Plinska turbina proti parni turbini
Turbine so razred turbo strojev, ki se uporabljajo za pretvorbo energije v tekoči tekočini v mehansko energijo z uporabo rotorskih mehanizmov. Turbine na splošno pretvarjajo toplotno ali kinetično energijo tekočine v delo. Plinske turbine in parne turbine so toplotni turbo stroji, kjer delo nastane zaradi spremembe entalpije delovne tekočine; t.j. potencialna energija tekočine v obliki tlaka se pretvori v mehansko energijo.
Glede na smer toka tekočine so turbine razvrščene v turbine z aksialnim tokom in turbine z radialnim tokom. Tehnično je turbina ekspander, ki zagotavlja mehansko delo z znižanjem tlaka, kar je nasprotno delovanje kompresorja. Ta članek se osredotoča na vrsto turbine z aksialnim tokom, ki je pogostejša v mnogih inženirskih aplikacijah.
Osnovna zgradba turbine z aksialnim tokom je zasnovana tako, da omogoča neprekinjen pretok tekočine ob pridobivanju energije. V toplotnih turbinah je delovna tekočina pri visoki temperaturi in tlaku usmerjena skozi niz rotorjev, sestavljenih iz poševnih lopatic, nameščenih na vrtljivem disku, pritrjenem na gred. Med vsakim diskom rotorja so nameščene stacionarne lopatice, ki delujejo kot šobe in usmerjajo pretok tekočine.
Več o parni turbini
Čeprav se je koncept uporabe pare za opravljanje mehanskega dela uporabljal dolgo časa, je moderno parno turbino zasnoval angleški inženir Sir Charles Parsons leta 1884.
Parna turbina kot delovno tekočino uporablja paro pod tlakom iz kotla. Pregreta para, ki vstopa v turbino, izgubi tlak (entalpijo), ki se premika skozi lopatice rotorjev, rotorji pa premikajo gred, na katero so povezani. Parne turbine oddajajo moč z gladko, konstantno hitrostjo, toplotna učinkovitost parne turbine pa je višja kot pri batnem motorju. Delovanje parne turbine je optimalno pri višjih vrtljajih.
Strogo rečeno, turbina je samo ena komponenta cikličnega delovanja, ki se uporablja za proizvodnjo električne energije, kar je idealno modelirano z Rankinovim ciklom. Kotli, toplotni izmenjevalniki, črpalke in kondenzatorji so prav tako sestavni deli delovanja, vendar niso deli turbine.
V sodobnem času je primarna uporaba parnih turbin za proizvodnjo električne energije, v začetku 20. stoletja pa so se parne turbine uporabljale kot elektrarne za ladijske in lokomotivske motorje. Izjemoma se v nekaterih ladijskih pogonskih sistemih, kjer so dizelski motorji nepraktični, kot so letalonosilke in podmornice, še vedno uporabljajo parni stroji.
Več o plinski turbini
Plinskoturbinski motor ali preprosto plinska turbina je motor z notranjim zgorevanjem, ki kot delovno tekočino uporablja pline, kot je zrak. Termodinamični vidik delovanja plinske turbine je idealno modeliran z Braytonovim ciklom.
Plinskoturbinski motor je za razliko od parne turbine sestavljen iz več ključnih komponent; to so kompresor, zgorevalna komora in turbina, ki so sestavljeni vzdolž vrtljive gredi za opravljanje različnih nalog motorja z notranjim zgorevanjem. Dovod plina iz dovoda se najprej stisne z uporabo aksialnega kompresorja; ki deluje ravno nasprotno od preproste turbine. Plin pod tlakom se nato usmeri skozi stopnjo difuzorja (divergentna šoba), v kateri plin izgubi svojo hitrost, vendar dodatno poveča temperaturo in tlak.
V naslednji fazi plin vstopi v zgorevalno komoro, kjer se gorivo pomeša s plinom in vžge. Zaradi zgorevanja se temperatura in tlak plina dvigneta na neverjetno visoko raven. Ta plin nato prehaja skozi turbinski del in pri prehodu povzroči rotacijsko gibanje gredi. Plinska turbina povprečne velikosti proizvede hitrosti vrtenja gredi do 10.000 RPM, medtem ko lahko manjše turbine proizvedejo 5-krat več.
Plinske turbine se lahko uporabljajo za ustvarjanje navora (z vrtečo se gredjo), potiska (z visoko hitrostjo izpušnih plinov) ali obojega v kombinaciji. V prvem primeru, tako kot pri parni turbini, je mehansko delo, ki ga izvaja gred, zgolj transformacija entalpije (tlaka) visokotemperaturnega in tlačnega plina. Del dela gredi se uporablja za pogon kompresorja prek notranjega mehanizma. Ta oblika plinske turbine se uporablja predvsem za proizvodnjo električne energije in kot elektrarne za vozila, kot so tanki in celo avtomobili. Ameriški tank M1 Abrams kot elektrarno uporablja plinskoturbinski motor.
V drugem primeru je visokotlačni plin usmerjen skozi konvergentno šobo za povečanje hitrosti, potisk pa ustvarja izpušni plin. To vrsto plinske turbine pogosto imenujemo reaktivni motor ali turboreaktivni motor, ki poganja vojaška lovska letala. Turboventilator je napredna različica zgornjega, kombinacija potiska in ustvarjanja dela pa se uporablja v turbopropelerskih motorjih, kjer se delo gredi uporablja za pogon propelerja.
Obstaja veliko variant plinskih turbin, namenjenih specifičnim nalogam. Prednost imajo pred drugimi motorji (predvsem batni motorji) zaradi visokega razmerja med močjo in težo, manj tresljajev, visokih delovnih hitrosti in zanesljivosti. Odpadna toplota se skoraj v celoti odvede kot izpuh. Pri proizvodnji električne energije se ta odpadna toplotna energija uporablja za prekuhavanje vode za delovanje parne turbine. Postopek je znan kot proizvodnja električne energije v kombiniranem ciklu.
Kakšna je razlika med parno in plinsko turbino?
• Parna turbina kot delovno tekočino uporablja visokotlačno paro, medtem ko plinska turbina kot delovno tekočino uporablja zrak ali kakšen drug plin.
• Parna turbina je v bistvu ekspander, ki zagotavlja navor kot izhodno moč, medtem ko je plinska turbina kombinirana naprava kompresorja, zgorevalne komore in turbine, ki izvaja ciklično delovanje za zagotavljanje dela kot navor ali potisk.
• Parna turbina je samo komponenta, ki izvaja en korak Rankinovega cikla, medtem ko plinskoturbinski motor izvaja celoten Braytonov cikel.
• Plinske turbine lahko zagotavljajo navor ali potisk kot delovno moč, medtem ko parne turbine skoraj ves čas zagotavljajo navor kot delovno moč.
• Izkoristek plinskih turbin je zaradi višjih obratovalnih temperatur plinskih turbin veliko večji kot pri parnih turbinah. (Plinske turbine ~1500 0C in parne turbine ~550 0C)
• Prostora, ki je potreben za plinske turbine, je veliko manj kot pri delovanju parne turbine, ker parna turbina zahteva kotle in toplotne izmenjevalnike, ki morajo biti povezani od zunaj za dodajanje toplote.
• Plinske turbine so bolj vsestranske, saj je mogoče uporabiti veliko goriv in je delovna tekočina, ki jo je treba nenehno dovajati, na voljo povsod (zrak). Parne turbine pa zahtevajo velike količine vode za delovanje in povzročajo težave pri nižjih temperaturah zaradi zaledenitve.
