Several pressure, volume, and velocity changes occur within a GTE during
operation. The convergent-divergent process is an application of Bernoulli’s
principle. (If a fluid flowing through a tube reaches a constriction or
narrowing of the tube, the velocity of the fluid flowing through the constriction
increases and the pressure decreases.
The opposite is true when the fluid leaves the constriction; velocity
decreases and pressure increases.) Boyle’s law and Charles’s law also come into
play during this process.
Air is drawn into the front of the compressor. The rotor is so
constructed that the area decreases toward the rear. This tapered construction
gives a convergent area (area A).
Between each rotating stage is a stationary stage or stator. The stator
partially converts high velocity to pressure and directs the air to the next set
of rotating blades. Because of its high rotational speed and the aerodynamic
shape of its blades, the rotor increases the velocity of the air. Each pair of
rotor and stator blades constitutes a pressure stage.
Both a pressure increase and a reduction in volume occur at each stage
(Boyle).
This process continues at each stage until the air charge enters the
diffuser (area B). There is a short area in the diffuser where no further changes
take place. As the air charge approaches the end of the diffuser, you will
notice that the opening flares (diverges) outward.
At this point, the air loses velocity and increases in volume and pressure.
The velocity energy has become pressure energy, while pressure through the
diffuser has remained constant. The reverse of Bernoulli’s principle and Boyle’s
law has taken place. The compressor continuously forcing more air through this
section at a constant rate maintains constant pressure. Once the air is in the
combustor, combustion takes place at constant pressure. After combustion there
is a large increase in the volume of the air and combustion gases (Charles’s
law).
The combustion gases go rearward to area C. This occurs partially by
velocity imparted by the compressor and partially because area C is a lower pressure
area. The end of area C is the turbine nozzle section. Here you will find a
decrease in pressure and an increase in velocity. The high velocity, high-temperature,
low-pressure (LP) gases are directed through the inlet nozzle to the first
stage of the turbine rotor (area D). The high velocity, high-temperature gases
cause the rotor to rotate by transferring velocity energy and thermal energy to
the turbine blades. Area D is a divergent area. Between each rotating turbine stage
is a static stage or nozzle. The nozzles perform the same function as the
stators in the compressor.
The combustion gases go rearward to area C. This occurs partially by
velocity imparted by the compressor and partially because area C is a lower pressure
area. The end of area C is the turbine nozzle section. Here you will find a
decrease in pressure and an increase in velocity. The high velocity, high-temperature,
low-pressure (LP) gases are directed through the inlet nozzle to the first
stage of the turbine rotor (area D). The high velocity, high-temperature gases
cause the rotor to rotate by transferring velocity energy and thermal energy to
the turbine blades. Area D is a divergent area. Between each rotating turbine stage
is a static stage or nozzle. The nozzles perform the same function as the
stators in the compressor.
A turbine nozzle is a stator ring with a series of vanes. The vanes
direct the combustion gases uniformly and at the proper angle to the turbine blades.
The passages between the vanes are designed as diverging nozzles. Each
succeeding stage imparts velocity to the gases as they pass through the nozzle.
Each nozzle converts heat and pressure energy into velocity energy by controlling
the expansion of the gas. Each stage of the turbine is larger than the preceding
one. The drop in pressure is quite rapid; consequently, each stage must be
larger to use the energy of a lower pressure, lower temperature, and larger
volume of gas.
Ocurren muchos cambios durante la operación de una turbina de
gas. Los procesos convergente-divergente son una aplicación del principio de
Bernoulli (si un fluido fluye a través de una tubería y alcanza una restricción
o reducción de dicho tubo, la velocidad del fluido a través de dicha reducción,
se incrementará y la presión disminuirá.
Cuando este
fluido sale de una reducción el caso es exactamente el contrario, disminuyendo
la velocidad y aumentando la presión. Durante este proceso también aparece la
Ley de Boyle y Mariotte y la ley de Charles.
El aire es atraído
hacia el compresor. El rotor está construido para que el área disminuya según
avanza hacia adentro de la turbina. Este diseño, que se va
estrechando, nos da el área convergente (área A).
Entre cada etapa
de compresión en el compresor está el estator o etapa estacionaria. El estator
convierte parcialmente la alta velocidad en presión y dirige el aire al
siguiente juego de álabes.
Debido a la
alta velocidad rotacional y a la forma aerodinámica de los álabes, el rotor
aumenta la velocidad del aire. Cada par formado por rotor y estator constituye
una etapa de compresión.
Ambos,
incremento de presión y reducción de
volumen, ocurren en cada etapa (Ley de Boyle-Mariotte).
El proceso
continúa en cada etapa hasta que el aire entra en el difusor (área B). Existe
una pequeña área en la que no existen más
cambios. A medida que la carga de aire se acerca el final del difusor, se
produce la entrada del fuel y la combustión (divergente) y su salida hacia el
exterior.
En este
punto el aire pierde velocidad e incrementa su volumen y su presión. La energía
de la velocidad se convierte en la energía de la presión, mientras que la
presión a través del difusor permanece constante.
Es ahora
donde se revierte el principio de Bernoulli y la ley de Boyle-Mariotte.
El compresor
continúa forzando mas aire en la entrada hacia esta área a un ritmo constante
manteniendo constante la presión. Una vez que le aire entra en la cámara de
combustión se produce esta a presión constante. Terminada la combustión, se
produce un gran aumento de volumen del aire en dicha cámara (Ley de Charles).
La combustión de los gases ocurre en el área C. Esto ocurre
en parte debido a la velocidad y en parte a que el área C es un área de baja
presión. El final del área C es la de toberas de la turbina. Aquí encontraremos
una reducción de la presión y un incremento de la velocidad.
La alta velocidad, la alta temperatura y la baja presión
(LP) del aire son dirigidas hacia la primera etapa de la turbina (área D). La
alta velocidad u la temperatura de los gases producen que el rotor transfiriendo
la energía de la velocidad y la temperatura
a los álabes de la turbina. El área D es divergente. Entre cada etapa
del rotor están las etapas estática que cumplen la misma función que el estator
del compresor.
Las etapas estáticas es un
anillo estator con una serie de paletas o álabes. Estas dirigen la combustión
de los gases en el ángulo necesario hacia los álabes de la turbina. Los
pasos a través de las paletas del anillo estator son designadas como paletas
divergentes. Cada etapa de compresión imprime velocidad a los gases cuando
pasan por ellas. Cada etapa convierte la energía de la velocidad y la temperatura en presión contr5olando la
expansión del gas. Cada etapa de la turbina es más larga que la anterior. La caída
de presión es muy rápida, y por consiguiente cada etapa debe ser más larga para
usar la energía de la baja presión.
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