Gāzes turbīna pret tvaika turbīnu
Turbīnas ir turbo iekārtu klase, ko izmanto, lai plūstošā šķidrumā esošo enerģiju pārveidotu mehāniskā enerģijā, izmantojot rotora mehānismus. Turbīnas parasti pārvērš šķidruma termisko vai kinētisko enerģiju darbā. Gāzes turbīnas un tvaika turbīnas ir termiskās turbo iekārtas, kurās darbs rodas no darba šķidruma entalpijas maiņas; i., šķidruma potenciālā enerģija spiediena veidā tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā.
Pamatojoties uz šķidruma plūsmas virzienu, turbīnas tiek iedalītas aksiālās plūsmas turbīnās un radiālās plūsmas turbīnās. Tehniski turbīna ir paplašinātājs, kas nodrošina mehānisku darba jaudu, samazinot spiedienu, kas ir pretēja kompresora darbībai. Šajā rakstā galvenā uzmanība ir pievērsta aksiālās plūsmas turbīnas tipam, kas ir biežāk sastopams daudzos inženiertehniskos lietojumos.
Aksiālās plūsmas turbīnas pamatstruktūra ir veidota tā, lai nodrošinātu nepārtrauktu šķidruma plūsmu, vienlaikus iegūstot enerģiju. Termoturbīnās darba šķidrums augstā temperatūrā un spiedienā tiek virzīts caur virkni rotoru, kas sastāv no leņķveida lāpstiņām, kas uzstādītas uz rotējoša diska, kas piestiprināts pie vārpstas. Starp katriem rotora diskiem ir uzstādītas stacionāras lāpstiņas, kas darbojas kā sprauslas un vada šķidruma plūsmu.
Vairāk par tvaika turbīnu
Lai gan koncepcija par tvaika izmantošanu mehāniskiem darbiem tika izmantota jau ilgu laiku, moderno tvaika turbīnu 1884. gadā izstrādāja angļu inženieris sers Čārlzs Pārsons.
Tvaika turbīnā kā darba šķidrumu izmanto saspiestu tvaiku no katla. Pārkarsētais tvaiks, kas nonāk turbīnā, zaudē spiedienu (entalpiju), pārvietojoties pa rotoru lāpstiņām, un rotori pārvieto vārpstu, ar kuru tie ir savienoti. Tvaika turbīnas nodrošina vienmērīgu, nemainīgu jaudu, un tvaika turbīnas termiskā efektivitāte ir augstāka nekā virzuļdzinējam. Tvaika turbīnas darbība ir optimāla pie lielākiem apgriezieniem.
Stingri sakot, turbīna ir tikai viena cikliskās darbības sastāvdaļa, ko izmanto elektroenerģijas ražošanai, ko ideāli modelē pēc Rankine cikla. Katli, siltummaiņi, sūkņi un kondensatori arī ir darbības sastāvdaļas, bet nav turbīnas daļas.
Mūsdienās tvaika turbīnas galvenokārt izmanto elektroenerģijas ražošanai, bet 20. gadsimta sākumā tvaika turbīnas tika izmantotas kā spēkstacija kuģiem un lokomotīvju dzinējiem. Izņēmuma kārtā dažās kuģu piedziņas sistēmās, kur dīzeļdzinēji ir nepraktiski, piemēram, gaisa kuģu bāzes kuģos un zemūdenēs, joprojām tiek izmantoti tvaika dzinēji.
Vairāk par gāzes turbīnu
Gāzes turbīnas dzinējs vai vienkārši gāzturbīna ir iekšdedzes dzinējs, kurā kā darba šķidrumu izmanto gāzes, piemēram, gaisu. Gāzes turbīnas darbības termodinamiskais aspekts ir ideāli modelēts ar Breitona ciklu.
Gāzes turbīnas dzinējs, atšķirībā no tvaika turbīnas, sastāv no vairākām galvenajām sastāvdaļām; tie ir kompresors, sadegšanas kamera un turbīna, kas ir salikti gar rotējošu vārpstu, lai veiktu dažādus iekšdedzes dzinēja uzdevumus. Gāzes ieplūde no ieplūdes atveres vispirms tiek saspiesta, izmantojot aksiālo kompresoru; kas darbojas tieši pretēji vienkāršai turbīnai. Pēc tam saspiestā gāze tiek virzīta caur difuzoru (atšķirīgu sprauslu), kurā gāze zaudē savu ātrumu, bet vēl vairāk palielina temperatūru un spiedienu.
Nākamajā posmā gāze nonāk sadegšanas kamerā, kur degviela tiek sajaukta ar gāzi un tiek aizdedzināta. Degšanas rezultātā gāzes temperatūra un spiediens paaugstinās līdz neticami augstam līmenim. Pēc tam šī gāze iziet cauri turbīnas sekcijai un, ejot cauri, rada rotācijas kustību uz vārpstu. Vidēja izmēra gāzes turbīna nodrošina vārpstas griešanās ātrumu līdz 10 000 apgr./min., savukārt mazākas turbīnas var ražot 5 reizes vairāk.
Gāzes turbīnas var izmantot, lai radītu griezes momentu (ar rotējošo vārpstu), vilci (ar ātrgaitas gāzes izplūdi) vai abus kopā. Pirmajā gadījumā, tāpat kā tvaika turbīnā, vārpstas nodrošinātais mehāniskais darbs ir tikai augstas temperatūras un spiediena gāzes entalpijas (spiediena) transformācija. Daļa no vārpstas darba tiek izmantota, lai vadītu kompresoru caur iekšējo mehānismu. Šo gāzes turbīnas veidu galvenokārt izmanto elektroenerģijas ražošanai un kā spēkstacijas transportlīdzekļiem, piemēram, cisternām un pat automašīnām. ASV M1 Abrams tvertnē kā spēkstacija tiek izmantots gāzes turbīnas dzinējs.
Otrajā gadījumā augstspiediena gāze tiek virzīta caur saplūstošu sprauslu, lai palielinātu ātrumu, un vilces spēku rada izplūdes gāzes. Šāda veida gāzes turbīnas bieži sauc par reaktīvo dzinēju vai turboreaktīvo dzinēju, kas darbina militāro kaujas lidmašīnu. Turboventilators ir uzlabots iepriekš minētā variants, un turbopropelleru dzinējos tiek izmantota gan vilces, gan darba ģenerēšanas kombinācija, kur dzenskrūves darbināšanai tiek izmantots vārpstas darbs.
Pastāv daudzi gāzturbīnu varianti, kas paredzēti konkrētiem uzdevumiem. Tiem tiek dota priekšroka salīdzinājumā ar citiem dzinējiem (galvenokārt virzuļdzinējiem), jo tiem ir augsta jaudas un svara attiecība, mazāka vibrācija, liels darbības ātrums un uzticamība. Atkritumu siltums gandrīz pilnībā tiek izkliedēts kā izplūdes gāze. Elektroenerģijas ražošanā šo siltumenerģiju izmanto, lai vārītu ūdeni, lai darbinātu tvaika turbīnu. Process ir pazīstams kā kombinētā cikla elektroenerģijas ražošana.
Kāda ir atšķirība starp tvaika turbīnu un gāzes turbīnu?
• Tvaika turbīna kā darba šķidrumu izmanto augstspiediena tvaiku, savukārt gāzturbīna kā darba šķidrumu izmanto gaisu vai kādu citu gāzi.
• Tvaika turbīna būtībā ir paplašinātājs, kas nodrošina griezes momentu kā darba izvadi, savukārt gāzes turbīna ir kompresora, sadegšanas kameras un turbīnas apvienota ierīce, kas veic ciklisku darbību, lai nodrošinātu darbu kā griezes momentu vai vilci.
• Tvaika turbīna ir tikai sastāvdaļa, kas izpilda vienu Rankine cikla posmu, savukārt gāzes turbīnas dzinējs izpilda visu Breitona ciklu.
• Gāzes turbīnas var nodrošināt griezes momentu vai vilci kā darba rezultātu, savukārt tvaika turbīnas gandrīz visu laiku nodrošina griezes momentu kā darba jaudu.
• Gāzu turbīnu efektivitāte ir daudz augstāka nekā tvaika turbīnas, jo gāzturbīnām ir augstāka darba temperatūra. (Gāzes turbīnas ~1500 0C un tvaika turbīnas ~550 0C)
• Gāzes turbīnām nepieciešamā platība ir daudz mazāka nekā tvaika turbīnas darbībai, jo tvaika turbīnai ir nepieciešami apkures katli un siltummaiņi, kurus vajadzētu pieslēgt ārēji siltuma pievienošanai.
• Gāzes turbīnas ir daudzpusīgākas, jo var izmantot daudzas degvielas un visur ir viegli pieejams darba šķidrums, kas ir nepārtraukti jāpabaro (gaiss). No otras puses, tvaika turbīnām ir nepieciešams liels ūdens daudzums, un tās mēdz radīt problēmas zemākā temperatūrā apledojuma dēļ.
