Od vzduchu po energiu: Pochopenie plynového turbínového motoru

Pracovný princíp plynového turbíny

Kompresor, otočený turbínou, neustále vdsáva vzduch z atmosféry a zvyšuje jeho tlak. Stažený vzduch vstupuje do spalovaciej komory, kde sa mieša s palivom a spaľuje. Po stánovaní na vysokoteplých spalovacích plynov prechádza do turbíny, kde sa rozširuje a vykonáva prácu. Po vykonaní práce klesne tlak spalovacích plynov na atmosférickú úroveň a vypúšťa sa do atmosféry.

Teda sú tri hlavné časti plynovej turbíny: kompresor, spalovacia komora a turbína.

Osový kompresor má mnoho lopatiek, ktoré majú tvar podobný lopatkám vrtuľníka, ale sú rozdelené na „otočné lopatky“ a „stacionárne lopatky“. Otočné lopatky sa otáčajú ako vrtule, strkajúc vzduch dopredu počas rotácie. V tomto momente sa zvýši tlak vzduchu a tiež narastie jeho teplota.

Funkciou nehybných lopatiek je viesť rotujúci vzduchový tok, ktorý vznikol pôsobením pohyblivých lopatiek, späť do axiálneho smeru a zaviesť ho do nasledujúceho súboru rotorov v správnom uhle. Obvykle je nastavené jedno súbor pohyblivých lopatiek a jeden súbor nehybných lopatiek striedavo, a jeden súbor pohyblivých lopatiek a jeden súbor nehybných lopatiek sa nazýva štág.

Okrem toho existuje aj radiálny kompresor. Používa centrifugálnu silu vyvolanú rotáciou vodicu na odstránenie vzduchového toku von, čím sa dosiahne tlakový efekt. Jednštágový radiálny kompresor môže mať stupňovaciu pomeru niekoľkých štágov axiálnych kompresorov, čo je dobrá voľba pre menšie plynové turbíny.

Spalovací komora prevádza chemickú energiu paliva na tepelnú energiu, ktorá ohrije vysokoťačné vzduch stlačený kompresorom na vysokú teplotu, aby mohol byť rozšírený v turbíne na vykonanie práce. Palivo môže byť kapalné palivo (ako benzin) alebo plynové palivo (ako zemný plyn).

Pred obalkou spalovacej komory je vzduchový vstup vedúci do kompresoru a za ním je výstup horkého plynu vedúci do turbíny.

Úlohou turbíny je previesť energiu vysokoťačného a vysokoteplného spalovacieho plynu na mechanickú energiu.

V súčasnosti sa používajú predovšetkým osotné turbíny, ktoré sú známe svojou vysokou mocnosťou, veľkým prietokom a vysokou účinnosťou. Centrifugálna turbína je radiálne prúdová turbína, ktorá sa využíva hlavne v niektorých malomocných plynových turbínach.

Gazový turbínový motor je vnitrozápalová energická strojní jednotka, ktorá používa neustále tekúci plyn ako pracnú hmotu na pohánanie rotácie vrtuľa vysokou rýchlosťou, pričom prevádza energiu paliva na užitočnú prácu. Je to rotujúci vrtuľový tepelný motor.

V hlavnom procese vzduchu a plynu v gazovom turbine sa nachádza len cyklus gazového turbine, ktorý skladá z troch hlavných komponentov: kompresora, spalovacej komory a gazového turbine, čo sa obvykle nazýva jednoduchý cyklus. Väčšina gazových turbine používa schému jednoduchého cyklu.

Kompresor vdsaje vzduch z vonkajšieho atmosférického prostredia a postupne ho komprimuje cez osový tokový kompresor na zvýšenie tlaku, pričom sa tiež zvyšuje teplota vzduchu; komprimovaný vzduch je potom namätený do spalovacej komory, kde sa zmieša so spritovaným palivom a spáli, aby vytvoril vysoko-teplú a vysoko-tlakovú plynovú hmotu; následne vstupuje do turbíny, aby sa rozšíril a vykonával prácu, čo pohania turbínu, ktorá pohania kompresor a vonkajší nosný rotor na vysokých otáčkach, čím sa realizuje čiastočná prevod chemickej energie plynového alebo kapalného paliva na mechanickú prácu a výstup elektrickej práce. Výfukové plyny odísťajúce z turbíny sú vypustené do atmosféry na prirodzené odtlačenie tepla. Týmto spôsobom plynová turbína prevedie chemickej energie paliva na tepelnú energiu a časť tejto tepelnej energie na mechanickú energiu. Obvykle v plynovej turbíne je kompresor pohánaný pracou rozšírenia plynovej turbíny, ktorá je záťažou turbíny. V jednoduchom cykle asi 1/2 až 2/3 mechanickej práce vyprodukowanej turbínou sa použije na pohon kompresora, a zostávajúcich 1/3 mechanických práce sa použije na pohon generátora. Keď sa spustí plynová turbína, je potrebná vonkajšia energia. Obvykle startér pohania kompresor, kým mechanická práca vyprodukovaná plynovou turbínou nie je väčšia ako mechanická práca spotrebovaná kompresorom. Potom sa odpojí vonkajší startér a plynová turbína môže pracovať nezávisle.