Entendiendo el Principio de Funcionamiento de un Motor de Turbina de Gas
En el día de hoy, profundizaremos en los principios de funcionamiento detrás de un motor de turbina de gas. Los motores de turbina de gas se utilizan principalmente para dos propósitos. El primero es la producción de energía y el segundo es generar fuerza de empuje en una aeronave. Aunque las funciones son diferentes, el principio de funcionamiento detrás de cada caso es el mismo. Vamos a entender cómo se utiliza el motor de turbina de gas para generar fuerza de empuje en una aeronave.
Aquí tenemos una imagen detallada de un motor de turbina de gas de una aeronave. Para que el vuelo avance, este motor debe producir una fuerza en dirección hacia adelante. Esta fuerza se produce gracias al efecto de la salida de fluido de alta velocidad. Cuando un fluido de alta velocidad es expulsado del motor, se produce una fuerza de reacción que impulsa la aeronave. Esta fuerza se conoce como fuerza de chorro.
Aplicando la segunda ley de Newton a un motor de turbina de gas de volumen controlado, es fácil encontrar la magnitud de esta fuerza de chorro. Es el momento menos el momento inicial. Si la velocidad del chorro es alta, significa una fuerza de chorro alta. Es por eso que la salida de un motor de turbina de gas tiene un área decreciente, si el flujo es subsónico, o una tobera de escape que aumenta la velocidad del chorro.
Ahora, ¿cómo se produce continuamente este chorro de alta velocidad? Lo producimos mediante un proceso de combustión, inyectando combustible en él, lo que produce llamas con una velocidad muy alta. Pero para que el proceso de combustión sea sostenible, necesitamos que el aire de entrada a la cámara de combustión esté a una temperatura y presión altas. Esto se logra mediante la combinación de un difusor y un compresor.
El aire ingresa al motor gracias al movimiento hacia adelante del motor y al efecto de succión del compresor. El difusor aumenta la presión del fluido y convierte parte de la energía cinética en energía de presión. Luego viene el compresor, donde tanto la presión como la temperatura del aire se elevan gracias a la adición de energía desde el compresor.
En la salida del compresor, tendremos aire a alta presión y alta temperatura. Sin embargo, el compresor requiere algo de energía de entrada para hacer esto. Esta energía es suministrada por una turbina que se encuentra justo después de la cámara de combustión. La turbina absorbe una cierta cantidad de energía del fluido de alta energía y la transmite al compresor.
De esta manera, el proceso de producir un chorro de alta velocidad en la salida se vuelve autosostenible. Obtendremos un suministro continuo de chorro de alta velocidad y fuerza de empuje para esta aeronave, gracias al funcionamiento sincronizado de todos estos componentes: el difusor, el compresor, la cámara de combustión, la turbina y las toberas de escape.
Veamos cómo cambia el nivel de energía del fluido desde la entrada del motor de turbina de gas hasta la salida. Supongamos que este es el punto de entrada en un diagrama de temperatura-entropía, que es igual al estado del aire circundante. Debido al efecto del difusor, la presión y la temperatura del fluido aumentan ligeramente, mientras que la entropía permanece igual.
Suponiendo que este proceso es adiabático y reversible, en la etapa de compresión, se repite el mismo proceso y la temperatura y la presión aumentan hasta alcanzar un nivel donde el proceso de combustión es sostenible. Ahora, durante la adición de calor al fluido, este proceso ocurre casi a una presión constante y la temperatura del flujo aumenta a un nivel muy alto. Justo después de eso, la turbina absorberá una cierta cantidad de energía requerida por el compresor, por lo que la temperatura y la presión del fluido disminuyen.
La última sección, que produce el chorro de alta velocidad, la tobera, es nuevamente un proceso a entropía constante donde la energía interna del fluido se convierte en energía cinética. Aquí, la presión del flujo se expande hasta igualar la presión circundante. Vale la pena señalar aquí que el flujo de salida nunca regresa a la condición de entrada, ya que captura una nueva corriente de aire. Por lo tanto, este es un proceso de ciclo abierto, pero dado que ambos puntos tienen la misma presión, podemos asumir un proceso pseudo a presión constante para completar el ciclo. Este ciclo se llama ciclo Brayton. Eso es todo acerca del funcionamiento del motor de turbina de gas. Gracias por leer el contenido.
