Газова турбина срещу парна турбина
Турбините са клас турбо машини, използвани за преобразуване на енергията в течаща течност в механична енергия чрез използване на роторни механизми. Турбините, като цяло, преобразуват топлинната или кинетичната енергия на флуида в работа. Газовите турбини и парните турбини са термични турбо машини, при които работата се генерира от промяната на енталпията на работния флуид; т.е. потенциалната енергия на течността под формата на налягане се преобразува в механична енергия.
Въз основа на посоката на потока на течността турбините се категоризират на турбини с аксиален поток и турбини с радиален поток. Технически турбината е разширител, който доставя механична работа чрез намаляване на налягането, което е противоположна операция на компресора. Тази статия се фокусира върху типа турбина с аксиален поток, която е по-често срещана в много инженерни приложения.
Основната структура на турбина с аксиален поток е проектирана да позволява непрекъснат поток от течност, докато извлича енергията. В термичните турбини работният флуид при висока температура и налягане се насочва през серия от ротори, състоящи се от ъглови лопатки, монтирани върху въртящ се диск, прикрепен към вала. Между всеки диск на ротора са монтирани неподвижни лопатки, които действат като дюзи и водачи на потока на флуида.
Повече за парната турбина
Въпреки че концепцията за използване на пара за извършване на механична работа е била използвана дълго време, съвременната парна турбина е проектирана от английския инженер сър Чарлз Парсънс през 1884 г.
Парната турбина използва пара под налягане от котел като работна течност. Прегрятата пара, влизаща в турбината, губи своето налягане (енталпия), движейки се през лопатките на роторите, а роторите движат вала, към който са свързани. Парните турбини доставят мощност с плавна, постоянна скорост и топлинната ефективност на парната турбина е по-висока от тази на бутален двигател. Работата на парната турбина е оптимална при по-високи обороти.
Строго казано, турбината е само един компонент от цикличната операция, използвана за генериране на електроенергия, която идеално се моделира от цикъла на Ранкин. Котлите, топлообменниците, помпите и кондензаторите също са компоненти на работата, но не са части от турбината.
В днешно време парните турбини се използват основно за производство на електрическа енергия, но в началото на 20-ти век парните турбини се използват като електроцентрали за корабни и локомотивни двигатели. По изключение в някои морски задвижващи системи, където дизеловите двигатели са непрактични, като самолетоносачи и подводници, все още се използват парни двигатели.
Повече за газовата турбина
Газотурбинният двигател или просто газовата турбина е двигател с вътрешно горене, използващ газове като въздух като работна течност. Термодинамичният аспект на работата на газовата турбина е идеално моделиран от цикъла на Брайтън.
Газотурбинният двигател, за разлика от парната турбина, се състои от няколко ключови компонента; това са компресорът, горивната камера и турбината, които са сглобени по протежение на въртящ се вал, за да изпълняват различни задачи на двигател с вътрешно горене. Входящият газ от входа първо се компресира с помощта на аксиален компресор; който изпълнява точно обратното на обикновена турбина. След това газът под налягане се насочва през етап на дифузьор (отклоняваща се дюза), в който газът губи скоростта си, но увеличава допълнително температурата и налягането.
В следващия етап газът навлиза в горивната камера, където горивото се смесва с газа и се запалва. В резултат на горенето температурата и налягането на газа се повишават до невероятно високо ниво. След това този газ преминава през турбинната секция и при преминаване през нея създава въртеливо движение към вала. Газова турбина със среден размер произвежда скорости на въртене на вала до 10 000 RPM, докато по-малките турбини могат да произвеждат 5 пъти повече.
Газовите турбини могат да се използват за генериране на въртящ момент (чрез въртящия се вал), тяга (чрез високоскоростен изпускателен газ) или и двете в комбинация. В първия случай, както при парната турбина, механичната работа, извършвана от вала, е просто трансформация на енталпията (налягането) на газа с висока температура и налягане. Част от работата на вала се използва за задвижване на компресора чрез вътрешен механизъм. Тази форма на газовата турбина се използва главно за производство на електроенергия и като електроцентрали за превозни средства като танкове и дори автомобили. Американският танк M1 Abrams използва газотурбинен двигател като електроцентрала.
Във втория случай газът под високо налягане се насочва през конвергираща дюза, за да се увеличи скоростта, а тягата се генерира от изгорелите газове. Този тип газова турбина често се нарича реактивен двигател или турбореактивен двигател, който захранва военния изтребител. Турбовентилаторът е усъвършенстван вариант на горния и комбинацията от генериране на тяга и работа се използва в турбовитлови двигатели, където работата на вала се използва за задвижване на витло.
Съществуват много варианти на газови турбини, предназначени за специфични задачи. Те са предпочитани пред други двигатели (главно бутални двигатели) поради високото съотношение мощност към тегло, по-малко вибрации, високи работни скорости и надеждност. Отпадната топлина се разсейва почти изцяло като отработените газове. При производството на електроенергия тази отпадъчна топлинна енергия се използва за кипене на вода за задвижване на парна турбина. Процесът е известен като генериране на електроенергия с комбиниран цикъл.
Каква е разликата между парна турбина и газова турбина?
• Парната турбина използва пара под високо налягане като работен флуид, докато газовата турбина използва въздух или някакъв друг газ като работен флуид.
• Парната турбина е основно разширител, доставящ въртящ момент като работна мощност, докато газовата турбина е комбинирано устройство от компресор, горивна камера и турбина, изпълняващо циклична операция, за да достави работа като въртящ момент или тяга.
• Парната турбина е само компонент, изпълняващ една стъпка от цикъла на Ранкин, докато газотурбинният двигател изпълнява целия цикъл на Брайтън.
• Газовите турбини могат да доставят въртящ момент или тяга като работна мощност, докато парните турбини почти през цялото време доставят въртящ момент като работна мощност.
• Ефективността на газовите турбини е много по-висока от тази на парната турбина поради по-високите работни температури на газовите турбини. (Газови турбини ~1500 0C и парни турбини ~550 0C)
• Необходимото пространство за газовите турбини е много по-малко от работата на парната турбина, тъй като парната турбина изисква котли и топлообменници, които трябва да бъдат свързани външно за добавяне на топлина.
• Газовите турбини са по-гъвкави, тъй като могат да се използват много горива и работната течност, която трябва да се подава непрекъснато, е лесно достъпна навсякъде (въздух). Парните турбини, от друга страна, изискват големи количества вода за работа и са склонни да създават проблеми при по-ниски температури поради заледяване.
