Fundamentos de Turbinas de Gas y Dinámica de Motores de Combustión Interna

Ventajas y desventajas de las turbinas de gas frente al motor diésel

Ventajas

• Relación peso/potencia: Son mucho más ligeras y compactas; ocupan menos volumen por cada kilovatio producido.
• Ausencia de movimientos alternativos: Al no tener pistones ni bielas, las vibraciones son mínimas, requiriendo cimentaciones más ligeras.
• Menor consumo de lubricante: No existe una fricción severa entre piezas móviles como segmentos y camisas.
• Proceso continuo: La combustión es constante, lo que evita los picos de presión cíclicos de los motores alternativos.

Desventajas

• Rendimiento a cargas parciales: Su eficiencia disminuye drásticamente cuando operan fuera de su punto de diseño (poca carga).
• Menor rendimiento térmico global: En comparación con los motores diésel marinos o industriales de gran tamaño, consumen más combustible por unidad de energía.
• Costes de fabricación: Exigen materiales muy caros y superaleaciones capaces de resistir altísimas temperaturas en los álabes.

Elementos componentes primarios

• Compresor (Axial o Centrífugo): Aspira aire atmosférico y eleva notablemente su presión y temperatura.
• Cámara de combustión: Recibe el aire a alta presión, se le inyecta el combustible y se realiza la combustión a presión prácticamente constante.
• Turbina de expansión: Los gases calientes se expanden por los álabes transformando la entalpía en energía mecánica. Parte de esta potencia mueve el propio compresor y el resto es la potencia útil de salida.

Ciclo Ideal Brayton y métodos de mejora

El ciclo ideal que rige esta máquina consta de dos transformaciones isentrópicas (compresión y expansión) y dos isobaras (combustión y cesión de calor). Para incrementar su rendimiento termodinámico se aplican tres métodos clásicos:

• Regeneración: Un intercambiador de calor aprovecha la alta temperatura de los gases de escape de la turbina para precalentar el aire que sale del compresor antes de que entre a la cámara de combustión.
• Compresión escalonada con refrigeración intermedia (Intercooling): Se divide la compresión en varias etapas, enfriando el aire entre ellas para reducir el volumen específico y, por tanto, el trabajo consumido por el compresor.
• Expansión escalonada con recalentamiento intermedio (Reheating): Los gases se expanden en una primera turbina, pasan por una segunda cámara de combustión para recalentarse y se vuelven a expandir en una segunda turbina, aumentando el trabajo neto.

Definiciones de conceptos de regulación

• Regulador de velocidad: Dispositivo automático que ajusta el caudal de combustible inyectado al motor para mantener la velocidad de giro constante o dentro de márgenes estrechos ante variaciones de la carga exterior.
• Speed Droop (Estatismo): Disminución porcentual de la velocidad que experimenta el motor al pasar de la condición de vacío a la de plena carga: g = (n_vacío - n_plena_carga) / n_nominal * 100.
• Hunting (Penduleo): Fenómeno de inestabilidad donde la velocidad del motor oscila de forma continua e indeseada alrededor de la velocidad de consigna debido a una corrección excesiva del regulador.
• Estabilidad: Capacidad del conjunto motor-regulador para amortiguar las oscilaciones transitorias y fijar un nuevo régimen permanente estable tras una perturbación de carga.
• Sensibilidad: La menor variación porcentual de velocidad necesaria para vencer los rozamientos internos del mecanismo del regulador y provocar una respuesta de control.
• Promptness (Prontitud): Rapidez de respuesta o velocidad con la que actúa el mecanismo del regulador desde el instante en que detecta el desvío de velocidad.

Par motor: Tipos

• Par instantáneo: El par real y variable generado en el cigüeñal en cada grado angular específico del ciclo, derivado de la presión instantánea de los gases sobre el pistón combinada con la geometría biela-manivela.
• Par medio: El valor promedio del par integrado a lo largo de un ciclo completo de funcionamiento (720º en 4 tiempos; 360º en 2 tiempos). Es el par neto real medible en el eje.
• Par escorante: Par de reacción igual y opuesto al par motor que actúa sobre los soportes del bloque motor y la bancada, tendiendo a hacer girar toda la estructura del motor en sentido contrario al cigüeñal.

Corrección de la irregularidad de giro: Volante de inercia

Fundamento del volante de inercia: Debido al carácter intermitente del par instantáneo, el cigüeñal sufre constantes aceleraciones y frenados en cada vuelta. El volante es una masa pesada con un gran momento de inercia (I) montada en el eje. Durante la carrera de combustión (exceso de par), absorbe energía en forma de energía cinética acelerándose levemente; durante las carreras pasivas (admisión, compresión, escape), restituye esa energía acumulada para mantener el giro con una pérdida mínima de velocidad.

Grado de irregularidad (i): Coeficiente adimensional que mide la fluctuación de la velocidad angular y sirve para dimensionar el volante:

i = (ω_max - ω_min) / ω_medio

Donde ω_max, ω_min y ω_medio son las velocidades angulares máxima, mínima y media registradas por el motor a lo largo de su ciclo.

Funcionamiento del regulador ante un aumento de carga

• Regulador con ajuste de velocidad y compensado (Isócrono - Estatismo g=0): Al aumentar la carga, la velocidad cae inicialmente. El regulador inyecta más combustible y su sistema de compensación por amortiguador (dashpot) o acción integral deshace el estatismo transitorio. El motor termina estabilizándose exactamente a la misma velocidad original que tenía antes del aumento de carga.
• Regulador con ajuste de caída de velocidad (Con Estatismo/Droop): Al aumentar la carga, la velocidad cae y el regulador responde incrementando el combustible, pero su propia geometría mecánica fija el nuevo equilibrio estable en una velocidad ligeramente inferior a la que tenía previamente en vacío.

Fuerzas de inercia verticales y horizontales

Las fuerzas de inercia que se transmiten a la bancada del motor se calculan proyectando las componentes dinámicas:

• Fuerza de inercia vertical (dirección del cilindro): Suma de las fuerzas alternativas y la componente vertical de las centrífugas:
  FV = m_alt * ω² * r * (cosθ + r/L * cos(2θ)) + m_gir * ω² * r * cosθ
• Fuerza de inercia horizontal (transversal al cilindro): Debida exclusivamente a la componente horizontal de la fuerza centrífuga:
  FH = m_gir * ω² * r * senθ

Donde: m_alt y m_gir = Masas equivalentes alternativa y giratoria; ω = Velocidad angular; r = Radio de la manivela; L = Longitud de la biela; θ = Ángulo del cigüeñal respecto al PMS.

Comparativa de la irregularidad del par

• ¿En un motor de 4t o en uno de 2t?: La diferencia entre par instantáneo máximo y par medio es menor en un motor de 2 tiempos (2t), ya que efectúa una carrera de trabajo por cada vuelta (360º), mientras que el de 4 tiempos necesita dos vueltas (720º).
• ¿Entre un motor de 2 cilindros y uno de 6 cilindros?: La diferencia es menor en el motor de 6 cilindros. Al incrementar el número de cilindros, los encendidos se intercalan y solapan, eliminando los valles prolongados sin par.
• ¿Cuál tendría menor diferencia total?: El motor de 6 cilindros que funcione bajo el ciclo de 2 tiempos (2t) tendrá el par motor más homogéneo.

Tipos de reguladores y control

• Regulador de acción directa: Las fuerzas centrífugas de las masas (contrapesos) mueven directamente el varillaje de la cremallera de combustible sin ayuda externa.
• Regulador de acción indirecta: Las masas mueven una válvula piloto hidromecánica o un captador electrónico que comanda una fuente de energía auxiliar (servo hidráulico o actuador eléctrico) para accionar la inyección.
• Regulador PID: Controlador electrónico que combina tres acciones matemáticas: Proporcional (error actual), Integradora (error pasado) y Derivativa (tendencia futura).

Masas alternativas y giratorias en los MCIA

• Masas de movimiento alternativo (m_alt): Formadas por el émbolo (pistón), bulón, segmentos y aproximadamente 1/3 de la masa de la biela. Provocan fuerzas de inercia de primer y segundo orden alineadas con el eje del cilindro.
• Masas de movimiento giratorio (m_gir): Formadas por las muñequillas, brazos de manivela, contrapesos y 2/3 de la masa de la biela. Provocan fuerzas de inercia centrífugas constantes para una velocidad fija.