Yo también estaba confundido durante mi clase de turbina de gas de motor a reacción, cuando pregunté: “¿Cuál es el tipo de turbina aquí clasificada como: impulso o reacción?”
La respuesta del fabricante fue: “Encarna los principios de impulso y reacción”.
A partir de entonces, me di por vencido y decidí concentrarme en lo que realmente sucede dentro de la sección de la turbina de una turbina de gas, en una especie de modo “Turbinas sin fórmulas”.
Y, por cierto, si vienes de turbinas de agua, esto también se aplica a ti; A las velocidades de un motor de turbina de gas de un avión, el gas se comporta esencialmente como el agua: sin efectos de compresibilidad .
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Entonces, aquí va. (También adjuntaré un par de diagramas: ¡probablemente los diagramas más intuitivos que hayas visto nunca. No es sexy ni multicolor, pero borra tus fundas tan bien como Vicks Vaporub te da un alivio frío !!!! , ¡es una broma!)
A medida que el aire pasa a través de un motor de turbina de gas, los requisitos aerodinámicos y energéticos exigen cambios en la velocidad y la presión del aire.
Antes de continuar la discusión, se debe hacer una explicación de los conductos convergentes, los conductos divergentes y el comportamiento del aire dentro de estos conductos. También se necesita una comprensión de la diferencia entre presión estática (Ps), presión de impacto, (Pi) y presión total (Pt).
La diferencia entre presiones estáticas, de impacto y totales es la siguiente. La presión estática es la fuerza por unidad de área ejercida en las paredes de un recipiente por un fluido estacionario. Un ejemplo es la presión de aire dentro de un neumático de automóvil. La presión de impacto , por otro lado, es la fuerza por unidad de área ejercida por los fluidos en movimiento. La presión de impacto es una función de la velocidad del fluido. Un ejemplo de presión de impacto es la presión ejercida sobre la mano que se sostiene fuera de la ventana de un automóvil en movimiento. La presión total es la suma de las presiones estáticas y de impacto.
La siguiente figura ilustra los métodos utilizados para medir las presiones. La parte (a) ilustra la medición de la presión estática . La presión estática no tendrá en cuenta la velocidad del aire . La parte (b) ilustra la medición de la presión total, que representa tanto la presión estática como la presión debida al fluido en movimiento (presión de impacto). Para obtener presión de impacto, el valor de la presión estática se resta del valor de la presión total.
▲ Técnicas de medición de presión.
La siguiente figura a continuación muestra el principio de los conductos divergentes, donde no se agrega ni quita energía, pero donde la energía gaseosa se convierte de velocidad a presión y temperatura. Hay una disminución de la velocidad a medida que el aire fluye desde una entrada pequeña a una salida más grande. A medida que disminuye la velocidad, la presión de impacto (Pi) también disminuye. Como no se agrega o resta energía del sistema, la presión total (Pt) del aire permanece constante y la presión estática (Ps) aumenta. Una forma de ver esto es que la presión de impacto se convierte en presión estática; así, se ve un aumento de presión estática cuando el aire fluye a través de un conducto divergente y se comprime. También se nota un aumento de temperatura ya que la compresión es un proceso de calentamiento.
▲ Un conducto divergente
El conducto convergente opera exactamente en reversa del conducto divergente. La siguiente figura a continuación muestra el principio de los conductos convergentes, donde no se agrega ni quita energía, pero donde la energía gaseosa se convierte de presión y temperatura a velocidad. Hay un aumento de velocidad a medida que el aire fluye desde una entrada grande a una salida más pequeña. A medida que aumenta la velocidad, la presión de impacto también aumenta. Como no se agrega o resta energía del sistema, la presión total permanece constante y la presión estática disminuye. Una forma de ver esto es que la presión estática se convierte en presión de impacto; así, se ve una disminución de la presión estática a medida que el aire fluye a través de un conducto convergente y se expande. Una caída de temperatura está asociada con cualquier proceso de expansión.
▲ Un conducto convergente
NOTA 1: Aunque las presiones estáticas y de impacto están cambiando a medida que los fluidos fluyen a través de conductos convergentes o divergentes, la presión total no cambia . Esto es cierto si se descuida la fricción del fluido y no se agrega o quita energía del flujo del fluido. En la actualidad, habrá una ligera disminución en la presión total debido a las pérdidas por fricción del fluido.
NOTA 2: Las boquillas convergentes y divergentes actúan exactamente lo contrario en el flujo supersónico, pero dejemos eso por el momento.
La turbina convierte la energía gaseosa de la mezcla de aire / combustible quemado fuera de la cámara de combustión en energía mecánica para impulsar el compresor, los accesorios accionados y, en un turbopropulsor, a través de un engranaje reductor, la hélice.
La turbina convierte la energía gaseosa en energía mecánica al expandir los gases calientes de alta presión a una temperatura y presión más bajas.
Cada etapa de la turbina consiste en una fila de paletas estacionarias (perfiles fijos) seguidas de una fila de palas giratorias. En la turbina, las paletas del estator aumentan la velocidad del gas, y luego las palas del rotor extraen energía.
(He eliminado una referencia al compresor aquí, ya que las turbinas de vapor y las turbinas de agua no tienen compresor).
Las paletas y las palas son perfiles que proporcionan un flujo suave de los gases. A medida que la corriente de aire entra en la sección de la turbina desde la sección de combustión, se acelera a través de los álabes del estator de la primera etapa. Las paletas del estator (también llamadas boquillas) forman conductos convergentes que convierten el calor gaseoso y la energía de presión en un flujo de gas de mayor velocidad (mire “V” en el gráfico). Además de acelerar el gas, las paletas “giran” el flujo para dirigirlo hacia las palas del rotor en el ángulo óptimo.
A medida que la masa del gas de alta velocidad fluye a través de las palas de la turbina, la energía gaseosa se convierte en energía mecánica. La velocidad, la temperatura y la presión del gas se sacrifican para hacer girar la turbina y generar energía del eje. La siguiente figura representa una etapa de la turbina y las características de los gases a medida que fluye a través de la etapa.
▲ Una etapa de la turbina: paletas del estator seguidas de las palas del rotor.
La eficiencia de la turbina está determinada por qué tan bien extrae la energía mecánica de los gases calientes de alta velocidad. Dado que el aire fluye desde una zona de alta presión a una zona de baja presión, esta tarea se realiza con bastante facilidad. El uso de perfiles aerodinámicos posicionados correctamente permite un flujo suave y la expansión de gases a través de los álabes y paletas de la turbina.
Por supuesto, estamos hablando de diferentes velocidades cuando se trata de turbinas de agua y turbinas de gas; uno es un Ferrari y el otro es, bueno, un camión Tata.