Turbina gazowa kontra turbina parowa
Turbiny to klasa maszyn turbo używanych do przekształcania energii w przepływającym płynie w energię mechaniczną za pomocą mechanizmów wirnika. Turbiny na ogół przetwarzają energię cieplną lub kinetyczną płynu na pracę. Turbiny gazowe i parowe to termiczne maszyny turbo, w których praca jest generowana ze zmiany entalpii płynu roboczego; tj. energia potencjalna płynu w postaci ciśnienia jest zamieniana na energię mechaniczną.
W zależności od kierunku przepływu płynu turbiny są podzielone na turbiny z przepływem osiowym i turbiny z przepływem promieniowym. Technicznie turbina jest ekspanderem, który poprzez obniżenie ciśnienia zapewnia pracę mechaniczną, co jest odwrotnym działaniem sprężarki. Ten artykuł koncentruje się na typie turbiny o przepływie osiowym, który jest bardziej powszechny w wielu zastosowaniach inżynierskich.
Podstawowa konstrukcja turbiny z przepływem osiowym została zaprojektowana tak, aby umożliwić ciągły przepływ płynu przy jednoczesnym pobieraniu energii. W turbinach cieplnych płyn roboczy o wysokiej temperaturze i ciśnieniu jest kierowany przez szereg wirników składających się z ustawionych pod kątem łopatek osadzonych na obracającej się tarczy przymocowanej do wału. Pomiędzy poszczególnymi tarczami wirnika zamontowane są nieruchome łopatki, które działają jak dysze i prowadzą strumień płynu.
Więcej o Turbinach Parowych
Mimo że koncepcja wykorzystania pary do wykonywania prac mechanicznych była używana przez długi czas, nowoczesna turbina parowa została zaprojektowana przez angielskiego inżyniera Sir Charlesa Parsonsa w 1884 roku.
Turbina parowa wykorzystuje parę pod ciśnieniem z kotła jako płyn roboczy. Przegrzana para wchodząca do turbiny traci ciśnienie (entalpię) przemieszczając się przez łopatki wirników, a wirniki poruszają wałem, z którym są połączone. Turbiny parowe dostarczają moc z płynną, stałą prędkością, a sprawność cieplna turbiny parowej jest wyższa niż silnika tłokowego. Praca turbiny parowej jest optymalna przy wyższych stanach obrotów.
Ściśle, turbina jest tylko jednym elementem cyklicznej pracy wykorzystywanej do wytwarzania energii, która jest idealnie modelowana przez cykl Rankine'a. Kotły, wymienniki ciepła, pompy i skraplacze są również elementami składowymi działania, ale nie są częściami turbiny.
W dzisiejszych czasach głównym zastosowaniem turbin parowych jest wytwarzanie energii elektrycznej, ale na początku XX wieku turbiny parowe były używane jako elektrownia statków i silników lokomotyw. Jako wyjątek, w niektórych morskich układach napędowych, w których silniki wysokoprężne są niepraktyczne, takich jak lotniskowce i okręty podwodne, nadal stosuje się silniki parowe.
Więcej o turbinie gazowej
Silnik z turbiną gazową lub po prostu turbina gazowa to silnik spalinowy, wykorzystujący gazy, takie jak powietrze, jako płyn roboczy. Termodynamiczny aspekt pracy turbiny gazowej idealnie modeluje cykl Braytona.
Silnik z turbiną gazową, w przeciwieństwie do turbiny parowej, składa się z kilku kluczowych elementów; są to kompresor, komora spalania i turbina, które są montowane wzdłuż obracającego się wału, aby wykonywać różne zadania silnika spalinowego. Pobór gazu z wlotu jest najpierw sprężany za pomocą sprężarki osiowej; który wykonuje dokładne przeciwieństwo prostej turbiny. Sprężony gaz jest następnie kierowany przez stopień dyfuzora (dysza rozbieżna), w którym gaz traci prędkość, ale dodatkowo podnosi temperaturę i ciśnienie.
W następnym etapie gaz wchodzi do komory spalania, gdzie paliwo jest mieszane z gazem i zapalane. W wyniku spalania temperatura i ciśnienie gazu wzrastają do niewiarygodnie wysokiego poziomu. Gaz ten przechodzi następnie przez sekcję turbiny, a przechodząc przez nią wytwarza ruch obrotowy na wale. Średniej wielkości turbina gazowa wytwarza prędkość obrotową wału do 10 000 obr./min, podczas gdy mniejsze turbiny mogą wytwarzać 5 razy więcej.
Turbiny gazowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania momentu obrotowego (za pomocą obracającego się wału), ciągu (za pomocą szybkiego wydechu gazu) lub obu w połączeniu. W pierwszym przypadku, podobnie jak w turbinie parowej, praca mechaniczna dostarczana przez wał jest jedynie przemianą entalpii (ciśnienia) gazu o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Część pracy wału służy do napędzania sprężarki przez wewnętrzny mechanizm. Ta forma turbiny gazowej jest wykorzystywana głównie do wytwarzania energii elektrycznej oraz jako elektrownie do pojazdów takich jak czołgi, a nawet samochody. Amerykański czołg M1 Abrams wykorzystuje jako elektrownię silnik z turbiną gazową.
W drugim przypadku gaz pod wysokim ciśnieniem jest kierowany przez zbieżną dyszę w celu zwiększenia prędkości, a ciąg jest generowany przez spaliny. Ten typ turbiny gazowej jest często nazywany silnikiem odrzutowym lub turboodrzutowym, który napędza wojskowy samolot myśliwski. Turbowentylator to zaawansowana odmiana powyższego, a połączenie generowania ciągu i pracy jest stosowane w silnikach turbośmigłowych, w których praca wału jest wykorzystywana do napędzania śruby napędowej.
Istnieje wiele wariantów turbin gazowych przeznaczonych do konkretnych zadań. Są one preferowane w stosunku do innych silników (głównie tłokowych) ze względu na wysoki stosunek mocy do masy, mniejsze wibracje, wysokie prędkości robocze i niezawodność. Ciepło odpadowe jest odprowadzane prawie w całości jako spaliny. W produkcji energii elektrycznej ta odpadowa energia cieplna jest wykorzystywana do gotowania wody do napędzania turbiny parowej. Proces ten jest znany jako wytwarzanie energii w cyklu łączonym.
Jaka jest różnica między turbiną parową a turbiną gazową?
• Turbina parowa wykorzystuje parę pod wysokim ciśnieniem jako płyn roboczy, podczas gdy turbina gazowa wykorzystuje powietrze lub inny gaz jako płyn roboczy.
• Turbina parowa jest w zasadzie ekspanderem dostarczającym moment obrotowy jako wyjściową pracę, podczas gdy turbina gazowa jest połączonym urządzeniem sprężarki, komory spalania i turbiny wykonującej cykliczną operację, aby dostarczyć pracę jako moment obrotowy lub ciąg.
• Turbina parowa to tylko element wykonujący jeden etap cyklu Rankine'a, podczas gdy silnik turbiny gazowej wykonuje cały cykl Braytona.
• Turbiny gazowe mogą dostarczać moment obrotowy lub ciąg jako wydajność roboczą, podczas gdy turbiny parowe prawie przez cały czas dostarczają moment obrotowy jako wydajność roboczą.
• Sprawność turbin gazowych jest znacznie wyższa niż turbiny parowej ze względu na wyższe temperatury pracy turbin gazowych. (Turbiny gazowe ~1500 0C i turbiny parowe ~550 0C)
• Przestrzeń wymagana dla turbin gazowych jest znacznie mniejsza niż praca turbiny parowej, ponieważ turbina parowa wymaga kotłów i wymienników ciepła, które powinny być podłączone zewnętrznie w celu dodania ciepła.
• Turbiny gazowe są bardziej wszechstronne, ponieważ można stosować wiele paliw, a płyn roboczy, który musi być podawany w sposób ciągły, jest wszędzie łatwo dostępny (powietrze). Z drugiej strony turbiny parowe wymagają dużych ilości wody do działania i mają tendencję do powodowania problemów w niższych temperaturach z powodu oblodzenia.
