Różnica między turbiną gazową a turbiną parową

Turbina gazowa vs turbina parowa

Turbiny to klasa maszyn turbo wykorzystywanych do przekształcania energii płynącego płynu w energię mechaniczną za pomocą mechanizmów wirnika. Generalnie turbiny przetwarzają energię cieplną lub kinetyczną płynu w pracę. Turbiny gazowe i turbiny parowe to turbosprężarki termiczne, w których praca jest generowana na podstawie zmiany entalpii płynu roboczego; tj. energia potencjalna płynu w postaci ciśnienia jest przekształcana w energię mechaniczną.

W oparciu o kierunek turbin przepływowych są podzielone na turbiny przepływowe osiowe i turbiny przepływowe promieniowe. Technicznie turbina jest ekspanderem, który zapewnia wydajność pracy mechanicznej poprzez spadek ciśnienia, co jest odwrotnym działaniem sprężarki. W tym artykule skupiono się na typie osiowej turbiny przepływowej, która jest bardziej powszechna w wielu zastosowaniach inżynierskich.

Podstawowa konstrukcja osiowej turbiny przepływowej została zaprojektowana tak, aby umożliwić ciągły przepływ płynu podczas wydobywania energii. W turbinach cieplnych płyn roboczy o wysokiej temperaturze i ciśnieniu jest kierowany przez szereg wirników składających się z kątowych łopatek zamontowanych na obracającej się tarczy przymocowanej do wału. Pomiędzy każdym dyskiem wirnika zamontowane są stacjonarne łopatki, które działają jak dysze i kierują przepływem płynu.

Więcej informacji o turbinie parowej

Mimo że koncepcja wykorzystania pary do prac mechanicznych była stosowana od dawna, nowoczesna turbina parowa została zaprojektowana przez angielskiego inżyniera Sir Charlesa Parsonsa w 1884 r..

Turbina parowa wykorzystuje parę roboczą pod ciśnieniem z kotła. Przegrzana para wodna wchodząca do turbiny traci swoje ciśnienie (entalpia) przemieszczając się przez łopaty wirników, a wirniki poruszają wał, z którym są połączone. Turbiny parowe dostarczają moc z płynną, stałą prędkością, a sprawność cieplna turbiny parowej jest wyższa niż w przypadku silnika tłokowego. Działanie turbiny parowej jest optymalne przy wyższych obrotach.

Ściśle mówiąc, turbina jest tylko jednym elementem cyklicznego działania wykorzystywanego do wytwarzania energii, który idealnie jest modelowany przez cykl Rankine'a. Kotły, wymienniki ciepła, pompy i skraplacze są również elementami działania, ale nie stanowią części turbiny.

W dzisiejszych czasach głównym zastosowaniem turbin parowych jest wytwarzanie energii elektrycznej, ale na początku XX wieku turbiny parowe były wykorzystywane jako elektrownia dla statków i silników lokomotyw. Jako wyjątek, w niektórych morskich układach napędowych, w których silniki wysokoprężne są niepraktyczne, takich jak lotniskowce i okręty podwodne, silniki parowe są nadal używane.

Więcej o turbinie gazowej

Silnik turbiny gazowej lub po prostu turbina gazowa jest silnikiem spalinowym, wykorzystującym gazy takie jak powietrze jako płyn roboczy. Termodynamiczny aspekt działania turbiny gazowej idealnie modeluje cykl Braytona.

Silnik z turbiną gazową, w przeciwieństwie do turbiny parowej, składa się z kilku kluczowych elementów; są to sprężarka, komora spalania i turbina, które są montowane wzdłuż obracającego się wału, aby wykonywać różne zadania silnika spalinowego. Pobór gazu z wlotu jest najpierw sprężany za pomocą sprężarki osiowej; który wykonuje dokładne przeciwieństwo prostej turbiny. Gaz pod ciśnieniem jest następnie kierowany przez stopień dyfuzora (dysza rozbieżna), w którym gaz traci prędkość, ale dalej zwiększa temperaturę i ciśnienie.

W następnym etapie gaz wchodzi do komory spalania, gdzie paliwo jest mieszane z gazem i zapalane. W wyniku spalania temperatura i ciśnienie gazu rosną do niewiarygodnie wysokiego poziomu. Gaz ten przechodzi następnie przez sekcję turbiny, a po przejściu wytwarza ruch obrotowy do wału. Turbina gazowa średniej wielkości wytwarza prędkości obrotowe wału sięgające 10 000 obr / min, podczas gdy mniejsze turbiny mogą wytwarzać 5 razy więcej.

Turbiny gazowe mogą być wykorzystywane do wytwarzania momentu obrotowego (przez obracający się wał), ciągu (przez wydech gazu o dużej prędkości) lub obu jednocześnie. W pierwszym przypadku, podobnie jak w turbinie parowej, praca mechaniczna dostarczana przez wał jest jedynie przekształceniem entalpii (ciśnienia) gazu o wysokiej temperaturze i ciśnieniu. Część pracy wału służy do napędzania sprężarki przez mechanizm wewnętrzny. Ta forma turbiny gazowej jest używana głównie do wytwarzania energii elektrycznej oraz jako elektrownie do pojazdów takich jak zbiorniki, a nawet samochody. Zbiornik US M1 Abrams wykorzystuje silnik turbiny gazowej jako elektrownię.

W drugim przypadku gaz pod wysokim ciśnieniem jest kierowany przez zbieżną dyszę w celu zwiększenia prędkości, a ciąg jest wytwarzany przez gazy spalinowe. Ten typ turbiny gazowej jest często nazywany silnikiem odrzutowym lub silnikiem turboodrzutowym, który napędza wojskowe samoloty myśliwskie. Turbofan jest zaawansowanym wariantem powyższego, a kombinacja zarówno ciągu, jak i generacji pracy jest stosowana w silnikach turbośmigłowych, w których praca wału służy do napędzania śmigła.

Istnieje wiele wariantów turbin gazowych przeznaczonych do określonych zadań. Są one preferowane w stosunku do innych silników (głównie silników tłokowych) ze względu na ich wysoki stosunek mocy do masy, mniej wibracji, wysokie prędkości pracy i niezawodność. Ciepło odpadowe jest rozpraszane prawie całkowicie jako spaliny. W wytwarzaniu energii elektrycznej ta odpadowa energia cieplna jest wykorzystywana do zagotowania wody w celu uruchomienia turbiny parowej. Proces ten znany jest jako wytwarzanie energii w cyklu kombinowanym.

Jaka jest różnica między turbiną parową a turbiną gazową?

• Turbina parowa wykorzystuje parę wysokociśnieniową jako płyn roboczy, podczas gdy turbina gazowa wykorzystuje powietrze lub inny gaz jako płyn roboczy.

• Turbina parowa jest w zasadzie ekspanderem dostarczającym moment obrotowy jako moc wyjściową, podczas gdy turbina gazowa jest połączonym urządzeniem sprężarki, komory spalania i turbiny wykonującym cykliczną pracę w celu zapewnienia pracy jako momentu obrotowego lub ciągu.

• Turbina parowa jest tylko elementem wykonującym jeden krok cyklu Rankine'a, podczas gdy silnik turbiny gazowej wykonuje cały cykl Braytona.

• Turbiny gazowe mogą dostarczać moment obrotowy lub ciąg jako moc wyjściową, podczas gdy turbiny parowe prawie cały czas dostarczają moment obrotowy jako moc wyjściową.

• Wydajność turbin gazowych jest znacznie wyższa niż turbiny parowej ze względu na wyższe temperatury robocze turbin gazowych. (Turbiny gazowe ~ 1500 0C i turbiny parowe ~ 550 0C)

• Przestrzeń wymagana dla turbin gazowych jest znacznie mniejsza niż praca turbiny parowej, ponieważ turbina parowa wymaga kotłów i wymienników ciepła, które należy podłączyć zewnętrznie w celu dodawania ciepła.

• Turbiny gazowe są bardziej uniwersalne, ponieważ można zastosować wiele paliw, a płyn roboczy, który należy podawać w sposób ciągły, jest łatwo dostępny wszędzie (powietrze). Z drugiej strony turbiny parowe wymagają do pracy dużych ilości wody i powodują problemy w niższych temperaturach z powodu oblodzenia.