A gázturbina , pontosabban az égésturbina (TAC) egy forgó termodinamikai gép, amely a belső égésű motorok családjába tartozik .
Egy ilyen turbinát vagy munka előállítására használnak, egy tengely forgó meghajtásával , amely ipari géphez vagy propellerhez ( például helikopterhez vagy propfanhoz ) van csatlakoztatva, vagy meghajtáshoz a turbina kimenetén lévő gázok kiterjesztésével fúvóka , mint egy sugárhajtóműben .
A legtöbb hőmotorhoz , legyen az szárazföldi, tengeri vagy légi, a gázturbina is oxidálószerként használja fel a környező levegőben lévő oxigént . Három egymást követő fázisban átalakítja a gázkeveréket:
Ezután a turbina mozgási energiája munkává alakul, aminek következtében a tengelye gyorsan forog, és felhasználható mechanikai teljesítményt produkál (mint egy turbótengelyben vagy turbopropellérben ).
A francia neve „ gáz turbina ” zavaró lehet. Valóban, az ilyen típusú gép használhat gáz-halmazállapotú tüzelőanyaggal ( földgáz , a bután , a propán , kokszolókemence-gáz , stb ), vagy folyékony tüzelőanyag, a leginkább illékony ( benzin , alkohol , áthalad a kerozin vagy a hazai fűtőolaj ), hogy viszkózusabb üzemanyagok ( nehéz vagy maradék fűtőolajok , sőt nyersolaj ). A név turbinamotorban elkerüli ezt a kétértelműséget.
A "gázturbina" elnevezés az üzemanyag-oxidálószer keverék égésbe kerülő gáznemű tulajdonságára ( angolul gáz ) utal, szemben a gőzturbinákkal , amelyekben a hajtófolyadék ( vízgőz , angolul gőz ) folyadékká kondenzálódik .
A sugárhajtóművek alkotja egy adott belső égésű turbina amely felhasználja az elvét reakció meghajtásához bizonyos típusú légi járművek a szubszonikus vagy szuperszonikus tartományba .
A belső égésű turbina egy hő motor végző különböző szakaszaiban a termodinamikai ciklus az egymást szervek keresztez egy gáznemű vezetési folyadék folyamatos áramlását. Ez alapvető különbség a dugattyús motorokhoz képest , amelyek ugyanabban a szervben (általában egy hengerben) fázisok időbeli egymásutánját hajtják végre.
A legegyszerűbb formájában az égésturbina az úgynevezett Joule- ciklus szerint működik, amely egymás után és sematikusan tartalmazza:
A hatékonyság a hasznos munka (az expanziós munka mínusz a kompressziós munka) és a forró forrás által szolgáltatott hő aránya. Az elméleti hatékonyság a kompressziós arány és az égési hőmérséklet függvényében növekszik . Magasabb, mint a dízel ciklusé, mert a tágulása nem rövidül meg, és ha a kipufogócsatorna jól megtervezett, lehetővé teszi a turbina lapátjait elhagyó forró gázok kinetikus energiájának nem elhanyagolható részét .
Az égésturbina leggyakrabban nyílt ciklusú és belső égésű. Ebben az esetben a hűtési fázis a gépen kívül van, és a légkörrel keveredve megy végbe. Az égésturbina zárt ciklusú és külső égésű is lehet. A fűtést és a hűtést hőcserélők biztosítják . Ez a bonyolultabb elrendezés lehetővé teszi meghatározott gázok alkalmazását, vagy a környezettől eltérő alacsony nyomáson történő munkát.
A fent leírt alapciklust különböző komplementer szervek javíthatják:
Az utolsó két rendelkezés célja, hogy az adiabatikus helyett az izoterm átalakulásokra törekedjen , és mindenekelőtt a magas tömörítési arányú gépeken indokoltak . A három eszköz önállóan vagy egyszerre lehet jelen. Ebben az esetben megtaláljuk az Ericsson ciklust, amelynek a Stirling ciklushoz hasonlóan elméleti hatékonysága megegyezik a Carnot ciklus maximális hatásfokával . Ezt az elméleti fölényt az Otto és a Diesel ciklusokkal szemben azonban ellensúlyozza az izoterm átalakítások gyakorlati lehetetlensége. A gáz / gázcserélők mérete és súlya miatt ezek az eszközök minden esetben helyhez kötött létesítményekhez vannak fenntartva.
Lásd a szemközti képet.
Az indításhoz indítómotort (" M ") használnak, amely indítóként működik; bizonyos konfigurációkban magát a generátor generátorát használják motorként az indítási szakaszban.
A teljesítmény beállítható a belépő levegő áramlási sebességével és az üzemanyag befecskendezésével. A forgási sebesség csak akkor állítható be, ha a hajtott alkatrész ezt megengedi. Valójában egy elektromos hálózathoz rögzített frekvenciával (például 50 vagy 60 Hz ) csatlakoztatott generátor esetében ez a frekvencia szintén rögzített sebességet ír elő: az üzemanyag-áramot ezután a szabályozó rendszer úgy állítja be, hogy l a villamosenergia-hálózat által igényelt energia.
Egyes gépeknél, különösen a modern nagy teherbírású gépeknél, a terhelést a kompresszor oldalán lévő tengely hajtja, ami lehetővé teszi, hogy egy nagyon hatékony diffúzort egy vonalban helyezzenek el a forró gázok kimeneténél, mielőtt a kéménybe vagy a kazán. Ez szintén lehetővé teszi a turbina relatív beállításának, valamint a csoport hideg és meleg állapota közötti terhelés problémájának jelentős csökkentését.
Működéséhez a fentiekben ismertetett kompresszor-turbina szerelvénynek olyan kiegészítő alkatrészekre van szüksége, mint az indító és forgató rendszerek , Olajszivattyúk kenése, nagynyomású olajszivattyúk szabályozása, Csapágyemelő szivattyúk és fordulatszivattyúk, kiegészítő hajtómű, porlasztó levegő kompresszor, hűtővíz-szivattyúk, porlasztó olaj- és léghűtőfolyadékok, üzemanyag-szivattyúk, üzemanyag-szabályozó szelepek (folyékony és / vagy gázneműek), léghűtők ... A gép típusától függően ezeknek az alkatrészeknek némelyikét a segédberendezés mechanikusan hajtja sebességváltóval , vagy villanymotorral.
Az égésturbina alacsony hatásfoka (25–35% annak a ténynek köszönhető, hogy mint egy dugattyús motorban, az üzemanyag által szolgáltatott energia egy része a kompresszor meghajtásához, a másik pedig a hő kiesett a kipufogógázokban. Lehetséges a hatékonyság enyhe javítása az égéstér hőmérsékletének (több mint 1200 ° C ) növelésével, de szembesülünk a turbina rész gyártásához használt anyagok ellenállásának problémájával. A kipufogógázok hőjének visszanyerésével a gép teljes hatékonysága meghaladhatja az 50% -ot. A kipufogógázokból származó hő ( 500 ° C felett ) ezt követően gőz előállítására szolgál kazánban vagy fűtésre .
A turbina hatékonyságának növelésének másik lehetősége az, hogy a sűrítési szakaszból kilépő gázokat (az égéstér előtt) úgy melegítjük, hogy a kipufogógáz-áramlásban elhelyezett hőcserélőn át vezetjük őket. Így közel vagyunk egy félgyors dízelmotor hatékonyságához . Ez például a működési elve a WR21 turbina (en) a Rolls-Royce .
A keletkező gőzt ezután kétféleképpen használják fel:
Gázturbinákat gyártunk, amelyek teljesítménye néhány kilowatttól több száz megawattig terjed.
A gyártók jelentős erőfeszítéseket tettek a gázturbinák által okozott légszennyezés korlátozására , különösen azáltal, hogy csökkentik a nitrogén-oxid (NO x ) kibocsátását , ha az égési hőmérséklet meghaladja az 1300 ° C-ot . Ezt a hőmérsékletet úgy lehet szabályozni, hogy vizet vagy vízgőzt injektálunk az égési rendszerbe.
A földgáz (általában kevés ként tartalmazó ) vagy kénmentes folyékony üzemanyag használata alacsonyabb kén-dioxid- kibocsátást (SO 2 ) tesz lehetővé; speciális injektorokkal ellátott speciális égőkamrák alacsony szén-monoxid- kibocsátást (CO) tesznek lehetővé . Az alacsony kibocsátású modelleket többnyire a fejlett országok telepítik, míg a kevésbé kifinomult kialakítású és alacsonyabb költségű (telepítés és karbantartás) gázturbinákat a fejlődő országok részesítik előnyben.
Az égésturbina nagyban hozzájárul a jelenlegi motorokhoz. Könnyűségük előnye a repülésben való felhasználásukat követeli meg , míg a nagy teljesítményűek (villamosenergia-termelés) területén a kombinált ciklusokhoz való alkalmazkodásukkal vagy a nagyon hatékony kapcsolt energiatermeléssel jelennek meg .
A dugattyús motorok súlya és mérete miatt régóta körülbelül 10 MW teljesítményre korlátozódott . A Wärtsilä-Sulzer 14RT-flex96C motor 2008-ban elérte a 84,42 MW-ot , de olyan méretekkel, hogy csak álló vagy nagyon nagy hajókon (tartályhajókon, konténerszállító hajókon stb. ) Használható . Másrészt, tekintettel a nagyon lassú forgási sebességre, elég könnyen modulálható.
A kompressziós fázist axiális vagy centrifugális légkompresszor végzi. A tömörítési munkát csökkenthetjük, ha vizet szórunk a bemeneti nyílásba. A sűrített levegőt három áramra osztják:
Ellentétben a dugattyús motor, az égési gázturbina folytonos és ezért szükséges, hogy korlátozza a hőmérsékletet egy elfogadható érték anyagok egy nagy légfelesleg ( 1300 ° C névleges a 2000 ° C-on rövid tip). Ez nagyon bünteti a maximális 4500 ° C körüli hatékonyságot, amely hőmérsékleten az NOx termelése nem elhanyagolható (ugyanez a probléma fennáll a dugattyús motoroknál is).
Néhány gép gőz injekciót az égési termékeket a beömlésnél a turbina, azzal a céllal, hogy növeljük az áramlási sebességet, és ezért annak erejét. A gőzt a kipufogógáz által fűtött visszanyerő kazán állítja elő. Valójában egyszerűsített kombinált ciklusról van szó . A gőzbefecskendezés lehetővé teszi a kipufogógáz nitrogén-oxid- tartalmának (NOx) korlátozását is.
A tengelyes típusú turbina általában egy vagy több tágulási fokozatot tartalmaz. A gőzturbinákkal ellentétben ezek mindig reakcióturbinák. A gázturbinák két fő típusa különböztethető meg:
A második, összetettebb elrendezés jobb működést tesz lehetővé részleges és változó terhelés mellett, ez a helyzet a szivattyúk vagy kompresszorok ( olaj- vagy gázvezetékek ) meghajtására vagy meghajtására szánt motoroknál . Az egytengelyes turbinák alkalmasak állandó sebességgel és nagyobb terheléssel zajló villamosenergia-termelésre.
A turbina megvalósítása és különösen az első szakasz, amely az égési rendszer mögött helyezkedik el, kohászati problémákat vet fel a magas hőmérséklethez, a tágulásból és a mozgólapátokra kifejtett centrifugális erőhöz kapcsolódó feszültségekhez kapcsolódóan. Magas ötvözetű acélok (Cr-Ni-Va) alkalmazását és energikus hűtést igényel a kompresszorból vett töltőlevegővel. A kerámiaanyagok és az egykristályok használata lehetővé tette a hőmérséklet emelését a 2010-es évek óta.
Noha elméletileg jobb, mint a dízelmotor , az égésturbinának a gyártása technikai korlátai miatt súlyos korlátai vannak. Ezek a fő korlátozások a következők:
Az ilyen típusú gépekben rejlő előnyök a következők:
A gázturbinák alkalmazásai közvetlenül sajátos előnyeikből származnak. Így a nagy fajlagos teljesítmény jól alkalmazkodik a repülési meghajtáshoz, különösen repülőgépeken ( turbógépek és turbopropellátoros motorok ) és helikoptereken . A haditengerészeti meghajtás gázturbinákat is használ, különösen nagy sebességű hajókhoz (gyors kompok, fregattok, repülőgép-hordozók). Végül, vannak példák vasúti meghajtásra, mint "turbotrains" SNCF ( Element gázturbina és Rame gázturbina , 1972 és 2004 között használták Franciaországban) és katonai járművek, például harckocsik támadása ( T-80 vagy M1 Abrams ).
Másrészt az égésturbina rosszul alkalmazható közúti járművekhez. Valóban, a terhelés és a sebesség ingadozása túl nagy és túl gyors ahhoz, hogy megfelelő kimenettel érhető el. Ezenkívül a hatékonyság alig éri el a 30% -ot a kompakt és kis teljesítményű motoroknál, míg a jelenlegi dízel meghaladja a 40% -ot. Másrészt megújult érdeklődést tapasztalhatnak a hibrid meghajtási láncok iránt, különösen a nehéz tehergépjárművek iránt, ahol a hőcserélők (különösen a kipufogó rekuperátor) telepítése kevésbé problémás .
A gázturbinák másik fő felhasználási területe az áramtermelés . Valójában ezek állandó forgási sebességgel és vagy viszonylag állandó terhelés mellett olyan alkalmazások, amelyeknél ezeknek a gépeknek a hatékonysága a legjobb az úgynevezett "alap" rendszerben használt gépeknél, vagy éppen ellenkezőleg, nagyon változó terhelés mellett. a hálózati biztonsági mentésben használt gépek, amelyeknél a hálózati biztonság fontosabb, mint a teljesítmény. A teljesítmény néhány száz kW és több mint 300 MW között változik . A legerősebb gépeket általában társított gőzturbina a kombinált ciklusú , hogy a teljesítményét az üzem jelenleg meghaladja (2016-ban) 62%, azzal a képességgel, hogy vegye figyelembe a gyors változások a teljesítmény pillanatnyi szél gépek (például a hirtelen szélváltozás esetén) vagy fotovoltaikus parkok (például áthaladó felhők esetén). Egyetlen ciklusban a hatékonyság nagyságrendileg 30-35% vagy még nagyobb nagyságú gépeknél. Kis teljesítmény mellett a hatékonyság még nem éri el a 30% -ot, de az égésturbinák alkalmasságát ezután hőtermelésre használják fel kapcsolt energiatermelésben (egyidejű villamos energia és hő előállítása) vagy kombinált ciklusú alkalmazásokban (gőz előállítása, amely gőzturbinát hajt, amely generátort is megfordít).
A turbófeltöltő (az autóiparban általában "turbó") kifejezésnek két jelentése van:
A turbó ezért kijelöli az egész TURBINE-t, amelyet egy dugattyús motor kipufogógázai működtetnek, és amelynek munkájával a tengelyén egy "centrifugális" KOMPRESSZOR működtethető, amely összenyomja a motor beszívott levegőjét. Ez az eszköz a hagyományos motor jelentős javulását jelenti, különös tekintettel a következő pontokra:
A turbófeltöltős motor ezért dugattyús motort és egy mini gázturbinát kombinál (itt az inert kipufogógázok helyettesítik a nyomás alatt lévő gőzt a turbina meghajtásához), amely maga egy mini centrifugális légkompresszort hajt a tengelyén a motor meghajtására. Tehát ez további beáramló gáz (levegő) ellátást indukál anélkül, hogy bármilyen energiát használna magának a motornak. A turbina-kompresszor vagy a turbófeltöltő-pár működtetéséhez hasznos energiát a kipufogógáz-kimenetből veszik (turbófeltöltő nélküli motoron vesznek el). Ezért csökken a zaj a kipufogócső kimeneténél, mert a gázok (elveszett) energiáját, nyomását elnyelte és felhasználta a turbófeltöltő.
Az égésturbina bevezetése a beszívott levegő kompresszoraként még mindig további energiát biztosít, de sok üzemanyagot fogyaszt és csökkenti a szerelvény hatékonyságát.
A francia Leclerc tartályon egy helikopter-turbina fut párhuzamosan a motorral, hogy a sűrített beszívott levegőt nagy mennyiségben juttassa a dugattyúkba. Autonóm, és már nem a kipufogógázok (elveszett) ereje hajtja, bár ezeket visszaforgatják a turbinába a folyamat és ezáltal az általános hatékonyság javítása érdekében. A turbina üzemi teljesítményét ugyanazzal az üzemanyaggal kapja meg, mint a tartály dugattyús motorja, a dízelüzemanyag (az aeronautikában a turbógépekben és a gázturbinákban üzemanyagként használt kerozin - propeller turbopropeller motorok és helikopterek) dízelnek tűnik, ha nem különbözik a finomításban ami többek között jobb ellenállást nyújt a nagy magasságban tapasztalt rendkívül alacsony hőmérsékletekkel szemben, az üzemanyagnak repülés közben nem kell megfagynia a tartályokban). A közös tüzelőanyag tehát táplálja az égésturbinát (előmelegített dízel-köd befecskendezésével) és a dugattyús motort, ezáltal megduplázva annak tényleges teljesítményét.
A turbófeltöltő fő problémája megegyezik a többi gázturbinával, nevezetesen az alacsony terhelésű vagy átmeneti üzemmódban történő működés irányításával. Ez nagymértékben megoldódott az úgynevezett „változó geometriájú” turbófeltöltőknek, amelyek a kerekeken rögzített pengékkel vannak felszerelve, de az áramlási folyosókon változó geometriájúak. Ez lehetőséget nyújt a kimeneti áramlás változtatására a kompresszor kerék változó forgási sebessége által generált változó áramlás függvényében (amely alacsony motorfordulatszámnál alacsony). Más szavakkal, mintha egy víztömlő végét csípné: a vízsugár erősebb és élesebb lenne, míg a tömlőben a víz áramlása ugyanaz (gyenge) maradna.
Magas fajlagos teljesítményüknek és teljesítménysűrűségüknek köszönhetően a kis turbinákat helikopterek és autók hajtására használják. Néhány vonatot ( Turbotrain ) RTG és ETG, de tankokat , hajókat is ... közepes teljesítményű gázturbinákon hajtanak meg. A sugárhajtóművek és turbólégcsavaros hajtóművek vannak használt gázturbina repülés hatalomra repülőgép modern és gyors.
Az olaj- és gázipar gázturbinákat használ a csővezetékek szivattyúinak és a gázvezetékek kompresszorainak meghajtására.
A nagy teljesítményű (> 1 MW) égésturbinát elsősorban egy generátor meghajtására és áramtermelésre használják. Csökken a gázturbinákkal felszerelt erőművekhez szükséges infrastruktúra és mélyépítés, ami lehetővé teszi egy erőmű telepítését néhány hónap alatt a villamos energia felhasználási helyéhez (város, gyár) vagy az üzemanyag forrásához közel ( fúrás, finomító stb.). A turbinát és a generátort kompakt és komplett modulok formájában küldik, amelyek egyszerűen összeállítják és csatlakoznak a hálózatokhoz olyan éghajlaton, ahol a külső hőmérséklet -40 és 50 ° C között változhat . Az égésturbinás erőművek egyik előnye a beindítás és az energiatermelés csökkentett ideje; az elektromos elosztóhálózat üzemeltetője így könnyen módosíthatja a termelési kapacitást, hogy alkalmazkodjon a fogyasztás változásaihoz, vagy alkalmazkodjon a napelemes létesítmények (felhők) vagy szélturbinák (a szél leadásához) termelésének változásaihoz.
Az égésturbina-generátor telepítéséhez kapcsolt energiatermelő létesítmény is társulhat annak érdekében, hogy visszanyerje a kipufogógázban lévő nagy mennyiségű energiát (a felhasznált energia körülbelül 50-65 % -a). Az ilyen típusú fő alkalmazás abból áll, hogy ezeket a gázokat forró víz vagy gőz előállításával, esetleg egy utóégetéses alagúton való áthaladás után, visszanyerő kazánba juttatják.