Dujų turbina prieš garo turbiną
Turbinos yra turbininių mašinų klasė, naudojama tekančio skysčio energijai paversti mechanine energija naudojant rotoriaus mechanizmus. Turbinos paprastai paverčia skysčio šiluminę arba kinetinę energiją darbu. Dujų turbinos ir garo turbinos yra šiluminės turbinos mašinos, kuriose darbas susidaro keičiantis darbinio skysčio entalpijai; y., skysčio potenciali energija slėgio pavidalu paverčiama mechanine energija.
Pagal skysčio srauto kryptį turbinos skirstomos į ašinio srauto turbinas ir radialinio srauto turbinas. Techniškai turbina yra plėtiklis, kuris užtikrina mechaninį darbą mažinant slėgį, o tai yra priešinga kompresoriaus veikimui. Šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys skiriamas ašinio srauto turbinos tipui, kuris yra labiau paplitęs daugelyje inžinerinių programų.
Pagrindinė ašinio srauto turbinos struktūra sukurta taip, kad būtų užtikrintas nenutrūkstamas skysčio srautas išgaunant energiją. Šiluminėse turbinose darbinis skystis, esant aukštai temperatūrai ir slėgiui, nukreipiamas per eilę rotorių, susidedančių iš kampuotų mentių, sumontuotų ant besisukančio disko, pritvirtinto prie veleno. Tarp kiekvieno rotoriaus diskų sumontuotos stacionarios mentės, kurios veikia kaip purkštukai ir nukreipia skysčio srautą.
Daugiau apie garo turbiną
Nors garo naudojimo sąvoka mechaniniams darbams buvo naudojama ilgą laiką, modernią garo turbiną 1884 m. sukūrė anglų inžinierius seras Charlesas Parsonsas.
Garo turbinoje kaip darbinį skystį naudojami suslėgti garai iš katilo. Perkaitęs garas, patenkantis į turbiną, praranda slėgį (entalpiją), judėdamas rotorių mentes, o rotoriai judina veleną, prie kurio yra prijungti. Garo turbinos tiekia galią sklandžiai, pastoviu greičiu, o garo turbinos šiluminis efektyvumas yra didesnis nei stūmoklinio variklio. Garo turbinos veikimas yra optimalus esant didesniam sūkių dažniui.
Griežtai kalbant, turbina yra tik vienas ciklinio veikimo komponentas, naudojamas energijai gaminti, o tai idealiai modeliuojama pagal Rankine ciklą. Katilai, šilumokaičiai, siurbliai ir kondensatoriai taip pat yra veikimo komponentai, bet nėra turbinos dalys.
Šiais laikais garo turbinos pirmiausia naudojamos elektros energijai gaminti, tačiau XX amžiaus pradžioje garo turbinos buvo naudojamos kaip laivų ir lokomotyvų variklių jėgainė. Išimties tvarka kai kuriose jūrų varymo sistemose, kuriose dyzeliniai varikliai yra nepraktiški, pavyzdžiui, lėktuvnešiuose ir povandeniniuose laivuose, garo varikliai vis dar naudojami.
Daugiau apie dujų turbiną
Dujų turbininis variklis arba tiesiog dujų turbina yra vidaus degimo variklis, kuriame kaip darbinis skystis naudojamos tokios dujos kaip oras. Dujų turbinos veikimo termodinaminis aspektas idealiai sumodeliuotas pagal Braitono ciklą.
Dujų turbinos variklis, skirtingai nei garo turbina, susideda iš kelių pagrindinių komponentų; tai kompresorius, degimo kamera ir turbina, sumontuoti išilgai besisukančio veleno, atlikti įvairias vidaus degimo variklio užduotis. Dujų įsiurbimas iš įleidimo angos pirmiausia suspaudžiamas naudojant ašinį kompresorių; kuri veikia visiškai priešingai nei paprasta turbina. Tada suslėgtos dujos nukreipiamos per difuzorių (skiriantį purkštuką), kuriame dujos praranda greitį, tačiau toliau padidina temperatūrą ir slėgį.
Kitame etape dujos patenka į degimo kamerą, kur kuras sumaišomas su dujomis ir užsidega. Dėl degimo dujų temperatūra ir slėgis pakyla iki neįtikėtinai aukšto lygio. Tada šios dujos praeina per turbinos sekciją ir, eidamos pro, sukuria sukimosi judesį į veleną. Vidutinio dydžio dujų turbinos veleno sukimosi greitis siekia net 10 000 aps./min., o mažesnės turbinos gali pagaminti 5 kartus daugiau.
Dujų turbinos gali būti naudojamos sukimo momentui (sukamuoju velenu), traukai (didelio greičio dujų išmetimu) arba abiem kartu sukurti. Pirmuoju atveju, kaip ir garo turbinoje, veleno atliekamas mechaninis darbas yra tik aukštos temperatūros ir slėgio dujų entalpijos (slėgio) transformacija. Dalis veleno darbo naudojama kompresoriui varyti per vidinį mechanizmą. Šios formos dujų turbinos daugiausia naudojamos elektros energijos gamybai ir kaip elektrinės transporto priemonėms, tokioms kaip cisternos ir net automobiliai. JAV M1 Abrams tanko jėgainėje naudojamas dujų turbininis variklis.
Antruoju atveju aukšto slėgio dujos nukreipiamos per susiliejantį antgalį, kad padidėtų greitis, o trauką sukuria išmetamosios dujos. Šio tipo dujų turbinos dažnai vadinamos reaktyviniu varikliu arba turboreaktyviniu varikliu, kuris varo karinius naikintuvus. Turboventiliatorius yra pažangus pirmiau pateikto variantas, o traukos ir darbo generavimo derinys naudojamas turbosraigtiniuose varikliuose, kur veleno darbas naudojamas propeleriui varyti.
Yra daug dujų turbinų variantų, skirtų konkrečioms užduotims atlikti. Jie yra geresni už kitus variklius (daugiausia stūmoklinius) dėl didelio galios ir svorio santykio, mažesnės vibracijos, didelio veikimo greičio ir patikimumo. Atliekinė šiluma beveik visiškai išsklaidoma kaip išmetamosios dujos. Gaminant elektros energiją, ši atliekinė šiluminė energija naudojama vandeniui užvirti garo turbinai paleisti. Procesas žinomas kaip kombinuoto ciklo energijos gamyba.
Kuo skiriasi garo turbina ir dujų turbina?
• Garo turbinoje kaip darbinis skystis naudojamas aukšto slėgio garas, o dujų turbinoje kaip darbinis skystis – oras ar kitos dujos.
• Garo turbina iš esmės yra plėtiklis, užtikrinantis sukimo momentą kaip darbo našumą, o dujų turbina yra kombinuotas kompresoriaus, degimo kameros ir turbinos įtaisas, vykdantis ciklinę operaciją, kad darbas būtų tiekiamas kaip sukimo momentas arba trauka.
• Garo turbina yra tik komponentas, vykdantis vieną Rankine ciklo žingsnį, o dujų turbinos variklis vykdo visą Braitono ciklą.
• Dujų turbinos gali tiekti sukimo momentą arba trauką kaip darbo našumą, o garo turbinos beveik visą laiką tiekia sukimo momentą kaip darbo našumą.
• Dujų turbinų efektyvumas yra daug didesnis nei garo turbinos dėl aukštesnės dujų turbinų darbinės temperatūros. (Dujų turbinos ~1500 0C ir garo turbinos ~550 0C)
• Dujų turbinoms reikia daug mažiau vietos nei garo turbinos veikimui, nes garo turbinai reikia katilų ir šilumokaičių, kurie turi būti prijungti iš išorės šilumos papildymui.
• Dujų turbinos yra universalesnės, nes galima naudoti daug kuro rūšių, o darbinis skystis, kurį reikia tiekti nuolat, yra visur (oras). Kita vertus, garo turbinoms veikti reikia daug vandens ir dėl apledėjimo gali kilti problemų esant žemesnei temperatūrai.
