Van lucht tot kracht: het begrijpen van de gasturbine

Werking van de gasturbine

De compressor, aangedreven door de turbine, zuigt continu lucht uit de atmosfeer en verhoogt en verhoogt de druk ervan. De gecomprimeerde lucht gaat naar de brandkamer, mengt zich met het toegevoegde brandstof en ontbrandt. Nadat het is omgezet in hoge-temperatuur brandgassen, stroomt het naar de turbine om uit te breiden en werk te leveren. Nadat het werk heeft verricht, daalt de druk van de brandgassen tot atmosferische druk en wordt deze uitgestoten in de atmosfeer.

Dus de drie belangrijkste onderdelen van een gasturbine zijn de compressor, de brandkamer en de turbine.

Een assencompressor heeft veel bladen, die qua vorm lijken op propellerbladen, maar zijn verdeeld in 'beweegbare bladen' en 'vaste bladen'. De beweegbare bladen draaien zoals een propeller, duwen de luchtstroom tijdens de rotatie naar achteren. Tijdens dit proces neemt de druk van de luchtstroom toe en stijgt ook de temperatuur.

De functie van de stationaire bladen is om de rotatie van de luchtstroom, die wordt veroorzaakt door de beweging van de draaiende bladen, terug te leiden naar de axiale richting en de volgende set roters onder de juiste hoek binnen te laten. Meestal worden een set beweegbare bladen en een set stationaire bladen afwisselend geplaatst, en een set beweegbare bladen en een set stationaire bladen noemt men een fase.

Daarnaast bestaat er ook een radiale compressor. Deze maakt gebruik van de centrifugale kracht die ontstaat door de rotatie van de impeller om de luchtstroom naar buiten te duwen, waardoor een verhoging van de druk optreedt. Een enkelvoudige radiale compressor kan dezelfde compressieverhouding hebben als meerdere fasen van een axiale compressor, wat een goede keuze is voor kleinere gasturbines.

De verbrandingskamer converteert de chemische energie van het brandstof in thermische energie, waarbij de door de compressor aangedrukte hoogdruk-lucht wordt opgewarmd tot een hoge temperatuur, zodat deze kan worden uitgebreid in de turbine om werk te verrichten. Het brandstof kan vloeibaar brandstof zijn (zoals benzine) of gasvormig brandstof (zoals aardgas).

Voor de behuizing van de verbrandingskamer bevindt zich de luchtinlaat die naar de compressor leidt, en achteraan bevindt zich de uitlaat voor hete gassen die naar de turbine leidt.

De functie van de turbine is om de energie in het hoge-temperatuur en hoge-druk-verbrandingsgas om te zetten in mechanische energie.

Momenteel worden de meeste asflow turbines gebruikt, die gekenmerkt worden door hoge vermogen, grote stroom en hoge efficiëntie. De centrifugale turbine is een radiale flow turbine, die voornamelijk wordt gebruikt in sommige kleine vermogens-gasturbines.

Een gasturbine is een inwendige verbrandingskrachtmachine die een continu stromende gas als werkstof gebruikt om de impeller te laten roteren op hoge snelheid, waardoor de energie van het brandstof wordt omgezet in nuttig werk. Het is een rotatie-impellerwarmtemotor.

In het hoofdproces van lucht en gas in een gasturbine bestaat er slechts uit een gasturbinecyclus die bestaat uit drie belangrijke onderdelen: een compressor, een verbrandingskamer en een gasturbine, wat algemeen wordt aangeduid als een eenvoudige cyclus. De meeste gasturbinemotoren gebruiken een eenvoudig cyclisch schema.

De compressor zuigt lucht uit de externe atmosferische omgeving en comprimeert deze stapsgewijs via een axiale stroomcompressor om de druk te verhogen, waarbij ook de luchttemperatuur overeenkomstig stijgt; de gecomprimeerde lucht wordt geduwd naar de brandkamer en gemengd met het toegevoegde brandstof om te verbranden en hoogtemperatuur- en hoge-drukgas te genereren; daarna gaat het naar de turbine om uit te breiden en werk te leveren, waardoor de turbine de compressor en de externe belastingrotor aandrijft om op hoge snelheid te roteren, wat de gedeeltelijke conversie van de chemische energie van het gas of vloeibaar brandstof in mechanisch werk realiseert en elektrisch werk afgeeft. De uitlaatgassen die door de turbine worden afgegeven, worden vrijgelaten in de atmosfeer om natuurlijk warmte af te geven. Op deze manier converteert de gasturbine de chemische energie van de brandstof in thermische energie, en converteert een deel van de thermische energie in mechanische energie. Meestal in een gasturbine wordt de compressor aangedreven door het uitbreidingswerk van de gasturbine, wat de belasting van de turbine is. In een eenvoudige cyclus wordt ongeveer 1/2 tot 2/3 van het mechanische werk dat door de turbine wordt gegenereerd gebruikt om de compressor aan te drijven, en blijft er 1/3 van het mechanische werk over om de generator aan te drijven. Wanneer de gasturbine wordt gestart, is eerst externe energie vereist. Meestal drijft de starter de compressor tot het mechanische werk dat door de gasturbine wordt gegenereerd groter is dan het mechanische werk dat door de compressor wordt verbruikt. De externe starter wordt uitgeschakeld en de gasturbine kan onafhankelijk werken.