TURBINAS DE GAS AERODERIVADAS PARA LA PROPULSION NAVAL.

Magirus_Deutz · July 2

Las turbinas de gas han dominado el sector de propulsión de buques militares desde hace bastantes años, sin embargo en años más recientes también han incrementado su aplicación en buques civiles, principalmente en grandes cruceros y ferries de alta velocidad.

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Las ventajas e inconvenientes que poseen las turbinas de gas como máquinas para la propulsión de buques, han hecho que sean más adecuadas para ser utilizadas en buques militares respecto a su aplicación en buques civiles.

Las principales ventajas de las turbinas de gas son su elevada potencia en relación a su tamaño y peso. Lo cual las hace muy indicadas para propulsión de buques rápidos y con espacio limitado para albergar máquinas voluminosas y pesadas, lo cual corresponde con buques militares de tamaño mediano, como pueden ser destructores, fragatas, corbetas, etc.

El inconveniente principal de las turbinas de gas ha sido su baja eficiencia energética, es decir elevado consumo de combustible en relación con la potencia producida, además de la imposibilidad de usar combustibles pesados con Heavy Fuel Oil, de bajo precio y que por ello se utilizan con profusión en buques civiles. Estos inconvenientes han impedido que pudiera competir con los motores diésel salvo excepciones muy particulares.

Curvas comparativas de consumo específico de combustible en función de la carga.

También en buques militares el consumo de combustible es importante, aunque no tan determinante como en un buque civil donde se busca la explotación económica del mismo, y que dan razón de ser al propio buque.

En buques militares la solución adoptada con más frecuencia es la de plantas combinadas, básicamente consiste en combinar dos tipos de máquinas, una para velocidades de crucero con consumos de combustible reducidos, y otra para altas velocidades que es necesario disponer de mucha más potencia. Para la velocidad de crucero, lo más frecuente en la actualidad es incorporar motores diésel de cuatro tiempos, aunque anteriormente se utilizaban también turbinas de gas, generalmente de menor potencia. Para la obtención de altas velocidades se recurre a las turbinas de gas de gran potencia, las cuales se pondrían en marcha solo cuando sea necesario. Las plantas combinadas pueden ser: COGAG, CODOG, CODAG, CODLAG....

Las Turbinas de Gas marinas pueden diferenciarse en dos tipos principales; las Turbinas de Gas Industriales (usadas en plantas de generación eléctrica en tierra, en ciclos combinados, etc), y las Turbinas de Gas Aeroderivadas, desarrolladas inicialmente para propulsión aeronáutica y que son posteriormente marinizadas para adaptarlas al uso en los buques, su más elevado desarrollo tecnológico y superiores prestaciones las convierte en las candidatas más adecuadas para su aplicación en buques militares.

Rendimiento Térmico turbinas de gas del tipo industrial y aeroderivadas.

Centrándonos pués en las turbinas de gas aeroderivadas, los fabricantes más populares en la actualidad son General Electric y Rolls Royce, quienes están recibiendo la mayor parte de los encargos a través de los diferentes modelos que tienen en producción:

GENERAL ELECTRIC:

General Electric Company, también conocida como GE, es en la actualidad una empresa pública Estadounidense, fundada originalmente en 1892 por Thomas Edison junto con otras tres personalidades. Actualmente es una multinacional compuesta por un conglomerado de empresas subsidiarias que operan en diferentes industrias.

Entre los modelos de Turbinas de Gas marinas que tiene actualmente en su catálogo están las siguientes:

LM500 - Derived from GE TF34
LM1500 - Derived from GE J79
LM1600 - Derived from GE F404
LM2500 - Derived from GE TF39 and CF6-6
LM5000 - Derived from GE CF6-50
LM6000 - Derived from GE CF6-80C2
LMS100 - Derived from GE LM6000 and Frame Gas Turbine

ROLLS ROYCE PLC:

Rolls Royce PLC es una empresa subsidiaria de Rolls-Royce Holdings plc, empresa pública limitada con sede en el Reino Unido. Tiene su origen en 1904 siendo fundada por Charles Rolls y Henry Royce para la fabricación de automóviles, las divisiónes de automóviles Rolls Royce y Bentley fueron vendidas a BMW y Volkwagen respectivamente. Rolls Royce PLC es en la actualidad una empresa de ingeniería británica especializada en turbinas, particularmente motores de avión, aunque recientemente ha añadido propulsores marinos y sistemas energéticos a su catálogo, proveyendo un amplio rango de servicios y productos industriales, civiles y militares.

Entre los modelos de Turbinas de Gas marinas que tiene actualmente en su catálogo están las siguientes:

A continuación veremos algunos de los modelos de turbinas de gas con más éxito en los últimos años:

GENERAL ELECTRIC LM 2500:

La compañía General Electric, a principios de los años setenta, comenzó a diseñar una turbina naval a partir de dos turbinas de aviación, la TF39 y la TF6. El resultado fue el modelo LM 2500, el cual ha tenido bastante éxito al ser incorporada por gran número de buques militares y civiles de diferentes países.

La turbina de gas LM2500 es del tipo de carrete simple, de eje partido, compuesta por un generador de gas y una turbina de potencia. Sus componentes principales son:

- Compresor de flujo axial con 16 etapas y geometría variable

- Cámara de combustión anular

- Turbina de alta presión de dos etapas de reacción

- Turbina de potencia de seis etapas de acción-reacción

- Caja de accesorios

En la actualidad está disponible en 3 versiones diferentes:

El modelo básico LM2500, el cual entrega 33.600 shp (25.060 kW) con una eficiencia térmica de 37% en condiciones ISO. Cuando se acopla a un generador eléctrico, entrega 24 MW de energía eléctrica a 60 Hz, con una eficiencia térmica de 36% en condiciones ISO.
La versión mejorada LM2500+ (3.ª generación) de la turbina entrega 40.500 shp (30.200 kW) con una eficiencia térmica de 39% en condiciones ISO. Cuando se acopla a un generador eléctrico, entrega 29 MW de energía eléctrica a 60 Hz, con una eficiencia térmica de 38% en condiciones ISO.
La versión más reciente, LM2500+G4 (4.ª generación), se presentó en noviembre de 2005 y entrega 47.370 shp (35.320 kW) con una eficiencia térmica de 39,3% en condiciones ISO.

Algunos de los buques que incorporan estas turbinas son los siguientes:

Buques de la Armada Española: Fragatas F80 y F100 y LHD Juan Carlos I.
Buques de la Armada de los Estados Unidos: Fragatas tipo FFG-7 (Oliver Hazard Perry), destructores de la clase Arleigh Burke, destructores de la clase Kidd, etc.
Buques de la Armada Noruega: Fragatas F310.
Buques de la Armada Alemana: Fragatas F123 clase Brandenburg y Fragatas de la clase Sachsen.
Buques de la Armada Italiana: Fragatas multipropósito FREMM, Fragatas clase Maestrale, Fragatas clase Lupo.
Trasatlántico RMS Queen Mary 2

ROLLS ROYCE MT30

La turbina de gas Rolls-Royce MT30 es una turbina de gas aeroderivada destinada a propulsión naval, está basada en la turbina aeronática Rolls-Royce Trent 800 (la lleva el Boeing 777). La MT30 mantiene un 80% de componentes comunes con la Trent 800. Es capaz de producir una potencia de 40.000 kw, con una potencia mínima eficiente de 25.000 kw.

El modelo MT30 es una turbina de gas de doble carrete, compuesta por compresor de baja de geometría variable, compresor de alta, ambos de flujo axial. A continuación cuenta con la cámara de combustión del tipo anular. Después están las turbinas de alta y baja presión que accionan los compresores de alta y baja respectivamente por medio de sendos ejes coaxiales. Finalmente está la turbina de potencia en eje partido a partir de la cual se obtiene la potencia mecánica producida.

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Algunos de los buques que incorporan estas turbinas son los siguientes:

Queen Elizabeth class aircraft carrier (UK)
Type 26 Frigate (UK)
Zumwalt class destroyer (USA)
Freedom class littoral combat ship (USA)
Daegu class frigate - FFG-II (ROK)
Italian LHD due to enter service 2022

ROLLS ROYCE WR21

La WR-21 es la primera turbina de gas aeroderivada en producción actualmente que incorpora compresor con intercooler y recuperación de calor de los gases de escape, los cuales le permiten un incremento del rendimiento y un más bajo consumo específico de combustible. La turbina produce una potencia de 25.000 kw, con un ahorro de combustible que oscila entre un 25-27% respecto a una turbina de gas de ciclo simple. La turbina de gas WR-21 cuenta con un diseño modular incorporando componentes de las turbinas Rolls-Royce RB211 y Trent. La WR-21 Está diseñada para facilitar el mantenimiento y reducir los costes a lo largo de su vida útil.

La WR-21 fue diseñada con el objetivo de mejorar la eficiencia energética de la turbina de gas de ciclo simple, para ello este diseño incorpora el ciclos ICR, cuya principal característica es la de incorporar intercambiadores de calor entre las fases de compresión y a la salida de la descarga de los gases. La turbina fue diseñada en colaboración entre Westinghouse- y Rolls Royce, para equipar a los buques de las armadas del Reino Unido y Estados Unidos. Gracias a la tecnología ICR se prevé una eficiencia térmica del 43% promedio para potencias medias y altas, y sobre el 40 % a bajas potencias.

Un beneficio adicional de esta nueva tecnología los representa una disminución importante de la huella infrarroja, producto de una considerable disminución de la temperatura de descarga de gases, de 1100 ºF a 650 ºF.