El Brayton Ready Engine, la primera ‘turbina de gas’

A día de hoy, cuando se hace referencia a un ciclo Brayton, es común pensar directamente en una turbina de gas. Un ciclo Brayton es un ciclo termodinámico con tres elementos: un elemento de compresión, una cámara de combustión o aporte térmico y un elemento de expansión. Termodinámicamente el ciclo ideal de Brayton consta de:

  1. Una compresión isentrópica

  2. Una combustión isobaraB1

  3. Una expansión isentrópica

  4. Una expulsión de calor isobara

No obstante, el origen del ciclo Brayton dista mucho de las modernas turbinas de gas que pueden encontrarse fundamentalmente en centrales eléctricas, barcos, aviones o helicópteros. El motor de ciclo Brayton diseñado por George Bailey Brayton no tenía ni compresor ni turbina axiales con álabes, sino que era un motor que funcionaba con pistones, asemejándose exteriormente a motores de explosión como los que posteriormente desarrollarían Otto o Diesel.

El motor aparece en 1872, siendo un dos tiempos con un cilindro donde pueden diferenciarse dos cámaras: una cámara de compresión donde se aumenta la presión de una mezcla aire-combustible y una cámara de expansión donde se produce el quemado de la mezcla, expandiendo y aportando trabajo al exterior. De la misma manera que en una turbina de gas compresor y turbina están en el mismo eje, en el motor de Brayton esto es así, con la salvedad de que el eje se desplaza longitudinalmente en vez de rotar. Fue el primer motor de combustión interna en emplearse en la industria americana e inicialmente quemaban gas, pasando postB2eriormente a queroseno u otros aceites ligeros. El modelo de 1878 tenía una altura de 1.5 metros y desarrollaba 4 caballos de vapor de potencia (unos 3 kW) a 180 rpm, y modelos posteriores llegaron a los 40 hp empleando dos cilindros.

El nombre del motor ‘Ready Engine’ proviene de su capacidad para ponerse en funcionamiento de inmediato, a diferencia de las máquinas de vapor que requieren antes encender una caldera y esperar a disponer de presión suficiente. Además, al no tener caldera suponía una mejora en seguridad y coste: sólo ingenieros autorizados -que cobraban más- podía instalar calderas, mientras que los Brayton eran más sencillos de instalar. No obstante, estos motores tenían problemas si la calidad del combustible no era buena, atascándose, y el trabajo empleado en el cilindro de compresión suponía gran parte de la potencia generada, resultando en una eficiencia de apenas un 7%.

Logró ser competitivo con máquinas de vapor, pero la entrada de los motores Otto de cuatro tiempos en 1877, más eficientes, hicieron que el Brayton dejase de ser perder su atractivo.

Funcionamiento

Empleando la nomenclatura de la primera figura de la página anterior, denominaremos pistón de trabajo a la cabeza del pistón P y pistón de compresión a la cabeza del pistón PI. Este pistón se encarga de absorber una mezcla de aire y gas en proporción 12:1 (introducidos por A y G, respectivamente) e introducirla comprimida en el depósito R, donde se almacena a una presión constante de unas 60 libras (Unos 4.1 bares). Desde este depósito el gas pasa a la cámara de combustión C a través de la válvula V, abierta por acción de la leva K cuando el cilindro P asciende. Es importante notar que esta leva abre la válvula de admisión de la cámara de combustión mientras el cilindro asciende, funcionando por fricción y no por contacto con P.

En la parte inferior de C hay una serie de hilos metálicos cubriendo la apertura de entrada del gas a C. El gas atraviesa estos hilos para entrar en la cámara de combustión en S. El propósito de esto es mantener una llama ardiendo constantemente en la parte superior de los hilos, dentro de la cámara de combustión, sin que se propague hacia el depósito.

Al arder el gas, se produce la elevación del pistón P debido a la expansión de los gases – y no debido a una explosión. El volante de inercia ejerce entonces una fuerza que impulsa el pistón hacia abajo. Al hacerlo, otra leva (no mostrada en la figura) abre la válvula de escape para vaciar la cámara de combustión.

Si bien no se muestra en el esquema, la cámara de combustión estaba refrigerada por agua.

Aplicaciones B3

Además de aplicarse en la industria, el motor de Brayton se empleó en uno de los primeros submarinos de la historia moderna, el Fenian Ram, diseñado por John Holland en 1879. Éste empleaba un motor de Brayton de dos cilindros y 17 hp, logrando una velocidad máxima en superficie de nueve nudos y una profundida de navegación de unos 15 metros.

Bibliografía

Brayton, George B. (1872) Improvement in gas-engines. Patente US125166A. Consultada desde http://www.google.com/patents/US125166

Bryan, Ford R. Henry’s Attic: Some Fascinating Gifts to Henry Ford and His Museum (1995) (p.206-207)

Johnson, A. Universal Cyclopaedia (1886) consultada desde

http://www.todayinsci.com/B/Brayton_George/BraytonGeorgeEngine2.htm

The Automobile (1916) Brayton Petroleum Engine Co. Two-Cycle Gas Engine consultado desde http://vintagemachinery.org/mfgindex/imagedetail.aspx?id=6715

Early Years in America – The Fenian Ram (2003) consultado desde

http://www.navy.mil/navydata/cno/n87/usw/issue_19/holland2.htm

Advertisements
This entry was posted in Blog. Bookmark the permalink.

1 Response to El Brayton Ready Engine, la primera ‘turbina de gas’

  1. Pingback: Top 10 de posts en el Blog de Artir, edición 2014 | El blog de Artir

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s