Podstawowe informacje o turbinach gazowych

Podstawowe informacje o turbinach gazowych

Pełny tekst artykułu dostępny jest dla zarejestrowanych użytkowników

Turbina gazowa, nazywana jest silnikiem turbogazowym lub (nie zawsze poprawnie) silnikiem turbospalinowym czy turbiną spalinową, jest silnikiem cieplnym, w którym procesy sprężania i rozprężania odbywają się w maszynach wirnikowych. 

Turbiny gazowe odgrywają coraz większą role w nowych inwestycjach energetycznych. Dotyczy to głównie ich zastosowania w hierarchicznych układach energetycznych, a mianowicie:
  • układach gazowo-parowych,
  • układach kombinowanych dwupaliwowych,
  • układach z ciśnieniowym spalaniem węgla w kotłach fluidalnych,
  • instalacjach z całkowitym lub częściowym zgazowaniem węgla,
  • instalacjach ciśnieniowego spalania w kotłach pyłowych,
  • układach bezpośredniego spalania węgla w turbinach gazowych,
  • układach ze spalaniem zewnętrznym,
  • układach gazowo-parowych tworzonych z ogniwami paliwowymi.

Technologie mieszczące się w grupach a - d są dostępne komercyjnie, pozostałe są w stadium badań dostępne komercyjnie, pozostałe są w stadium badań.

Chłodny czynnik sprężany jest w sprężarce, gorący zaś - rozpręża się w turbinie. Wynika stąd konieczność podgrzania czynnika za sprężarką, co osiąga się najczęściej bezpośrednio w komorze spalania przez spalanie w niej odpowiedniej ilości paliwa.

Czynnikiem roboczym jest wtedy początkowo powietrze, a następnie spaliny. W takim przypadku mamy więc do czynienia z silnikiem o spalaniu wewnętrznym, nazywanym silnikiem turbospalinowym. 

Możliwe jest też pośrednie podgrzanie czynnika w nagrzewnicy, gdzie ogrzewa się on dzięki wymianie ciepła za pośrednictwem ścianek, najczęściej metalowych. Jako czynnik roboczy stosuje się wtedy zwykle inne gazy niż powietrze czy spaliny. Termin turbina gazowa jest tu więc określeniem ogólniejszym niż termin turbina spalinowa. Suma z "dodatniej" pracy turbiny i "ujemnej" pracy sprężarki stanowi pracę użyteczną układu zespołów, składającego się na całość turbiny gazowej.

W turbinie gazowej (spalinowej) - odmienne niż w tłokowym silniku spalinowym - poszczególne procesy: zasysania, sprężania, spalania (doprowadzenie ciepła), rozprężania i wydmuchu czynnika roboczego zlokalizowane są w oddzielnych zespołach (a nie w cylindrze) takich, jak: wlot, sprężarka, komora spalania (nagrzewnica), turbina, wylot, co stanowi o jej aperiodycznym, ciągłym działaniu. 

Z punktu widzenia zasady pracy stwierdzić więc można, że turbina gazowa łączy w sobie zarówno zalety tłokowego silnika spalinowego jak i maszyn wirnikowych (w szczególności turbin parowych), stanowiąc w związku z tym teoretycznie bardzo korzystny typ silnika cieplnego. Jednakże z różnych względów, istniejące tu możliwości nie zostały dotychczas w pełni wykorzystane w praktyce.

W turbinowym silniku spalinowym kolejne przemiany czynnika roboczego odbywają się w sposób ciągły, z których sprężarki i turbiny są cieplnymi, przepływowymi maszynami wirnikowymi, a komora spalania tylko cieplną komorą przepływową.

Schemat jednowirnikowego turbinowego silnika spalinowego

Powietrze o ciśnieniu atmosferycznym po i temperaturze To jest zassane przez sprężarkę osiową lub promieniową (S) poprzez filtr powietrza (F) i sprężane do ciśnienia p2. Sprężarka napędzana jest przez turbinę, której nadmiar mocy jest oddawany na pędnik okrętowy lub przez specjalną turbinę, noszącą wówczas nazwę turbiny wytwornicy spalin. 

Sprężone powietrze przepływa do komory spalania (KS), w której następuje spalanie podawanego przez wtryskiwacze w sposób ciągły paliwa. Pozostałe wewnątrz rury ogniowej komory spalania gazy cechuje wysoka temperatura 2000 – 2400 oK i dlatego są one schładzane w końcowej części komory przez powietrze wtórne. Powietrze to nie bierze bezpośredniego udziału w spalaniu paliwa, natomiast jest rozcieńczalnikiem gorących spalin. Dlatego ogólny współczynnik nadmiaru powietrza kształtuje się w przedziale l = 3,3 – 6,0.

W rezultacie, na wylocie z komory spalania temperatura spalin wynosi T3 = 1250–1600 oK. Tak wysoka temperatura jest uwarunkowana wytrzymałością termiczną materiału, aparatów łopatkowych pierwszych wieńców turbiny wysokiego ciśnienia. 

Wytworzone w ten sposób spaliny o ciśnieniu p­3 trafiają najpierw na wieniec stacjonarnych łopatek kierowniczych pierwszego stopnia turbiny T, w której zrealizowany jest proces rozprężania (obniżenie ciśnienia – wzrost prędkości). Dalej spaliny o dużej prędkości skierowane są na łopatki wirnika turbiny. W rezultacie, na łopatkach wirnikowych powstaje siła nośna, której składowa obwodowa na średnicy Dśr wytwarza moment obrotowy M.

Z całej mocy wytworzonej przez turbinę około 2/3 pokrywa zapotrzebowanie mocy przez sprężarkę a pozostała część stanowi moc użyteczną.

Pełny artyluł dostępny jest dla zarejestrowanych użytkowników.

 

Free Joomla! templates by Engine Templates