Od powietrza do mocy: zrozumienie silnika turbinowego

Zasada działania turbiny gazowej

Kompresor, napędzany przez turbinę, ciągle pobiera powietrze z atmosfery, kompresuje je i zwiększa jego ciśnienie. Skompresowane powietrze wpływa do komory spalania, mieszając się z wtryskiwanym paliwem i spala się. Po stanie się wysokotemperaturnym gazem spalinowym, przepływa on do turbiny, aby się rozszerzyć i wykonać pracę. Po wykonaniu pracy, ciśnienie gazu spalinowego spada do ciśnienia atmosferycznego i jest wydzielane do atmosfery.

Dlatego trzy główne części turbiny gazowej to kompresor, komora spalania i turbinę.

Kompresor o przepływie osiowym ma wiele łopatek, które są podobne kształtem do łopatek wirnika, ale są podzielone na "ruchome łopatki" i "nieruchome łopatki". Ruchome łopatki obracają się jak wirnik, pchając strumień powietrza do tyłu podczas obrotu. W tym czasie ciśnienie strumienia powietrza wzrasta, a temperatura również rośnie.

Funkcją statycznych łopatek jest kierowanie wirującego przepływu powietrza, powstałego w wyniku działania obrotowych łopatek, z powrotem w kierunku osiowym i wprowadzenie go pod odpowiednim kątem do następnego zestawu rotorów. Zazwyczaj zestaw ruchomych łopatek i zestaw statycznych łopatek są skonfigurowane naprzemiennie, a zestaw ruchomych i statycznych łopatek nazywa się etapem.

Ponadto istnieje kompresor radialny. Wykorzystuje siłę odśrodkową wyенную przez obrót impelera, aby pchnąć przepływ powietrza na zewnątrz, co generuje efekt zwiększenia ciśnienia. Jednoetapowy kompresor radialny może mieć współczynnik sprężania kilku etapów kompresora osiowego, co jest dobrym rozwiązaniem dla mniejszych turbin gazowych.

Komora spalania przekształca energię chemiczną paliwa w energię cieplną, podgrzewając wysokociśnieniowe powietrze zaciskane przez kompresor do wysokiej temperatury, aby móc je rozwijać w turbinie i wykonywać pracę. Paliwem może być paliwo ciekawe (np. benzyna) lub gazu (np. gaz ziemny).

Przed obudową komory spalania znajduje się otwór wentylacyjny prowadzący do kompresora, a za nią - wyjście gazów gorących prowadzące do turbin.

Funkcją turbiny jest przekształcanie energii znajdującej się w gazach spalinowych o wysokiej temperaturze i ciśnieniu w energię mechaniczną.

Obecnie najczęściej stosowane są turbiny osiowe, które charakteryzują się dużą mocą, dużym przepływem i wysoką efektywnością. Turbina odśrodkowa to turbina przepływu promieniowego, która jest主要用于w niektórych małych mocowych turbinach gazowych.

Turbina gazowa to maszyna spalinowa wewnętrznej spaliny, która używa ciągle przepływającego gazu jako płynu roboczego, aby napędzać wirnik do obrotów na wysokich prędkościach, przekształcając energię paliwa w przydatną pracę. Jest to wirnikowy silnik cieplny.

W głównym procesie przepływu powietrza i gazu w turbinie gazowej występuje tylko cykl turbiny gazowej składający się z trzech podstawowych elementów: kompresora, komory spalania i turbiny gazowej, co ogólnie nazywane jest prostym cyklem. Większość turbin gazowych używa schematu prostego cyklu.

Kompresor wdychuje powietrze z zewnętrznego środowiska atmosferycznego i stopniowo je kompresuje za pomocą osiowego kompresora przepływowego, aby zwiększyć ciśnienie, a temperatura powietrza również wzrasta zgodnie z tym; skompresowane powietrze wpada do komory spalania, mieszając się z wtryskiwanym paliwem, które spala się, tworząc gaz o wysokim ciśnieniu i temperaturze; następnie przechodzi do turbinę, gdzie rozszerza się i wykonywa pracę, napędzając turbinę, która napędza kompresor i zewnętrzny rotor obciążenia do obracania się na wysokiej prędkości, realizując częściowe przekształcenie energii chemicznej gazu lub ciekłego paliwa w pracę mechaniczną oraz generując energię elektryczną. Odpadające gazy wydobywane z turbiny są emitowane do atmosfery, aby naturalnie odpuszczać ciepło. W ten sposób turbinowanie gazowe przekształca energię chemiczną paliwa w energię cieplną, a następnie część tej energii cieplnej w energię mechaniczną. Zwykle w turbinie gazowej kompresor jest napędzany przez pracę rozszerzania turbinowania gazowego, co stanowi obciążenie turbin. W cyklu prostym około 1/2 do 2/3 pracy mechanicznej wytworzonych przez turbinę służy do napędu kompresora, a pozostałe 1/3 pracy mechanicznej służy do napędu generatora. Podczas startu turbiny gazowej potrzebna jest początkowa moc zewnętrzna. Ogólnie silnik startowy napędza kompresor, dopóki praca mechaniczna wytworzona przez turbinę nie będzie większa niż praca mechaniczna zużyta przez kompresor. Następnie silnik startowy jest wyłączone i turbinowanie gazowe może działać samodzielnie.