Gaasiturbiin: definitsioon, tööpõhimõte ja kasutusalad

Avasta gaasiturbiinide definitsioon, tööpõhimõte ja kasutusalad — kuidas kompressor, põlemiskamber ja turbiin töötavad ning kus neid rakendatakse.

Gaasiturbiin, mida nimetatakse ka sisepõlemisturbiiniks, on sisepõlemismootori tüüp. Kõige lihtsamal kujul koosneb gaasiturbiin kolmest põhiosast:

• pöörlev gaasikompressor (joonisel SP) õhu kokkusurumiseks
• põlemiskamber, mida nimetatakse põletuskambriks (joonisel KS), kuhu kütust sissepritsitakse ja kus toimub põlemine
• Turbiin (joonisel TG), mis asub kompressoriga samal võllil ja muundab kõrge temperatuuri ja rõhuga gaasid mehaaniliseks tööks

Joonisel on kujutatud ühe võlliga gaasiturbiin. Üks turbiin ajab nii kompressorit kui ka koormust, näiteks elektrigeneraatorit. On olemas ka kahe võlliga gaasiturbiinid, mille puhul on eraldi turbiinid, mis ajavad kompressorit ja koormust. Kahe võlliga turbiinid on sobivamad maantee- ja raudteesõidukite liikumapanemiseks, sest nad suudavad anda rohkem pöördemomenti madalal kiirusel.

Tööpõhimõte (lühiülevaade)

Gaasiturbiin töötab tavaliselt Braytoni tsükli põhimõttel: välisõhk võetakse sisse, kompressoris kokkusurutakse, seejärel segatakse kokkusurutud õhuga kütus ja põletatakse põletuskambris. Kuuma ja kõrgsurvegaasi vool juhitakse turbiini, kus gaasid paisuvad ja annavad oma energia turbiinilabadele. Turbiinilt saadud mehaaniline energia pöörleb võlli ja kannab osa energiast kompressori käitamiseks ning ülejäänud osa koormusele (näiteks generaatorile või propellerile).

Tüübid ja konfiguratsioonid

• Ühe võlliga turbiin – kompressor ja koormus on samal võllil; lihtne konstruktsioon ja kompaktne lahendus elektritootmiseks ja lennukite abiseadmetes.
• Kahe võlliga (või mitme võlliga) turbiin – eraldi võllid kompressori ja töökoormuse jaoks; võimaldab paremat käitumist madalatel pööretel ning paindlikumat jõuülekannet transpordisüsteemides.
• Avatud ja suletud tsükkel – enamik lennunduse ja elektritootmise turbiine töötab avatud tsükliga (gaasid väljuvad atmosfääri), kuid spetsiaalsed rakendused (nt tööstuslikud topelttsüklid) võivad kasutada suletud ringi ja külma kandjat.

Kasutusalad

Gaasiturbiine kasutatakse laialdaselt tänu kõrgele võimsuse-tihedusele ja suhteliselt väikesele massile:

• Elektritootmine – tipukoormuse generaatorid, kombineeritud soojus- ja elektrijaamad (CHP).
• Lennundus – turbiinmootorid (reaktori ja propulsiooni süsteemid) on lennukite peamised tõukejõuallikad.
• Merendus – laevamootorid ja veesõidukite abisüsteemid.
• Tööstuslikud mehhanismid – torupumbad, suruõhu tootmine, kompressorid ja muude suurte masinate käitamine.
• Transpordisüsteemid – spetsiaalsed turbodiisel- või gaasiturbiinid rongides ja sõidukites.

Täiustused ja parendused

Gaasiturbiinide efektiivsust ja tööomadusi parandatakse mitmete meetoditega:

• Rekuperatsioon/soojusvahetus – väljuva kuuma gaasi soojuse kasutamine sisselasketööks, et parandada termilist tõhusust.
• Vahejahutus ja mitmeastmeline kompressioon – vähendavad töötemperatuuri ja suurendavad efektiivsust.
• Taasküte (reheat) – gaasi uuesti kuumutamine enne järgmist turbiiniastet, suurendades töövõimsust.
• Materialitehnoloogia – kõrgtemperatuurilised sulamid ja termokatted võimaldavad töötada kõrgematel temperatuuridel, tõstes efektiivsust.

Keskkond, kütused ja hooldus

Gaasiturbiinid võivad töötada erinevatel kütustel: maagaas, vedelkütused (diisel, kerosine), biogaas ja mõnel juhul ka vesinik. Emissioonide vähendamiseks kasutatakse madala NOx süüteid, katalüsaatoreid ja heatehnoloogiat. Turbiinide hooldus ja ülevaatused on tähtsad töökindluse ja ohutuse tagamiseks — eriti labade, laagrikohtade ja põletuskambrite kontroll.

Eelised ja piirangud

• Eelised: kõrge võimsuse ja massi suhe, kiire käivitumine ja sujuv pöörlev jõud, sobiv tipukoormuse ja mobiilsete rakenduste jaoks.
• Piirangud: madalam osaenergiaefektiivsus võrreldes mõne teise mootoritüübiga (eriti osakoormusel), tundlikkus kütuse kvaliteedile ning kõrgemad esialgsed kulud tehnoloogia ja materjalide tõttu.

Kokkuvõtlikult on gaasiturbiin mitmekülgne ja võimas masin, mis leiab rakendust nii energeetikas, transpordis kui ka tööstuses. Valik ühe- või kahevõllilise lahenduse vahel ja erinevad täiustused sõltuvad konkreetsest kasutusotstarbest, nõudest pöördemomendi ja kiiruse suhtes ning efektiivsuse ja emissioonide piirangutest.

Küsimused ja vastused

K: Mis on gaasiturbiin?

K: Millised on gaasiturbiini kolm peamist osa?

K: Mis on gaasiturbiini pöörleva gaasikompressori eesmärk?

K: Mis on gaasiturbiinis põleti?

K: Mis on gaasiturbiini turbiini eesmärk?

K: Mis on ühe võlliga gaasiturbiin?

K: Mis on kahe võlliga gaasiturbiin?

Otsing