Gasturbines Uitgelegd (Verbrandingsturbine)

Wat is een gasturbine?

Een gasturbine is een type interne verbrandingsmotor die de chemische energie van brandstof omzet in mechanische kracht. Het bestaat uit drie hoofdcomponenten: de compressor, verbrandingskamer en turbine. De toepassingen van gasturbines zijn talrijk vanwege hun efficiëntie, kosten en betrouwbaarheid. Gasturbines worden ook wel verbrandingsturbines genoemd (ze zijn hetzelfde). Een gasturbine die op een vliegtuig is gemonteerd, wordt een straalmotor genoemd.

Gasturbine

Interessant weetje: Gasturbines worden gasturbines genoemd omdat ze werken met hete gassen, niet omdat ze aardgas verbranden! Het is mogelijk dat gasturbines meer dan 30 verschillende soorten brandstof verbranden, maar aardgas is de meest voorkomende.

Basiswerking van een gasturbine

Het basisproces van een gasturbine omvat lucht die wordt aangezogen via een luchtinlaat en door de compressor gaat waar het wordt gecomprimeerd (druk en temperatuur worden verhoogd). De samengeperste lucht gaat vervolgens door de verbrandingskamer waar brandstof wordt geïnjecteerd en ontbrandt met behulp van een ontstekingssysteem. Wanneer warmte vrijkomt tijdens de verbranding, zorgt dit ervoor dat de gassen snel uitzetten, wat resulteert in hete uitlaatgassen met hoge snelheid die de verbrandingskamer verlaten. De hete gassen passeren een turbine, waardoor deze gaat draaien. Deze roterende beweging produceert mechanisch werk dat kan worden verbonden met verschillende assemblages zoals aandrijfassen of schroefassen enz. om gewenste taken uit te voeren. Naast het leveren van nuttige stroomoutput, zijn sommige turbines ook ontworpen voor andere doeleinden, zoals het aandrijven van vliegtuigmotoren.

Zie het volgende gedeelte voor een meer gedetailleerde versie over hoe een verbrandingsturbine werkt.

Als je meer wilt leren over krachtwerktuigbouwkundige onderwerpen, bekijk dan zeker onze Power Engineering Fundamentals Videocursus. Je kunt ook toegang krijgen tot downloadbare technische artikelen (zoals deze) en handboeken door je aan te melden voor onze nieuwsbrief.

Hoe Gasturbines Werken

Een gasturbine is een interne verbrandingsmotor die een continue stroom van gassen gebruikt om mechanische kracht te produceren (gasturbines worden ook wel 'steady flow' verbrandingsmotoren genoemd vanwege de constante stroom van gassen die ze vereisen en produceren). Het werkt door lucht samen te persen, brandstof te verbranden in een verbrandingsruimte (verbrandingskamer), en vervolgens de hete uitlaatgassen van het verbrandingsproces te gebruiken om een turbine te laten draaien die mechanische kracht (kinetische energie) produceert.

De belangrijkste onderdelen van een gasturbine zijn de compressor, verbrandingskamer en turbine. Het is mogelijk om een gasturbine ruwweg te verdelen in een koude sectie (luchtinlaat en compressor) en hete sectie (verbrandingskamer en turbine). Net als andere interne verbrandingsmotoren gebruiken gasturbines het compressie, ontsteking, kracht, uitlaat proces; dit proces wordt ook wel aanzuigen, samenpersen, ontploffen, uitblazen genoemd!

Gasturbine Onderdelen

Interessant weetje: Interne verbrandingsmotoren worden ook wel IC-motoren genoemd.

Compressie

Lucht wordt in de turbine gezogen met behulp van een meertraps axiale ventilator; dit type ventilator gebruikt meerdere ventilatorbladen die in rijen zijn geïnstalleerd en in serie zijn gerangschikt. Elke rij ventilatorbladen wordt een druktrap genoemd omdat de druk van de lucht toeneemt naarmate deze over elke rij passeert. Het gedeelte van de gasturbine dat de meertraps ventilator huisvest, wordt de compressor genoemd, omdat de luchtdruk toeneemt naarmate deze door elke druktrap gaat. Aeroderivatieve gasturbines kunnen drukverhoudingen tot 30:1 hebben, terwijl zware frame gasturbines drukverhoudingen tot 18:1 hebben. Het is mogelijk om te regelen hoeveel brandstof er tijdens de verbranding wordt verbrand door de luchtdruk te regelen die wordt geleverd en daardoor hoeveel zuurstof beschikbaar is voor verbranding.

Vanwege de grote hoeveelheid vermogen die nodig is om de compressor aan te drijven, hebben gasturbines een typische efficiëntie van tussen de 30-35% (maximaal ongeveer 40%), hoewel dit kan worden verhoogd tot 60% als de restwarmte wordt teruggewonnen (gecombineerde cyclus krachtcentrales zijn hier een goed voorbeeld van).

Gasturbine Efficiëntie Gebaseerd op Parallelle of Seriële Werking

Ontsteking

Samengeperste lucht van de compressor komt de verbrandingskamer (verbrandingskamers) binnen waar brandstof wordt geïnjecteerd en ermee wordt gemengd.  De brandstof wordt ontstoken door een ontsteker, die qua ontwerp vergelijkbaar is met een bougie. Eenmaal ontstoken, verbrandt het lucht/brandstofmengsel en is er een grote temperatuurstijging. De afvoertemperaturen uit het verbrandingsgebied variëren afhankelijk van het ontwerp, maar temperaturen tot 1.600°C (2.900°F) zijn bereikt.

Interessant weetje: Een verbrandingskamer wordt ook wel een brander, verbrandingskamer of vlamhouder genoemd.

Kracht (Uitbreiding)

De hete gassen van de verbranding worden afgevoerd door een stationaire nozzle guide vane (NGV) en vervolgens over rijen turbinebladen geïnstalleerd in serie. Net als bij de compressoren, wordt elke rij turbinebladen een ‘trap’ genoemd. Individuele druktrappen worden soms gegroepeerd in een lage-druk trap en hoge-druk trap, afhankelijk van hoeveel individuele trappen aanwezig zijn.

Een kracht wordt uitgeoefend op elk turbineblad terwijl de hete gassen door de turbine stromen, deze gecombineerde krachten produceren koppel dat inwerkt op een centrale as waardoor deze gaat draaien. Rotatiesnelheden van assen variëren, maar sommige turbines kunnen rotatiesnelheden bereiken van meer dan 20.000 tpm.

Interessant weetje: Terwijl de hete gassen door de turbine stromen, neemt hun druk en temperatuur af; dit deel van de turbine wordt het uitbreidingsgedeelte genoemd vanwege deze drukafname.

Uitlaat

Hete uitlaatgassen worden direct naar de atmosfeer afgevoerd of naar een ander proces zodat de warmte kan worden teruggewonnen. Bijvoorbeeld, een warmteterugwinning stoomgenerator (HRSG) kan direct na een verbrandingsturbine worden geïnstalleerd om warmte terug te winnen uit de uitlaatgassen, deze warmte kan dan worden gebruikt om stoom te genereren. De hoeveelheid beschikbare warmte is aanzienlijk, aangezien de afgevoerde uitlaatgastemperaturen van een typische gasturbine tot 550°C (1.002°F) kunnen zijn.

Warmteterugwinning Stoomgenerator (HRSG)

Gasturbine Ontwerpen

Gasturbines kunnen worden ontworpen voor een specifiek doel, zoals het genereren van stuwkracht (vliegtuigmotoren), of mechanische kracht voor het aandrijven van machines zoals pompen of generatoren (elektrische energieopwekking). Aeroderivatieve gasturbines worden gebruikt door vliegtuigen vanwege hun hoge stuwkrachtoutput, terwijl zware frame gasturbines worden gebruikt binnen de elektrische energieopwekkingsindustrie.

Gasturbine Gebruikt Voor Energieopwekking

Het is belangrijk bij het construeren en bedienen van gasturbines dat alle componenten zijn ontworpen voor duurzaamheid; bijvoorbeeld, verbrandingskamers moeten extreme temperaturen kunnen weerstaan zonder schade en bladen moeten gemaakt zijn van hittebestendig materiaal zoals titanium zodat ze niet oververhit raken tijdens de werking.

Gerelateerde Online Technische Cursussen

Hoe Gasturbines Werken (Verbrandingsturbines)

Basisprincipes van Interne Verbrandingsmotoren

Dieselmotor Grondbeginselen (Deel 1)

Dieselmotor Grondbeginselen (Deel 2)

Aanvullende Bronnen

https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine

https://www.ge.com/gas-power/resources/education/what-is-a-gas-turbine

https://www.siemens-energy.com/global/en/offerings/power-generation/gas-turbines.html