Turbiny Gazowe Wyjaśnione (Turbina Spalinowa)

Czym jest turbina gazowa?

Turbina gazowa to rodzaj silnika spalinowego, który przekształca energię chemiczną paliwa w moc mechaniczną. Składa się z trzech głównych komponentów: sprężarki, komory spalania i turbiny. Zastosowania turbin gazowych są liczne ze względu na ich wydajność, koszt i niezawodność. Turbiny gazowe są również nazywane turbinami spalinowymi. Turbina gazowa zamontowana na samolocie jest nazywana silnikiem odrzutowym.

Turbina Gazowa

Ciekawostka: Turbiny gazowe nazywane są tak, ponieważ działają przy użyciu gorących gazów, a nie dlatego, że spalają gaz ziemny! Możliwe jest, aby turbiny gazowe spalały ponad 30 różnych rodzajów paliwa, ale gaz ziemny jest najczęściej używany.

Podstawowa zasada działania turbiny gazowej

Podstawowy proces działania turbiny gazowej polega na zasysaniu powietrza przez wlot powietrza i przechodzeniu przez sprężarkę, gdzie jest ono sprężane (zwiększane ciśnienie i temperatura). Sprężone powietrze przechodzi następnie przez komorę spalania, gdzie wtryskiwane jest paliwo i zapala się przy pomocy systemu zapłonowego. W miarę uwalniania ciepła podczas spalania, gazy rozszerzają się gwałtownie, co skutkuje wysoką prędkością gorących gazów wylotowych opuszczających komorę spalania. Gorące gazy przechodzą przez turbinę, co powoduje jej obrót. Ta rotacyjna akcja wytwarza pracę mechaniczną, która może być połączona z różnymi zespołami, takimi jak wały napędowe lub wały śrubowe itp., aby wykonywać pożądane zadania. Oprócz dostarczania użytecznej mocy wyjściowej, niektóre turbiny są również zaprojektowane do innych celów, takich jak napędzanie silników lotniczych.

Zobacz następną sekcję, aby uzyskać bardziej szczegółową wersję dotyczącą jak działa turbina spalinowa.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tematach związanych z energetyką, koniecznie sprawdź nasz Kurs Wideo Podstawy Energetyki Video Course. Możesz również uzyskać dostęp do pobieralnych artykułów inżynierskich (jak ten) i podręczników dołączając do naszego newslettera.

Jak działają turbiny gazowe

Turbina gazowa to silnik spalinowy, który wykorzystuje ciągły strumień gazów do produkcji mocy mechanicznej (turbiny gazowe są również znane jako 'silniki spalania ciągłego' ze względu na stały przepływ gazów, który wymagają i produkują). Działa poprzez sprężanie powietrza, spalanie paliwa wewnątrz przestrzeni spalania (komory spalania), a następnie wykorzystanie gorących gazów wylotowych z procesu spalania do obracania turbiny, co wytwarza moc mechaniczną (energię kinetyczną).

Główne części turbiny gazowej to sprężarka, komora spalania i turbina. Możliwe jest podzielenie turbiny gazowej na sekcję zimną (wlot powietrza i sprężarka) oraz sekcję gorącą (komora spalania i turbina). Podobnie jak inne silniki spalinowe, turbiny gazowe wykorzystują proces sprężania, zapłonu, mocy, wydechu; ten proces jest również nazywany ssaniem, ściskaniem, wybuchem, wydmuchiwaniem!

Części Turbiny Gazowej

Ciekawostka: Silniki spalinowe są również nazywane silnikami IC.

Sprężanie

Powietrze jest zasysane do turbiny za pomocą wielostopniowego wentylatora osiowego; ten typ wentylatora wykorzystuje wiele łopatek wentylatora zainstalowanych w rzędach i ułożonych w szereg. Każdy rząd łopatek wentylatora nazywany jest stopniem ciśnienia, ponieważ ciśnienie powietrza wzrasta, gdy przechodzi przez każdy rząd. Sekcja turbiny gazowej, w której znajduje się wielostopniowy wentylator, nazywana jest sprężarką, ponieważ ciśnienie powietrza wzrasta, gdy przechodzi przez każdy stopień ciśnienia. Turbiny gazowe aeroderivatywne mogą mieć stosunki ciśnień do 30:1, podczas gdy ciężkie turbiny ramowe mają stosunki ciśnień do 18:1. Możliwe jest kontrolowanie, ile paliwa zostanie spalone podczas spalania, regulując dostarczane ciśnienie powietrza, a co za tym idzie, ile tlenu jest dostępne do spalania.

Ze względu na dużą ilość mocy potrzebnej do napędzania sprężarki, turbiny gazowe mają typową wydajność w zakresie 30-35% (maks. ok. 40%), chociaż może to być zwiększone do 60%, jeśli ciepło odpadowe zostanie odzyskane (elektrownie w cyklu łączonym są dobrym przykładem tego).

Wydajność Turbiny Gazowej na Podstawie Równoległej lub Szeregowej Pracy

Zapłon

Sprężone powietrze z sprężarki wchodzi do komory spalania (komór spalania), gdzie wtryskiwane jest paliwo i mieszane z nim. Paliwo jest zapalane przez zapłonnik, który jest podobny w konstrukcji do świecy zapłonowej. Po zapłonie, mieszanka powietrze/paliwo spala się i następuje duży wzrost temperatury. Temperatury wylotowe z obszaru spalania różnią się w zależności od konstrukcji, ale osiągnięto temperatury do 1,600°C (2,900°F).

Ciekawostka: Komora spalania jest również nazywana palnikiem, komorą spalania lub uchwytem płomienia.

Moc (Rozprężanie)

Gorące gazy ze spalania są wyładowywane przez stacjonarną łopatkę prowadzącą dyszy (NGV), a następnie przez rzędy łopatek turbiny zainstalowanych w szeregu. Podobnie jak w przypadku łopatek sprężarki, każdy rząd łopatek turbiny nazywany jest 'stopniem'. Indywidualne stopnie ciśnienia są czasami grupowane w stopień niskiego ciśnienia i stopień wysokiego ciśnienia, w zależności od liczby obecnych stopni.

Siła jest przekazywana na każdą łopatkę turbiny, gdy gorące gazy przechodzą przez turbinę, te połączone siły wytwarzają moment obrotowy, który działa na wał centralny, powodując jego obrót. Prędkości obrotowe wału różnią się, ale niektóre turbiny mogą osiągać prędkości obrotowe przekraczające 20,000 obr/min.

Ciekawostka: Gdy gorące gazy przechodzą przez turbinę, ich ciśnienie i temperatura spadają; ta część turbiny nazywana jest sekcją rozprężania ze względu na ten spadek ciśnienia.

Wydech

Gorące gazy wylotowe są wyładowywane bezpośrednio do atmosfery lub do innego procesu, aby ciepło mogło zostać odzyskane. Na przykład, generator pary odzyskujący ciepło (HRSG) może być zainstalowany bezpośrednio po turbinie spalinowej, aby odzyskać ciepło z gazów wylotowych, to ciepło może być następnie użyte do generowania pary. Ilość dostępnego ciepła jest znaczna, ponieważ temperatury gazów wylotowych z typowej turbiny gazowej mogą wynosić do 550°C (1,002°F).

Generator Pary Odzyskujący Ciepło (HRSG)

Projekty Turbin Gazowych

Turbiny gazowe mogą być zaprojektowane do określonego celu, takiego jak generowanie ciągu (silniki lotnicze), lub mocy mechanicznej do napędzania maszyn, takich jak pompy lub generatory (generacja energii elektrycznej). Turbiny gazowe aeroderivatywne są wykorzystywane przez samoloty ze względu na ich wysoką moc ciągu, podczas gdy ciężkie turbiny ramowe są używane w przemyśle generacji energii elektrycznej.

Turbina Gazowa Używana do Generacji Energii

Ważne jest, aby podczas budowy i eksploatacji turbin gazowych wszystkie komponenty były zaprojektowane z myślą o wytrzymałości; na przykład, komory spalania muszą być w stanie wytrzymać ekstremalne temperatury bez uszkodzeń, a łopatki powinny być wykonane z materiału odpornego na ciepło, takiego jak tytan, aby nie przegrzewały się podczas pracy.

Dodatkowe Zasoby

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