corrosion of the engine parts.

Efectos de la falta de limpieza en el compresor.

Otro factor cuyo efecto puede ser grande en el rendimiento de las turbinas de gas son las condiciones del compresor. Un compresor limpio es esencial para la eficiencia y la fiabilidad. Durante la operación en el mar, en el caso de turbinas embarcadas, el compresor recoge el aire contaminado con sal. La acumulación de sal es relativamente pequeña y suele producirse en los vanos del estator y en el compresor antes que en las partes móviles. La fuerza centrífuga tiende a lanzar los restos contaminantes de sal sacándolos de los álabes.

Cualquier aceite introducido en el compresor incrementará rápidamente la contaminación en él. Esta película creada por el aceite atrapará restos de polvo y suciedad en suspensión en el aire. El polvo, a su vez, absorberá mas aceite, que atrapará más polvo, etc.

Si no se atiende a la formación de suciedad (polvo, aceite, sal), estos pueden llegar a asfixiar el compresor y reducir la cantidad de entrada de aire. La temperatura de los gases de la cámara de combustión ascenderá hasta producir pérdida de potencia produciendo  daños en la turbina. La contaminación, si no se controla, puede inducir una serie de problemas durante el arranque de la turbina. Esto reduce la vida útil del compresor de los álabes de la turbina a través de la corrosión de diferentes partes del motor.

Factores que afectan al rendimiento de una Turbina de gas / Factors affecting GTE performance

FACTORS AFFECTING ENGINE PERFORMANCE

Many factors, such as aerodynamics and thermodynamics, have a direct effect on efficient GTE performance. We will discuss only two common factors, the effect of ambient temperatures and the effect of compressor cleanliness. As a gas turbine technician, you will be concerned with these in your daily operation of the GTE.

Effect of Ambient Temperature

A standard day is indicated by the following conditions at sea level: barometric pressure—29.92 Hg, humidity (water vapor pressure)—0.00 Hg, and temperature—59°F.

Operation of engines above or below 50°F will proportionally affect engine power output by as much as 15 or 20 percent. The power and efficiency of a GTE are affected by both outside and inside variables. Air has volume that is directly affected by its temperature. As the temperature decreases, the volume of air for a given mass decreases, and its density increases. Consequently, the mass weight of the air increases, causing the engine to operate more efficiently. This happens because less energy is needed to achieve the same compression at the combustion chambers. Also, cooler air causes lower burning temperatures. The resulting temperatures extend turbine life.

For example, propulsion GTE is operating at 100 percent GG speed with 100 percent PT speed. The ambient (external air) temperature is 70°F. If the temperature were increased to 120°F, the volume of air required would increase. The mass weight would decrease. Since the amount of fuel added is limited by the inlet temperature the turbine will withstand, the mass weight flow cannot be achieved; the result is a loss of net power available for work. The plant may be able to produce only 90 to 95 percent of its rated horsepower.

FACTORES  QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO DE LA TURBINA

Muchos factores, como los  aerodinámicos y los termodinámicos tienen un efecto directo en el rendimiento de las turbinas de gas. Vamos a revisar solo dos factores, los efectos producidos por a temperatura ambiente y los efectos debidos a la limpieza del compresor.

Para cualquier técnico de turbinas estos dos factores deben ser la operación diaria en su mantenimiento.

Efectos de la Temperatura Ambiente.

El “Standard Day”, se refiere a unas condiciones especiales de prueba de las turbinas y que se usa en la Marina de los Estados Unidos. Estas condiciones son a nivel del mar:

• Presión barométrica de 29.92 mmHg.
• Humedad (presión del vapor de agua) 0.00 Hg.
• Temperatura 59 ºF.

La operación de turbinas por debajo de los 59ºF afecta a la potencia de salida en más de un 15% o 20%. La potencia de la  Turbina de Gas está afectada por variables de entrada y de salida. El volumen del aire es directamente afectado por la temperatura. Si la temperatura disminuye el volumen disminuye y su densidad aumenta. Consecuentemente, el peso de la masa de aire aumenta, causando que la turbina opere más eficientemente. Esto ocurre porque se necesita menos energía para alcanzar la misma presión en las cámaras de combustión. Esto también produce menores temperaturas en dichas cámaras. El resultado es una vida más larga de la turbina.

Por ejemplo, una turbina trabajando al 100% recibe el aire a una temperatura de 70ºF. Si ha aumentamos la temperatura a 120ºF, el volumen de aire requerido se incrementará. El peso de la masa disminuirá porque disminuyó la densidad. Puesto que la cantidad de combustible añadido está limitado por la temperatura de entrada que la turbina puede soportar, el peso de la masa de flujo no puede ser alcanzado, el resultado es una pérdida de potencia neta disponible. La planta entonces solo produce entre un 90% y un 95% de su potencia nominal.