จากอากาศถึงพลังงาน: การเข้าใจเครื่องยนต์กังหันแก๊ส

หลักการทำงานของกังหันแก๊ส

เครื่องอัดอากาศ ซึ่งขับเคลื่อนโดยกังหัน จะดูดอากาศจากบรรยากาศอย่างต่อเนื่องและอัดอากาศเพื่อเพิ่มแรงดัน อากาศที่ถูกอัดจะเข้าสู่ห้องเผาไหม้ ผสมกับเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปและเกิดการเผาไหม้ เมื่อเป็นก๊าซเผาไหม้ที่มีอุณหภูมิสูงแล้ว ก็จะไหลเข้าสู่กังหันเพื่อขยายตัวและทำงาน เมื่อทำงานเสร็จแล้ว แรงดันของก๊าซเผาไหม้จะลดลงเหลือเท่ากับแรงดันบรรยากาศและปล่อยออกสู่บรรยากาศ

ดังนั้น ส่วนประกอบหลักสามส่วนของกังหันแก๊สคือ เครื่องอัดอากาศ ห้องเผาไหม้ และกังหัน

เครื่องอัดอากาศแบบกระแสตามแนวแกน มีใบพัดจำนวนมาก ซึ่งมีรูปร่างคล้ายใบพัดเรือ แต่แบ่งออกเป็น "ใบพัดหมุน" และ "ใบพัดนิ่ง" ใบพัดหมุนจะหมุนเหมือนใบพัดเรือ โดยผลักกระแสน้ำอากาศไปด้านหลังในขณะหมุน ในขณะนี้ แรงดันของกระแสน้ำอากาศจะเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิก็จะสูงขึ้นเช่นกัน

หน้าที่ของใบพัดแบบสถิตคือการชี้นำกระแสอากาศหมุนที่เกิดจากการทำงานของใบพัดแบบเคลื่อนที่กลับไปยังทิศทางตามแกนและเข้าสู่โรเตอร์ชุดถัดไปในมุมที่เหมาะสม โดยปกติแล้ว ชุดของใบพัดแบบเคลื่อนที่และชุดของใบพัดแบบสถิตจะถูกจัดเรียงสลับกัน และชุดของใบพัดแบบเคลื่อนที่และใบพัดแบบสถิตจะเรียกว่าสเตจ

นอกจากนี้ยังมีเครื่องอัดอากาศแบบรัศมี มันใช้แรงเหวี่ยงที่เกิดจากการหมุนของแฉกเพื่อผลักดันกระแสอากาศออกwards ซึ่งจะสร้างผลกระทบของการกดอากาศ เครื่องอัดอากาศแบบรัศมีเดี่ยวสามารถมีอัตราการบีบอัดเทียบเท่ากับหลายสเตจของเครื่องอัดอากาศแบบแกน ซึ่งเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับกังหันก๊าซขนาดเล็ก

ห้องเผาไหม้เปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานความร้อน โดยการอุ่นอากาศที่มีแรงดันสูงซึ่งถูกบีบอัดจากคอมเพรสเซอร์ให้มีอุณหภูมิสูง จากนั้นจึงขยายตัวในเทอร์ไบน์เพื่อทำงาน เชื้อเพลิงสามารถเป็นเชื้อเพลิงแบบของเหลว (เช่น น้ำมันเบนซิน) หรือเชื้อเพลิงแบบก๊าซ (เช่น ก๊าซธรรมชาติ)

ด้านหน้าของฝาครอบห้องเผาไหม้มีช่องทางอากาศเข้าที่นำไปสู่คอมเพรสเซอร์ และด้านหลังมีช่องปล่อยก๊าซร้อนที่นำไปสู่เทอร์ไบน์

หน้าที่ของเทอร์ไบน์คือการเปลี่ยนพลังงานในก๊าซเผาไหม้ที่มีอุณหภูมิและความดันสูงเป็นพลังงานกล

ปัจจุบัน เทอร์ไบน์ชนิดไหลตามแกนส่วนใหญ่มักถูกใช้งาน เนื่องจากมีลักษณะเด่นในเรื่องกำลังสูง การไหลจำนวนมาก และประสิทธิภาพสูง ส่วนเทอร์ไบน์ชนิดเหวี่ยงศูนย์เป็นเทอร์ไบน์ชนิดไหลแนวรัศมี ซึ่งถูกใช้งานในกังหันก๊าซขนาดเล็กบางประเภท

กังหันแก๊สเป็นเครื่องกำเนิดพลังงานจากการเผาไหม้ภายในที่ใช้ก๊าซไหลอย่างต่อเนื่องเป็นของเหลวทำงานเพื่อขับเคลื่อนใบพัดหมุนด้วยความเร็วสูง แปลงพลังงานของเชื้อเพลิงให้เป็นงานที่มีประโยชน์ เป็นเครื่องยนต์ความร้อนแบบใบพัดหมุน

ในกระบวนการหลักของการไหลของอากาศและก๊าซในกังหันแก๊ส จะมีแต่ cylce กังหันแก๊สที่ประกอบไปด้วยสามส่วนสำคัญ ได้แก่ เครื่องอัดอากาศ ห้องเผาไหม้ และกังหันแก๊ส ซึ่งโดยทั่วไปจะเรียกว่า cycle เรียบง่าย กังหันแก๊สส่วนใหญ่ใช้วิธีการ cycle เรียบง่าย

เครื่องอัดอากาศดูดอากาศจากสภาพแวดล้อมภายนอกและอัดอากาศทีละขั้นตอนผ่านเครื่องอัดอากาศแบบกระแสแกนเพื่อเพิ่มความดัน และอุณหภูมิของอากาศก็จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ; อากาศที่ถูกอัดจะถูกส่งเข้าไปในห้องเผาไหม้และผสมกับเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปเพื่อเผาไหม้สร้างก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงและความดันสูง จากนั้นก๊าซจะเข้าสู่เทอร์ไบน์เพื่อขยายตัวและทำงาน ขับเคลื่อนให้เทอร์ไบน์หมุน ซึ่งจะขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศและโรเตอร์โหลดภายนอกให้หมุนด้วยความเร็วสูง ทำให้พลังงานเคมีของเชื้อเพลิงก๊าซหรือของเหลวเปลี่ยนเป็นพลังงานกลบางส่วน และส่งออกพลังงานไฟฟ้า ก๊าซเสียที่ปล่อยออกมาจากเทอร์ไบน์จะถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศเพื่อปล่อยความร้อนอย่างธรรมชาติ ในลักษณะนี้ เครื่องยนต์ก๊าซจะเปลี่ยนพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานความร้อน และเปลี่ยนพลังงานความร้อนบางส่วนเป็นพลังงานกล โดยปกติในเครื่องยนต์ก๊าซ เครื่องอัดอากาศจะถูกขับเคลื่อนโดยการทำงานของการขยายตัวของก๊าซในเทอร์ไบน์ ซึ่งเป็นโหลดของเทอร์ไบน์ ในวงจรธรรมดาประมาณ 1/2 ถึง 2/3 ของพลังงานกลที่เกิดขึ้นจากเทอร์ไบน์จะถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศ และส่วนที่เหลืออีก 1/3 จะถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเริ่มต้นเครื่องยนต์ก๊าซ จะต้องใช้พลังงานภายนอกก่อน โดยทั่วไปแล้ว สตาร์ทเตอร์จะขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศจนกว่าพลังงานกลที่เกิดขึ้นจากเทอร์ไบน์จะมากกว่าพลังงานกลที่เครื่องอัดอากาศใช้ไป จากนั้นสตาร์ทเตอร์ภายนอกจะถูกตัดออกและเครื่องยนต์ก๊าซสามารถทำงานได้อย่างอิสระ