Principios Basicos da Turbina a Gas

Principios Basicos da Turbina a Gas

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SEÇÃO 2

Princípios Básicos de Turbinas a Gás 2-1

CONJUNTO GERADOR LM6000 CURSO BÁSICO DO OPERADOR CARGA

Os desenhos dos balões acima ilustram os princípios básicos pelos quais os motores de turbina a gás operam. O air comprimido dentro de um balão, como em (A) acima, exerce força dentro dos limites do balão. O ar, que pesa e ocupa espaço, tem por definição massa. A massa de ar é proporcional à sua densidade e a densidade é proporcional à temperatura e pressão.

As moléculas de ar são afastadas para mais longe conforme a temperatura e a pressão aumentam e ficam mais próximoas à medida que a temperatura e a pressão diminuem, conforme declarado na lei de Boyle e Charles (PV/T = K).

A massa de ar confinada dentro do balão acelera a partir do balão, criando uma força quando é liberada como em (B) acima. Esta força aumenta conforme a massa e a aceleração aumentam, conforme declarado na segunda lei de Newon (F = MA). A força criada pela aceleração da massa de ar dentro do balão resulta em uma força igual e oposta que faz com que o balão seja impulsionado na direção oposta, conforme a terceira lei de Newton. (Toda ação produz uma reação igual e oposta).

A reposição do ar dentro do balão, como em (C) acima, sustenta a força e, embora não prático, permite que uma carga seja acionada pela força da massa de ar acelerando e acionando uma turbina, como em (D) acima.

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Em (E) acima, está ilustrado um meio mais prático de sustentar a força de uma massa de ar acelerando utilizada para acionar uma carga. Um alojamento contém um volume de ar fixo, que é comprimido por um compressor acionado por motor. A aceleração do ar comprimido do alojamento aciona uma turbina conectada à carga.

Em (F) acima, o combustível é injetado entre o compressor e a turbina para acelerar ainda mais a massa de ar, multiplicando então a força usada para acionar a carga.

Em (G) acima, o motor é removido e o compressor é acionado por uma porção do gás de combustão, tornando o motor auto-suficiente enquanto houver combustível suprido.

Em (H) acima, está representada uma operação típica de turbina a gás. O ar de admissão é comprimido, misturado com combustível e incendido. O gás quente é expandido por uma turbina para fornecer energia mecânica e escapado para a atmosfera.

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Cinco processos ocorrem com os motores de turbina a gás, conforme ilustrado acima. Esses processos, primeiro descritos por George Brayton e chamados de ciclo Brayton, ocorrem em todos os motores de combustão interna. Os passos Brayton são os seguintes:

¾ A compressão ocorre entre a admissão e saída do compressor (Linha A-B). Durante este processo, a pressão e temperatura do ar aumentam.

¾ A combustão ocorre na câmara e combustão onde o combustível e o ar são misturados para proporções explosivas e incendidos. A adição de calor provoca um grande aumento de volume (Linha B-C).

¾ A expansão ocorre à medida que o gás quente é acelerado a partir da câmara de combustão. Os gases a pressão constante e aumento de volume entram na turbina e se expandem por ela. O tamanho das passagems também aumenta, o que permite um maior aumento de volume e grande redução de pressão e temperatura (Linha C-D).

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ESTAÇÕES PARA O LM6000

¾ O escape ocorre na chaminé de escape do motor com grande queda de volume e a pressão constante (Linha D-A).

O número de estágios de compressão e o arranjo de turbinas que convertem a energia do gás quente acelerado em energia mecânica são variáveis de projeto. No entanto, a operação básica de todas as turbinas a gás é a mesma.

Os compressores em motores de turbinas a gás usan condutos convergentes e divergentes para gerar as alta pressões necessária para (a) oferecer uma “pressão de parede,” evitando que a expansão do gás quemte saia pela admissão do motor, assim como pelo escape; e (b) forneça a devida proporção de ar-para-combustível para uma combustão e resfriamento eficientes da câmara de combustão.

A pressão diminui pelos condutos convergentes e aumenta pelos condutos divergentes, um fenômeno que é demonstrado em equipamentos de borrifamento de tinta. O ar comprimento, forçado por um conduto convergente, gera uma pressão mais baixa através de uma seção estreita para puxar a tinta. A expansão através de uma seção divergente então aumenta a pressão e volume de ar, dispersando a tinta em forma de névoa atomizada.

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A ilustração acima mostra um compressor de fluxo axial. Ele comprime um grande volume de ar de baixa pressão a baixa velocidade em um pequeno volume de ar de alta velocidade a alta pressão.

Uma aparente contradição na operação do compressor de fluxo axial é que a alta pressão é gerada embora a forma divergente geral aparentaria causar uma pressão de saída mais baixa. A pressão de saída é aumentada pela divergência em cada seção estática interestágio. As palhetas rotativas do compressor entre cada estágio estático aumentam a velocidade do ar sendo comprimido.

As aletas fixas de admissão dirigem, ou alinham, o fluxo de ar para a primeira seção de palheta rotativa onde a velocidade aumenta pela adição de energia. A seção seguinte de aleta do estator é divergente, fornecendo um aumento em pressão estática e uma redução na velocidade do ar. O fluxo de ar então penetra no segundo estágio a uma velocidade e pressão iniciais mais elevadas do que na entrada para o estágio anterior. Cada estágio subseqüente fornece um aumento incremental de velocidade e pressão estática até que o nível de pressão e velocidade desejado seja alcançado.

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Algumas aletas do estator do compressor são projetadas para mover mudando a sua divergência, permitindo que a regulagem da pressão de saída e velocidade do compressor atinja a devida proporção de ar para combustão de combustível e resfriamento versus a velocidade do motor e rendimento de força.

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Os padrões de estabilização de chamas e fluxo geral são ilustrados acima para uma câmara de combustão típica “tipo lata.” Embora os motores modernos usem uma câmara de combustão anular contínua, o tipo lata simplifica a ilustração das técnicas de resfriamento e combustão usadas em todas as câmaras de combustão.

A temperatura da chama ilustrada no centro do combustor é de aproximadamente 3200° F na sua ponta quando o motor está operando com carga total. Os metais usados na construção da câmara de combustão não são capazes de suportar temperaturas nesta faixa. Portanto, o design apresenta passagens de fluxo de ar entre as paredes internas e externas da câmara para resfriamento e moldar a chama.

O ar fluindo para dentro da câmara interna é direcinado através de pequenos orifícios para moldar a chama, centralizando-a dentro da câmara para evitar contato com as paredes da câmara. Aproximadamente 82% do fluxo de ar para dentro das câmaras de combustão é usado para refriamento e para moldar a chama. Apenas 18% é usado para combustão de combustível.

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A regulagem de fluxo de combustível determina a velocidade do motor. O controle da aleta do estator no compressor controla a pressão e velocidade para dentro da câmara de combustão como função da velocidade do compressor.

ESTÁGIO 2 PALHETAS ROTATIVAS

ESTÁGIO 2

ESTÁGIO 1PALHETAS ROTATIVAS

ESTÁGIO 1ROTAÇÃO

As turbinas que acionam os compressores LM6000 são do tipo “reação de impulso” projetadas para máxima eficiência na conversão de fluxo de gás quente para energia mecânica rotacional. Um bocal fixo de primeiro estágio direciona o fluxo para dentro das palhetas rotativas do primeiro estágio. O impulso da expansão de gás quente na superfície inferior de cada palheta rotativa propulsiona moção no sentido ascendente.

O fluxo de gás quente acima da palheta seguinte cria uma pressão mais baixa acima da palheta como se fosse acima da asa de um avião, provocando força rotacional adicional. Os estágios subseqüentes operam de maneira idêntica, multiplicando a força rotacional. As turbinas que acionam os compressores ou outras cargas consistem de vários estágios, dependendo da carga acionada e outras considerações de design.

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