Von der Luft zur Energie: Verstehen des Gasturbinenmotors

Funktionsprinzip der Gasturbine

Der von der Turbine angetriebene Kompressor saugt kontinuierlich Luft aus der Atmosphäre ein, komprimiert sie und erhöht ihren Druck. Die komprimierte Luft gelangt in die Brennkammer, mischt sich mit dem eingespritzten Treibstoff und verbrennt. Nachdem sie zu einem hohen Temperaturbrenngas geworden ist, fließt es in die Turbine, um sich zu erweitern und Arbeit zu leisten. Nach der Arbeit sinkt der Druck des Brenngases auf den atmosphärischen Druck und wird in die Atmosphäre abgeleitet.

Daher sind die drei Hauptteile einer Gasturbine der Kompressor, die Brennkammer und die Turbine.

Ein axialer Strömungskompressor hat viele Schaufeln, die einer Propellerschaufel ähneln, aber in „bewegliche Schaufeln“ und „statische Schaufeln“ unterteilt sind. Die beweglichen Schaufeln drehen sich wie ein Propeller, stoßen während der Drehung den Luftstrom nach hinten und erhöhen dabei sowohl den Druck als auch die Temperatur des Luftstroms.

Die Funktion der stationären Schaufeln besteht darin, den durch die Bewegung der beweglichen Schaufeln entstandenen rotierenden Luftstrom in die axiale Richtung zurückzuführen und ihn unter dem richtigen Winkel in das nächste Rotorset einleiten. Normalerweise werden eine Reihe beweglicher Schaufeln und eine Reihe stationärer Schaufeln abwechselnd angeordnet, wobei eine Reihe beweglicher Schaufeln und eine Reihe stationärer Schaufeln als Stufe bezeichnet werden.

Darüber hinaus gibt es den radialen Kompressor. Er nutzt die durch die Rotation der Radialkappe erzeugte Zentrifugalkraft, um den Luftstrom nach außen zu drücken und so einen Druckerhöhungseffekt zu erzeugen. Ein einstufiger radialer Kompressor kann das Verdruckungsverhältnis mehrerer Stufen eines axialen Kompressors erreichen, was für kleinere Gasturbinen eine gute Wahl ist.

Die Brennkammer wandelt die chemische Energie des Treibstoffs in Wärmeenergie um, indem sie den durch den Kompressor eingeblasenen Hochdruckluftstrom auf hohe Temperaturen erhitzt, damit er sich im Turbinenbereich ausdehnen kann, um Arbeit zu leisten. Der Treibstoff kann flüssiger Treibstoff (wie Benzin) oder gasförmiger Treibstoff (wie Erdgas) sein.

Vor dem Gehäuse der Brennkammer befindet sich die Luftaufnahme, die zum Kompressor führt, und dahinter befindet sich der heiße Gasausgang, der zur Turbine führt.

Die Funktion der Turbine besteht darin, die Energie im heißen, hochdruckigen Verbrennungsgas in mechanische Energie umzuwandeln.

Derzeit werden überwiegend axialströmende Turbinen verwendet, die sich durch hohe Leistung, großen Durchsatz und hohe Effizienz auszeichnen. Die Zentrifugalmaschine ist eine radialströmende Turbine, die hauptsächlich in einigen Kleinleistungsgasturbinen eingesetzt wird.

Eine Gasturbine ist eine innere Verbrennungskraftmaschine, die einen kontinuierlich fließenden Gas als Arbeitsmedium verwendet, um den Radialläufer zum Hochgeschwindigkeitsdrehen zu bringen und die Energie des Kraftstoffs in nützliche Arbeit umzuwandeln. Es handelt sich um eine rotierende Turbinen-WärmeMaschine.

Im Hauptprozess von Luft und Gas in einer Gasturbine besteht der Gasturbinenzyklus nur aus drei Hauptkomponenten: einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Gasturbine, was im Allgemeinen als einfacher Zyklus bezeichnet wird. Die meisten Gasturbinen verwenden ein einfaches Zykusschema.

Der Kompressor saugt Luft aus der äußeren atmosphärischen Umgebung ein und komprimiert sie schrittweise durch einen axialen Strömungskompressor, um den Druck zu erhöhen; dabei steigt auch die Lufttemperatur entsprechend an. Die komprimierte Luft wird in die Brennkammer gepresst und mit dem eingespritzten Treibstoff vermischt, um bei der Verbrennung Hochdruck- und Hochtemperaturgase zu erzeugen. Anschließend tritt es in die Turbine ein, um sich zu expandieren und Arbeit zu leisten, wodurch die Turbine den Kompressor und den äußeren Lastrotor antreibt, sodass sich diese auf hoher Geschwindigkeit drehen. Dabei wird ein Teil der chemischen Energie des Gas- oder Flüssigtreibstoffs in mechanische Arbeit umgewandelt und elektrische Arbeit ausgegeben. Das Abgas, das aus der Turbine abgeleitet wird, wird in die Atmosphäre abgegeben, um seine Wärme natürlicherweise abzugeben. Auf diese Weise wandelt die Gasturbine die chemische Energie des Treibstoffs in Wärmeenergie um und danach einen Teil der Wärmeenergie in mechanische Energie. Normalerweise wird im Falle einer Gasturbine der Kompressor durch die Expansionsarbeit der Gasturbine angetrieben, was die Last der Turbine darstellt. In einem einfachen Kreislauf wird etwa ein halber bis zwei Drittel der von der Turbine erzeugten mechanischen Arbeit verwendet, um den Kompressor anzutreiben, während der verbleibende Drittel der mechanischen Arbeit zur Antriebskraft des Generators genutzt wird. Beim Start der Gasturbine ist zunächst externe Energie erforderlich. Normalerweise treibt der Starter den Kompressor, bis die von der Gasturbine erzeugte mechanische Arbeit größer ist als die vom Kompressor verbrauchte mechanische Arbeit. Dann wird der externe Starter getrennt und die Gasturbine kann unabhängig arbeiten.