Turbina gazowa
Z Wikipedii
Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową) jest silnikiem, który energię napędową pobiera z przepływających spalin (lub innego gazu roboczego). Na wale turbiny zamocowana jest sprężarka dostarczająca sprężone powietrze do komory spalania. Po spaleniu w komorze paliwa, spaliny przepływając przez wirnik turbiny napędzają wał i jednocześnie zamocowaną na nim sprężarkę. Dalej spaliny trafiają do rekuperatora lub do kotła odzysknicowego, który odzyskuje część energii cieplnej z wyrzucanych do otoczenia spalin. Energia cieplna jest wykorzystywana w celach użytkowych, np. do ogrzewania pomieszczeń. Energia odbierana z zewnątrz z wału turbiny to energia mechaniczna służąca do napędu statków, pociagów, generatorów energii elektrycznej i innych urządzeń, a nawet czołgów. W zastosowaniach lotniczych turbina gazowa jest elementem konstrukcyjnym silnika turboodrzutowego i turbośmigłowego (turbowałowego).
Spis treści |
[edytuj] Historia
- 1500: Leonardo da Vinci wykonał szkice komina z zamontowanymi wewnątrz wiatrakami poruszanymi ciagiem unoszących się spalin.
- 1629: Odrzut wydostającej się pod ciśnieniem pary wodnej był wykorzystany przez Giovanni Branca do skonstruowania młyna bijakowego.
- 1678: Ferdinand Verbeist zbudował model pojazdu napedzanego odrzutem pary pod ciśnieniem.
- 1791: Opatentowano pierwszy silnik będący turbiną, posiadający wszystkie elementy, w które jest wyposażona współczesna nowoczesna turbina.
- 1872: Pierwsza prawdziwa turbina gazowa została zaprojektowana przez Dr F. Stolze, ale turbina nigdy nie pracowała samodzielnie bez dodatkowej energii z zewnątrz (sprężarka pobierała wiekszą moc niż oddawała na wał turbina).
- 1897: Turbina parowa do napedu statków została opatentowana przez Charlesa Parsona. Zasada działania napędu jest wykorzystywana w części do dzisiaj.
- 1903: Norweg Ægidius Elling zbudował pierwszą turbine gazową pracującą samodzielnie (sprężarka pobierała mniejszą moc niż wytwarzała sama turbina - nadmiar mocy można było odebrać na zewnatrz do napędu innych urządzeń). Frank Whittle wykorzystał w przyszłości to rozwiązanie.
- 1914: Pierwsze praktyczne zastosowanie turbiny gazowej przez Charlesa Curtisa.
- 1918: General Electric jako pierwsza na świecie korporacja otworzyła oddział produkcji turbin.
- 1930: Frank Whittle opatentował turbinę gazową bedącą jednocześnie silnikiem odrzutowym. W 1937 roku patent został z powodzeniem sprawdzony w praktyce.
- 1936. Hans von Ohain and Max Hahn w Niemczech rozwinęli własny opatentowany projekt silnika turboodrzutowego w tym samym czasie, co Frank Whittle.
[edytuj] Zasada działania
W układzie cieplnym prostej turbiny gazowej realizowany jest cykl Braytona (dwie izentropy i dwie izobary – rysunek poniżej).
Obieg turbiny gazowej jest otwarty (w odróżnieniu od turbiny parowej, gdzie skroplona para wraca spowrotem do obiegu). Czynnik termodynamiczny jest pobierany z zewnątrz (powietrze i paliwo) i po przejściu przez turbinę oddawany do otoczenia (spaliny).
Powietrze sprężane izentropowo podawane jest do komory spalania, gdzie przy stałym ciśnieniu (izobarycznie) spalany jest gaz lub inne paliwo (np. benzyna lotnicza). Rozprężenie spalin następuje poprzez turbinę (izentropowo) do ciśnienia otoczenia. W praktyce tarcie i przepływ turbulentny powodują, że sprężanie powietrza i rozprężanie spalin nie jest idealnie izentropowe, co powoduje obniżenie sprawności obiegu. Dla podniesienia sprawności termodynamicznej stosuje się tzw. regeneracją ciepła, gdzie sprężone powietrze podawane do komory spalania ogrzewane jest ciepłem wylatujących spalin.
Innym sposobem powiększenia sprawności jest powiększenie różnicy temperatur pomiędzy temperaturą w komorze spalania, a średnią temperaturą czynnika roboczego oddawanego do atmosfery. W tym celu stosuje się obieg kombinowany gazowo - parowy polegający na połączonej pracy turbiny gazowej i parowej (turbina parowa oddaje do otoczenia ciepło skraplania - około 50 st.C)
-
- Układ gazowo-parowy – traktowany najczęściej jako siłownia, ale niekoniecznie jako jeden silnik. Jest aktualnie najsprawniejszą siłownią cieplną, której sprawność sięga blisko 60%, choć nadal najsprawniejszym pojedynczym silnikiem cieplnym jest silnik tłokowy wolnoobrotowy.
[edytuj] Budowa
Turbina gazowa pod względem mechanicznym jest stosunkowo nieskomplikowanym urządzeniem jeśli porównamy ją do silnika tłokowego. Prosta turbina może mieć tylko jedną ruchomą część (nie licząć układu zasilania w paliwo) - wał z zamontowanym kołem wirnikowym sprężarki i kołem wirnikowym turbiny.
Bardziej zaawansowane technologicznie turbiny mogą mieć podwójny wał, setki łopatek wirnikowych i rozbudowany układ rurociagów, palników i wymienników ciepła.
[edytuj] Zastosowania
- silnik turbowentylatorowy, turbowałowy, turbośmigłowy, turboodrzutowy
- elektrociepłownie w układzie gazowym i parowo-gazowym
- statki
- samochody wyścigowe
- pojazdy wojskowe
- samoloty
- pociągi
- urządzenia pomocnicze (mikroturbiny) dla innych większych silników (np. turbosprężarka doładowująca silnik tłokowy). W samolotach małe turbiny gazowe służą do rozruchu silnika głównego.
