Teoría de la Turbina de gas II / Gas Turbine Theory II

A balloon full of air (view A) does nothing unless the trapped air is released. When the air is released, it escapes rearward, causing the balloon to move forward (Newton’s third law) (view B).

If you could devise a way to keep the balloon constantly full of air, it would continue to move forward (view C) as long as the air is allowed to escape from it. If you place a fan or pinwheel in the
escaping airstream, the pressure energy and velocity energy will cause the fan to rotate. Then you can use the escaping air to do work (view D).

Now, if you replace the balloon with a firmly mounted tube or container and keep it filled with air from a fan located in the air opening and driven by an external source, you could use the discharge air to turn a fan at the rear to do work (view E).

If you add fuel and allow combustion to occur (view F), the volume of air and the velocity with which it passes over the exhaust fan are greatly increased (Charles’s law). The horsepower the fan will produce is also increased. The continuous pressure created by the inlet fan, or compressor, prevents the hot gases from going forward.

Now, if you attach a shaft to the compressor and extend it back to a turbine wheel, you have a simple GTE (view G). It can supply power to run its own compressor and still provide enough power to do useful work.

1. Air is taken in through the air inlet duct by the compressor. There it is raised in pressure and discharged into the combustion chamber (or combustor).

2. Fuel is admitted into the combustion chamber by the fuel nozzle(s). The fuel-air mixture is ignited by an igniter(s) (not shown) and combustion occurs.

3. The hot and rapidly expanding gases are directed aft through the turbine rotor assembly. There, thermal and kinetic energy are converted into mechanical energy. The gases are then directed out through the exhaust duct.


Un globo lleno de aire (A) no  hace nada si el aire queda atrapado. Cuando se suelta el aire, este escapa hacia atrás provocando que el globo se mueva hacia adelante (3ª Ley de Newton principio de Acción y Reacción).

Si pudiésemos mantener el globo, continuamente lleno de aire, el globo continuaría moviéndose (C) hasta que escape todo el aire en el contenido. Si ponemos un ventilador o rueda en el flujo de aire del escape, la energía de la presión y la velocidad provocaran que el ventilador gire. Entonces podremos usar el aire del escape para producir trabajo (D).

Ahora, si reemplazamos el globo con un tubo o recipiente, en un montaje fijo, y lo mantenemos lleno de aire del  ventilador situado en la salida de aire y conducido por una fuente externa, se puede utilizar el aire de descarga para encender un ventilador en la parte trasera para hacer trabajo (ver E).

Si añades fuel y permites una combustión (F), el volumen del aire y su velocidad cuando pase por el escape a través del ventiladores está muy incrementado  (ley de Charles). La potencias en caballos de vapor desarrollada por el ventilador también será aumentada.  La continua presión creada por el ventilador de entrada, o el compresor, evita la entrada de gases calientes.

Ahora bien, si conectamos  un eje al compresor y lo  extendemos hasta  la rueda de la turbina, que tiene una turbina de gas simple (G),  podemos suministrar energía para hacer funcionar su propio compresor y seguir proporcionando energía suficiente para hacer un trabajo útil.

1. El aire es cogido e introducido en el conducto del compresor, donde se eleva la presión y se descarga en la cámara de combustión. 
2. El fuel es admitido en la cámara de combustión a través de los inyectores. La mezcla de aire-combustible es encendida por la bujía y se produce la combustión
3. La rápida expansión de los gases calientes son direccionados hacia a tras a través del ensamblaje rotor – turbina. Es entonces cuando se transforma la energía térmica y cinética en energía mecánica. Los gases ahora  son conducidos al conducto del escape.

Ciclo Teórico de Brayton / Brayton´s Cycle Theory

A cycle is a process that begins with certain conditions, progresses through a series of
additional conditions, and returns to the original conditions. The basic GTE cycle is named for the Boston engineer, George Brayton, who proposed it in the late nineteenth century.

The Brayton cycle is one in which combustion occurs at constant pressure. In GTEs, specific components are designed to perform each function of the cycle separately. These functions are intake, compression, combustion, expansion, and exhaust.

Intake—At point A, air enters the inlet at atmospheric pressure and ambient temperature.

Compression—As the air passes through the compressor, it increases in pressure and temperature and decreases in volume (line A-B).

Combustion—At point B, combustion occurs at constant pressure while the addition of heat causes a sharp increase in volume (line B-C).

Expansion —The gases at constant pressure and increased volume enter the turbine and expand through it. As the gases pass through the turbine rotor, the rotor turns kinetic energy into mechanical energy. The expanding size of the passages causes further increase in volume and a sharp decrease in pressure and temperature (line C-D).

Exhaust—The gases are released through the stack with a large drop in volume and at constant pressure (line D-A).

We can see, that,  this cycle has 2 adiabatic steps and 2 isobaric steps.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=wbdwHc0C_Cw


Un ciclo es un proceso que empieza con ciertas condiciones, progresa a través de una serie de condiciones adicionales y retorna a las condiciones originales. El ciclo básico de una Turbina de Gas es llamado Ciclo de Brayton, gracias a un ingeniero de  Boston llamado George Brayton, quien lo propuso a finales del siglo 19.

El ciclo de Brayton es el ciclo en el cual la combustión ocurre a presión constante. En una Turbina de gas los componentes están específicamente diseñados para realizar cada funcion del ciclo separadamente. Estas funciones son Entrada de aire, compresión,  combustión y escape.

Entrada de Aire. Es el punto A donde el aire está a presión atmosférica y temperatura ambiente.

Compresión. El aire pasa a través del compresor, incrementa su presión y su temperatura, decreciendo su volumen. (A-B).

Combustión. Es el punto B, donde se produce a presión constante donde se añade calor causando un brusco aumento de volumen (B-C).

Expansión. Los gases a presión constante y un volumen incrementado entran en la turbina y se expanden a través de ella. Como estos pasan a través del rotor de la turbina, este gira convirtiendo la energía cinética en energía mecánica. Al ensancharse la cámara se produce un mayor incremento del volumen y un brusco descenso  de la presión y temperatura (C-D).





As we can see in the next figure we are related 2 diagrams, P-V and T-s. the last one is for temperature and Entropy.

Como podemos en la figura siguiente hemos relacionado 2 diagramas, uno P-V y otro T-s. Este último es el de temperatura y Entropía.

Turbinas de gas / Gas Turbine

Aquí tenemos una turbina de gas para aviación.

Sus partes son:

Básicamente sus partes son.

1. Toma de aire / Air Inlet
2. Compresor / Compressor
3. Cámara de combustión / Combustion Chamber
4. Turbina / Turbine

TEORÍA DE LAS TURBINAS DE GAS  / GAS TURBINE THEORY

Two elements are required for proper operation of a GTE. One is expressed by Newton’s third law (action/reaction). The other is the convergent-divergent process (or Bernoulli’s principle). Convergent means coming closer together, as the inner walls of a tube that is narrowing. Divergent means moving away from

each other, as the inner walls of a tube that flares outward. The venturi of an automobile carburetor is a common example of Bernoulli’s principle and the convergent-divergent process. Before we discuss GTE construction and design, we will discuss a little more on cycles and theory.

Para una adecuada operación de una turbina de gas son necesarios dos elementos.

El primero es expresado por la 3ª Ley de Newton (Principio de Acción y reacción). el otro es un proceso de convergencia-divergencia (o Principio de Bernoulli)

Convergencia, significa que el conducto se estrecha y divergencia que se alejan debido a que el conducto se hace mas grande progresivamente. Una buena explicación del principio de Bernoulli, y la convergecnia-divergencia  es lo que ocurre en el carburador de un coche. Antes de discutir sobre la construcción y el diseño vamos a repasar los ciclos en los que se basa  y su teoría.

Presión / Pressure

Pressure is a measure of the force exerted per unit area on the boundaries of a substance (or system). It is caused by the collisions of the molecules of the substance with the boundaries of the system.

Its unit in SI  is Pascal (P)

When pressure is measured relative to a perfect vacuum, it is called absolute pressure (psia); when measured relative to atmospheric pressure (14.7 psi), it is called gauge pressure (psig). The latter pressure scale was developed because almost all pressure gauges register zero when open to the atmosphere. Therefore, pressure gauges measure the difference between the pressure of the fluid to which they are connected and that of the surrounding air.

Pabs = Patm + Pgauge
Pabs = Patm - Pvac 

Patm is atmospheric pressure, which is also called the barometric pressure. Pgauge is the gauge pressure, and Pvac is vacuum. Once again, the following examples relating the various pressures will be helpful in understanding the idea of gauge versus absolute pressures.

La  presión es la medida de la fuerza ejercida por unidad de área en los límites de una sustancia (o sistema). Esto es causado por la colisión de las moléculas de una sustancia contra los límites del sistema.

Cuando la presión es medida en relación con el vacío perfecto se denomina presión absoluta; cuando es medida en relación a la presión atmosférica (1 atm.) es llamada presión manométrica. Esta última escala fue desarrollada porque casi todos los manómetros marcaban 0 al estar conectados a la atmósfera. Por lo tanto, la presión manométrica mide la diferencia entre la presión del fluido al que está conectado y la del aire que le rodea.

Patm es la presión atmosférica,  también llamada, presión barométrica. Pman. es la presión manométrica
y Pvac es el vacío. Una vez mas, el siguiente ejemplo relaciona las diferentes presiones ayundándonos a entender la idea de Presión manométrica y presión absoluta

Pabs = Patm + Pman
Pabs = Patm - Pvac 

	Pascal	bar	N/mm²	kp/m²	kp/cm²	atm	Torr
1 Pa (N/m²)=	1	10-5	10-6	0,102	0,102×10-4	0,987×10-5	0,0075
1 bar (10N/cm²) =	105	1	0,1	10200	1,02	0,987	750
1 N/mm² =	106	10	1	1,02×105	10,2	9,87	7500
1 kp/m² =	9,81	9,81×10-5	9,81×10-6	1	10-4	0,968×10-4	0,0736
1 kp/cm² =	9,81 x 104	0,981	0,0981	10000	1	0,968	736
1 atm. (760 Torr.) =	101325	1,01325	0,1013	10330	1,033	1	760
1 Torr. (mmHg) =	133,32	0,0013332	1,3332×10-4	13,6	1,36 x 10-3	1,32 x 10-3	1

Escalas de temperatura / Temperature Scales

The two temperature scales normally employed for measurement purposes are the Fahrenheit (F) and  Celsius (C) scales. These scales are based on a specification of the number of increments between the freezing point and boiling point of water at standard atmospheric pressure. The Celsius scale has 100 units between these points, and the Fahrenheit scale has 180 units. The zero points on the scales are arbitrary.

The freezing point of water was selected as the zero point of the Celsius scale. The coldest temperature achievable with a mixture of ice and salt water was selected as the zero point of the Fahrenheit scale. The temperature at which water boils was set at 100 on the Celsius scale and 212 on the Fahrenheit scale. The relationship between the scales is represented by the following equations.

°F = 32.0 + (9/5)°C (1-5)
°C = (°F - 32.0)(5/9) (1-6)

It is necessary to define an absolute temperature scale having only positive values. The absolute temperature scale that corresponds to the Celsius scale is called the Kelvin (K) scale, and the absolute scale that corresponds to the Fahrenheit scale is called the Rankine (R) scale. The zero points on both absolute scales represent the same physical state. This state is where there is no molecular motion of individual atoms. The relationships between the absolute and relative temperature scales are shown in the following equations.

°R = °F + 460 (1-7)
°K = °C + 273 


Las dos escalas normalmente utilizadas para medidas son la Fahrenheit (ºF) y la Celsius (ºC). Estas escalas están basadas en una especificación de el número de incrementos entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua a presión estándar a nivel del mar. La escala Celsius tiene 100 puntos y la Fahrenheiet 180. El punto cero de l escala es arbitrario.

El punto de congelación del agua es tomado como 0ºC en la escala Celsius. la menor temperatura conseguida con una mezcla de hielo y agua salada es el punto 0º F.
El punto de ebullición en la escala Celsius es 100ºC y 212 ºF. Su relación es la siguiente.

°F = 32.0 + (9/5)°C (1-5)
°C = (°F - 32.0)(5/9) (1-6)

Es necesario definir una escala de temperatura absoluta que de solo valores positivos. La temperatura absoluta que corresponde con la escala Celsius es la escala Kelvin (ºK) y la corresponde con la escala fahrenheit es la Rankine (ºR).  El punto cero en ambas representa el mismo estado físico. Este estado es donde no hay movimiento molecular de átomos individuales.

°R = °F + 460 (1-7)
°K = °C + 273 

Temperatura / Temperature

Temperature is a measure of the molecular activity of a substance. The greater the movement of molecules, the higher the temperature.

It is a relative measure of how "hot" or "cold" a substance is and can be used to predict the direction of heat transfer.

La temperatura es la medida de la actividad molecular de la sustancia. A mayor movimiento, temperatura mas alta.

Es una medida relativa de como de caliente o frío esta una sustancia, y puede usarse para predecir la dirección de la transferencia de calor.

Propiedades Intensivas y Extensivas / Intensive and extensive properties

Thermodynamic properties can be divided into two general classes, intensive and extensive properties.
An intensive property is independent of the amount of mass.

The value of an extensive property varies directly with the mass.

Thus, if a quantity of matter in a given state is divided into two equal parts, each part will have the same value of intensive property as the original and half the value of the extensive property.

Temperature, pressure, specific volume, and density are examples of intensive properties.
Mass and total volume are examples of extensive properties.

Las propiedades termodinámicas se pueden dividir en dos clases, de manera general, Intensivas y Extensivas.

Una propiedad Intensiva es independiente de la cantidad de masa.

El valor de una propiedad Extensiva varía directamente con la masa.

De este modo, si la cantidad de materia en un estado dado es dividida en dos  partes iguales, cada parte tendrá el mismo valor de propiedad intensiva que el original y la mitad del valor extensivo de este.

Volumen Específico y Densidad / Specific Volume and Density

The specific volume (n) of a substance is the total volume (V) of that substance divided by the total mass (m) of that substance (volume per unit mass). It has units of cubic feet per pound-mass (ft3/lbm).



El volumen específico (n) de una sustancia es el volumen total de esta sustancia divida por el total de sus masa (volumen por unidad de masa). Su unidad es el m³Kg^-1.

The density (r ) of a substance is the total mass (m) of that substance divided by the total  volume (V) occupied by that substance (mass per unit volume). It has units of pound-mass per cubic feet (lbm/ft3). The density (r ) of a substance is the reciprocal of its specific volume (n).

La densidad (r ) de una sustancia es la masa total (m) de esta sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esta sustancia (masa por unidad de volumen).  Su unidad es Kg m^-3.