Plynová turbína

Turbovrtulový motor Lycoming T53 (výstup vrtule vlevo přes redukční převodovku)

Plynové turbíny (GT) je motor s vnitřním spalováním , ve kterém se palivo spáleno, aby se vytvořil proud horkého plynu, který může být použit, například, pro generování (mechanické) rotační energii horkým expanzní plynové turbiny . Kromě pohonu kompresorové součásti plynové turbíny lze rotační energii využít také k pohonu spřažených strojů, jako jsou B. Lze použít kompresor na zemní plyn nebo synchronní generátor . Proud horkého plynu jako výfukový plyn se používá pro stacionární použití kotle na odpadní teplo k napájení parní turbíny . V případě mobilní aplikace ( letadla ) se tok horkého plynu většinou používá k provozu jiné turbíny (viz turbofan a turboprop ). To znamená, že jeho rychlost může být výrazně nižší než u plynové turbíny a může být regulována zcela nezávisle, dokud se nezastaví.

Hlavními součástmi plynové turbíny jsou ve směru toku nejprve vstup vzduchu a kompresor (který nasává a stlačuje vzduch), poté spalovací komora , do které se přivádí a spaluje palivo, plynová expanzní turbína (která přeměňuje část spalovací energie na rotační energii) a výstup výfuku.

Z fyzikálního hlediska je plynová turbína strojem pro proudění tepelné tekutiny (turbo stroj ) a je tedy podřízeným strojem pro tepelnou energii tekutiny . Princip fungování je založen na termodynamickém cyklu ve směru hodinových ručiček podle Jamese Prescott Joule ( Jouleův proces ; viz část „Funkčnost“ ).

Včetně leteckých motorů se na celém světě používá více než 100 000 velkých plynových turbín.

příběh

První vynálezy plynové turbíny se datují do roku 1791, kdy si Angličan John Barber nechal patentovat první stroj tohoto typu . V praxi však jeho plynová turbína selhala, především proto, že v té době nebyly k dispozici dostatečně tepelně odolné materiály .

Na přelomu 19. až 20. století se inženýři znovu chopili myšlenky plynové turbíny na základě paralelního vývoje parní turbíny . Po neúspěšných pokusech Franze Stolzeho a úspěšných, ale málo propagovaných pokusech Aegidia Ellinga , vyvinul Hans Holzwarth plynovou turbínu se spalovací komorou uzavřenou ventily , ze které byly tlakové výfukové plyny z dříve spálených paliv směrovány do skutečné turbíny. Taková „ turbína s konstantním prostorem “ si poradila bez kompresoru, ale dosahovala pouze nízké účinnosti maximálně 13 procent. Od roku 1935 byly pro stacionární provoz v plynových elektrárnách k dispozici první turbíny s konstantním objemem; Vývoj tohoto typu turbíny sahá do historického patentu z roku 1791 - Adolf Meyer ze švýcarské společnosti BBC jej připravil na trh. Chemický průmysl použil tyto první turbíny, které měly výkon 14 MW. V roce 1939 BBC dodala britskému ministerstvu letectví plynovou turbínu , kterou používala pro experimentální účely. V roce 1940 začala elektrárna v Neuchâtel ve Švýcarsku používat první plynovou turbínu. Stroj měl výkon 4 MW a vykazoval kladné provozní výsledky, takže podobná lokomotiva byla instalována v lokomotivě ( SBB Am 4/6 1101 ). Vzhledem k vysokým ztrátám při přeměně energie se však od tohoto typu trakce upustilo .

Po druhé světové válce se plynová turbína vyvinula jako letecký motor na nejdůležitější motor pro letectví. GT je také vyžadován pro přívod plynu (pohon pro napájecí čerpadla (= kompresory) na plynovodech). Teprve později, se zvýšeným povědomím o životním prostředí, byl použit k výrobě energie ( elektrárna s kombinovaným cyklem plynu a páry ). Jako náhrada jaderných elektráren a ropných a uhelných elektráren byly vyvinuty plynové turbíny s vyšším výkonem, účinností a nízkými emisemi. Jeho výhodami je schopnost rychle začít a rychle měnit výkon.

V roce 1973, Energieversorgung Oberhausen provozovány soběstačný, héliem nabitá „plynovou turbínou“ v tepelné elektrárně Sterkrade stanici jako součást testovacího zařízení . Projekt však selhal kvůli technickým problémům, stejně jako podobný jihoafrický jaderný projekt ( vysokoteplotní reaktor s plynovou turbínou na helium), který byl v roce 2010 ukončen. Na podobném japonském projektu GTHTR300 se stále pracuje.

konstrukce

Turbovrtulový motor : Vrtule, B  převodovka , C kompresor, D spalovací komora, E turbína, F tryska. Plynová turbína se skládá z částí C až F.

Plynová turbína se v zásadě skládá ze skříně vstupu vzduchu (viděno ve směru proudění), převážně vícestupňového kompresoru GT , systému spalovací komory , turbíny a výfukového tělesa s difuzorem. Kompresor a turbína jsou v zásadě uspořádány na hřídeli; Turbína pohání kompresor přes hřídel.

Pokud má plynová turbína dodávat energii z hřídele (rotační energii na výstupní hřídeli), jsou běžné dvě konstrukce:

1. Výstupní hřídel lze připojit k hřídeli turbíny a kompresoru (obvykle přes převodovku), přímo mechanicky spojenou.
2. Proud výfukových plynů horkého plynu prochází další turbínou, která sedí na druhém hřídeli, kterým je potom výstupní hřídel. Existuje pouze tekutá dynamická spojka.

Stacionární hnací plynové turbíny

Přenos výkonu hřídele na synchronní generátor probíhá s nižšími výkony se zátěžovým převodem (max. 70 MW), protože rychlosti GT jsou mnohem vyšší než synchronní otáčky. V případě vysokých výkonů je rychlost GT obvykle navržena podle synchronní rychlosti, takže spojku lze provádět přímo.

GT menších kapacit jsou postaveny společně s potřebnými pomocnými systémy (mazací a hydraulický olej, startovací zařízení atd.) Na společném základním rámu a opatřeny krytem (aby se zabránilo hluku a tepelnému záření) (konstrukce obalu pro vnitřní nebo venkovní instalaci ).

klystýr

Vstup vzduchu slouží k nastavení dynamiky proudění mezi aplikačním prostředím a kompresorem . Při stacionárním použití nebo při nízkých rychlostech slouží vstup pouze k vedení čistého vzduchu bez turbulencí nebo oddělování toku. Vstupního kužele se nachází v přívodu vzduchu, a v případě, že proudové motory, na ventilátor ( „ventilátoru“).

Zejména při vysokých rychlostech vstupu vzduchu má vstup funkci difuzoru , který zpomaluje proudění vzduchové hmoty, která tam proudí (ve vztahu k plynové turbíně), a předkomprimuje ji. To je zvláště nutné u letadel s nadzvukovou rychlostí , protože před vstupem do stupňů kompresoru musí být tok zpomalen na (relativní) podzvukovou rychlost.

Kompresor / kompresor

CAD znázornění dvouproudového motoru v oblasti kompresoru. Vodicí lopatky nejsou zobrazeny

17stupňový axiální kompresor General Electric J79 . Vodicí lopatky nejsou vidět, ale jejich nastavovací mechanismus (pouze prvních 8 stupňů)

Za vstupem vzduchu následuje turbo kompresor , který může sestávat z axiálních nebo radiálních kompresorů. Axiální kompresory se obvykle skládají z několika oběžných kol s lopatkami kompresoru v axiálním uspořádání, které jsou obvykle rozděleny na nízkotlaké a vysokotlaké stupně kompresoru. Prostřednictvím kompresoru proudící vzduchová hmota získává tlakovou energii prostřednictvím dodávané kinetické energie v meziprostorech lopatek kompresoru ve tvaru difuzoru (tj. Rozšiřujících se). Podle Bernoulliho zákona se statický tlak v kanálu zvyšuje se zvětšující se plochou průřezu, zatímco rychlost proudění klesá. Vodicí lopatky nebo statorové lopatky tam usměrňují spirálovitý proud vzduchu zpět po každém oběžném kole zpět do axiálního směru. Ztracená kinetická energie se přivádí zpět do dalšího stupně rotoru. Kompletní kompresní stupeň axiálního kompresoru tedy sestává z rotorového stupně, ve kterém se zvyšuje jak tlak a teplota, tak i rychlost, a ze statorového stupně, ve kterém se tlak zvyšuje na úkor rychlosti. Rotorové stupně jsou uspořádány jeden za druhým na společném bubnu („hřídel“; dnes: většinou dva nebo tři bubny s různými rychlostmi), statorové stupně (vodicí lopatky) jsou zabudovány do vnitřní části skříně kompresoru. Vodicí lopatky jsou často nastavitelné, aby se přizpůsobil úhel směru proudění.

Staré konstrukce axiálních kompresorů často dosahovaly pouze mírné komprese (poměr tlaku na konci kompresoru k okolnímu tlaku; v příkladu 12,5: 1 odpovídá 1,16 na stupeň), a to i při mnoha po sobě následujících kompresorových stupních (v příkladu General Electric J79 17 stupňů), zatímco moderní plynové turbíny s menším počtem stupňů dosahují výrazně vyšších kompresí (například 43,9: 1 s 13 stupni v Engine Alliance GP7200 , odpovídá 1,34 na stupeň). Přesnější metody výpočtu umožňují vylepšené profily lopatek kompresoru, které nabízejí velmi dobré vlastnosti proudění i v místech v průtokovém kanálu, kde proudění vzduchu vzhledem k lopatce dosahuje nadzvukové rychlosti (vyplývající z obvodové rychlosti lopatek a rychlosti proudění) . Čistá rychlost proudění však nesmí překročit místní rychlost zvuku , protože jinak by byl účinek kanálů ve tvaru difuzoru obrácen. Je třeba poznamenat, že místní rychlost zvuku se také zvyšuje v důsledku rostoucí teploty v kompresoru (viz výše, až 600 ° C).

Spalovací komora

Existují systémy spalovacích komor pro plynná nebo kapalná paliva. Při výrobě energie se často používají takzvané dvojpalivové motory, jejichž systémy spalovacích komor jsou primárně spalovány na „topný plyn“ a v případě poruchy jako rezerva na „topný olej“ (zásobením na omezené časové období).

CAD ilustrace: Spalovací komora dvouproudového motoru

Stlačení vzduchu způsobí zvýšení teploty asi o 400 ° C. Část takto ohřátého vzduchu pak proudí jako takzvaný primární vzduch do spalovací komory, kde se mísí s palivem (dnes v letadle většinou petrolejem ) a zapálí se - když se plynová turbína spouští zapalovacími svíčkami , později spalování probíhá automaticky a nepřetržitě. Vzhledem k exotermické reakci na kyslík - uhlovodíkové směsi, se teplota zvýší až na 2200 ° C, s odpovídající expanze plynu. Bez chlazení, dokonce i vysoce kvalitní materiály (často vysoce legovaných slitin na bázi na nikl - chrom - molybden ) by byl schopen odolávat teplotám, protože spalovací komora pracuje v nadkritické oblasti. Proto je do značné míry zabráněno přímému kontaktu mezi plamenem a stěnou spalovací komory. Dělá to takzvaný „sekundární vzduch“, který nevstupuje přímo do spalovací oblasti, ale je směrován kolem spalovací komory a teprve poté do ní vstupuje otvory v plechových spojích vločkové spalovací komory. Leží jako (chladicí / separační) film mezi spalinami a stěnou spalovací komory. Toto chlazení fólií nebo závěsy snižuje teplotu stěny spalovací komory přibližně o 200 ° C, což výrazně snižuje její kritické tepelné zatížení. Přibližně 70 až 80 procent vzduchové hmoty z kompresoru se používá jako sekundární vzduch; pouze zbytek jde přímo do spalovací komory jako primární vzduch. Aby se zabránilo odtržení plamene ve spalovací komoře, a tím i selhání motoru (tzv. „Stání“), je ve spalovací komoře zapotřebí speciální vzduchové potrubí. Vstřikovací ventily pro palivo jsou umístěny v zóně chráněné před proudícím vzduchem; Kromě toho se v bezprostřední blízkosti snižuje rychlost proudění vzduchu (přibližně 25–30 m / s). Za spalovací komorou se proudy vzduchu opět mísí, aby bylo dosaženo nejvyššího možného vyhoření a tím vysokého stupně účinnosti a nízkých emisí znečišťujících látek. Kromě tepelné je důležitá i mechanická pevnost spalovacích komor, které musí také absorbovat část reakčních sil (= tah).

Trubková spalovací komora

Trubkové spalovací komory GE J79

Tento typ spalovací komory je zvláště vhodný pro motory s radiálními kompresory. Zvláště na začátku vývoje byly trubkové spalovací komory součástí britských (leteckých) motorů ( Rolls-Royce Welland ). Ve směru spalovacích komor rozdělují proud vzduchu jednotlivé difuzéry odstředivého kompresoru. Každá spalovací komora má svůj primární a sekundární vzduchový systém. Spalovací komory jsou navzájem spojeny pomocí zapalovacích tyčí. Obecně je asi osm až dvanáct těchto hořáků kanystrů uspořádáno radiálně na motoru. Velmi malé turbíny, například pro APU , mají pouze jednu trubkovou spalovací komoru. Výhody - jednoduchý vývoj, jednoduchá distribuce paliva a dobré možnosti údržby - jsou kompenzovány nevýhodou vysoké konstrukční hmotnosti takového uspořádání. Podmínky proudění jsou také nevýhodné ve srovnání s jinými typy spalovací komory. Trubkové spalovací komory se dodnes používají ve vlnových turbínách, např. B. u turbovrtulových motorů.

Trubkové prstencové spalovací komory

Tento typ spalovací komory kombinuje trubkovou a prstencovou spalovací komoru a je zvláště vhodný pro velmi velké a výkonné plynové turbíny, protože může být navržen tak, aby byl mechanicky velmi stabilní. Hlavní rozdíl mezi jednotlivými spalovacími komorami je společný výstup ze spalovací komory. Konstrukce se v tryskových turbínách téměř nevyskytuje.

Prstencové spalovací komory

Prstencová spalovací komora je optimem dynamiky plynu pro proudové turbínové motory. Je poměrně lehký a krátký, protože proud vzduchu z kompresoru do turbíny nemusí být odkloněn. Spalovací komora má několik vstřikovačů paliva, které dodávají palivo do prstencové spalovací komory. Údržba je však poměrně obtížná. Vývoj je také velmi složitý, protože proudění plynu v takové spalovací komoře je třeba vypočítat trojrozměrně. Prstencová spalovací komora je dnes (2008) nejběžnějším typem v leteckých proudových motorech. V některých plynových turbínách elektráren se také používá prstencová spalovací komora.

turbína

Výkres CAD: Turbína dvouproudového motoru : Vysokotlaká turbína pohání kompresor, nízkotlaká turbína pohání ventilátor přes koaxiální hřídel (dvouhřídelový motor). Vodicí lopatky nejsou zobrazeny

Plyny vystupující ze spalovací komory dozadu pak narazily do turbíny . Jejich hlavním úkolem je pohánět kompresor přes hřídel. Většina jednoproudých leteckých motorů ( proudových ) využívá většinu kinetické energie k zpětnému rázu. Turbína je navržena tak, že z proudu výfukových plynů odebírá pouze tolik energie, kolik je potřeba k provozu kompresoru. Za vysokotlakou turbínou mohou následovat další turbíny, které buď pohání další stupně kompresoru, nebo rozptýlí výkon ventilátoru nebo hřídele, například do elektrického generátoru. Každá turbína může být vícestupňová.

Turbínový list Rolls-Royce / Turbo-Union RB199 . Otvory pro chlazení fólie v oblasti hrany nosu jsou jasně viditelné.

Třístupňová turbína GE J79 (proudová), vodicí lopatky (kromě před vstupem) nejsou namontovány

Lopatky turbíny jsou normálně chlazeny komplexním způsobem (vnitřní a / nebo filmové chlazení) a nyní jsou vyrobeny z odolných superslitin . Kromě toho jsou tyto látky tuhnuty v upřednostňovaném směru, takže ve své krystalové mřížce dostávají definovaný směr ( texturu ) a umožňují tak optimální vlastnosti materiálu, aby začaly být účinné při maximálním zatížení. První stupeň vysokotlaké turbíny sestává stále více z monokrystalových lopatek. Část lopatek v proudu plynu je chráněna proti vysokým teplotám a erozi keramickými povlaky . Vzhledem k vysokému zatížení při rychlostech nad 10 000 min ⁻¹ nelze vždy vyloučit zlomení v důsledku mechanického nebo tepelného poškození. Proto je vnější plášť turbín navržen tak, aby byl vysoce odolný. Vysoké teploty v turbíně brání použití kevlaru , který se používá v přední oblasti lopatek ventilátoru, aby se zabránilo tomu, že by oddělené části motoru poškodily podpůrné konstrukce nebo zranily osoby.

Dokonce i u proudových motorů - které vytvářejí pouze tah bez obtokového toku nebo vrtule - se generuje hlavně v kompresoru a při rozpínání horkých výfukových plynů po turbíně. Turbína pohání pouze kompresor a dodává záporný tah. Výstupní tryska také dodává záporný tah - slouží pouze jako regulátor tlaku k udržení účinnosti motoru.

V moderních turbofanových motorech (turbo ventilátor) s vysokým poměrem by-pass je tah vytvářen hlavně proudem vzduchu, který je veden kolem spalovací komory, turbíny a výfukové trysky (proud pláště). Turbína slouží pouze jako měnič výkonu: tepelná a kinetická síla horkého a rychlého proudu vzduchu, který vychází ze spalovací komory, se převádí na mechanickou energii. Jak je popsáno výše, toto je na jedné straně přiváděno do kompresoru, ale na druhé straně také do ventilátoru prostřednictvím jednoho nebo více hřídelů (v případě turbovrtulového motoru vrtule). Moderní motory proto generují tah méně horkým proudem výfukových plynů, ale spíše ventilátorem.

Tažná tryska

V motorech lze za turbínu namontovat konvergentní trysku (často nastavitelnou), kterou plyn proudí vysokou rychlostí. Není to tryskač, jak se často věří. Jedná se o odpor v dráze paprsku - místo hnací síly přenáší na letoun omezující sílu; Jeho hlavním úkolem je regulovat tlak v předchozích součástech motoru. Tlakový gradient přítomný na výstupu turbíny (výstupní tlak turbíny - okolní tlak) by měl být při výstupu plynu co nejvíce převeden na rychlost. Cílem je zde dosáhnout nejvyššího možného impulsu, přičemž tlak plynu proudícího ven na konci tlačné trysky by měl dosáhnout okolního tlaku tak daleko, jak je to možné, aby proud plynu „nepraskl“. Energie pro tuto expanzi pochází z horkého spalovacího plynu.

Motory s přídavným spalováním se neroztahují úplně, ale přivádějí proud plynu obsahující kyslík za motor palivem, které znovu hoří, a tím i tepelnou energií, což vede k dalšímu zrychlení toku plynu. Tímto způsobem lze splnit požadavek na rychlý tah, jak je požadováno například při leteckých bojových manévrech . Motory s přídavným spalováním musí mít trysku s proměnnou geometrií. To se zejména během přechodu z normálního provozu na režim dodatečného spalování rychle a přesně kontroluje, protože jinak může dojít k takzvané tepelné zácpě, která způsobí plamen (angl. Flameout ).

Drobné součásti

Plynová turbína má obvykle další sekundární součásti:

• "Vstupem" stacionární plynové turbíny může být celá sací filtrační komora.
• Olejový okruh pro přívod mazacího oleje do ložisek;
• Startovací zařízení pro spuštění plynové turbíny;
• Hydraulický systém pro ovládání seřizování ventilů a lopatek;
• Plynový výstražný a protipožární systém;
• Výfukový systém / filtr;
• Senzory pro monitorování, regulaci a ochranu;
• elektrická regulace a servomotory.
• Nábojová spirála
  Rotující vstupní kužel je obvykle natřen krátkou spirálovou čarou na nábojích leteckých turbín a jinde, aby lidé v okolí mohli bezpečně vidět, zda se motor (stále) točí a s tím spojená nebezpečí - nasávání nebo kolize, Výfuk, valící se letadlo - aby bylo možné odhadnout. Při rychlém otáčení není čára viditelná, při pomalém otáčení se zdá, že se spirála stahuje do středu. Repelentní účinek na létající ptáky je pochybný. Některé letecké společnosti používají jako indikátor otáčení excentrickou tečku nebo čáru.

Konstrukční metody

Plynové turbíny jsou k dispozici jako jedno-, dvou- a tříhřídelové stroje. V provedení s jedním hřídelem sedí všechny stupně kompresoru a všechny stupně turbíny na stejném hřídeli (mechanická spojka). To znamená, že celý stroj běží jednou rychlostí. Výstup může být na kompresoru nebo na hřídeli turbíny. V případě plynových turbín, které jsou primárně určeny k dodávce výkonu hřídele, je výkon (pro elektrický generátor) obvykle na konci hřídele na straně kompresoru, protože lze nainstalovat lepší difuzor, výfukové plyny ne musí proudit kolem generátoru a v procesech kombinovaného cyklu (plynová a parní turbína v kombinaci) nejsou tepelné ztráty na cestě do parního kotle příliš velké.

U uspořádání se dvěma hřídeli často dochází k oddělení na část stroje, která primárně slouží k výrobě rychle tekoucího vysokotlakého horkého plynu-skutečné plynové turbíny. Obvykle se mu pak říká „generátor (horkého) plynu“. Druhá část stroje se skládá z turbíny, která je poháněna horkým plynem a získává co nejvíce energie. Tato „energetická turbína“ přeměňuje energii na výkon hřídele, který dodává například do stroje nebo elektrického generátoru. Díky vlastní hřídeli má energetická turbína rychlost nezávislou na generátoru plynu. Výkon je obvykle na straně turbíny. Výkonová turbína se místo elektrického generátoru používá také k pohonu čerpadel nebo kompresorů, například na plynovodech nebo ropovodech; v letectví, volný turbína pohání turbovrtulovými motory vrtule na turbofan motor ventilátoru dál.

Takzvané aeroderiváty jsou typem stacionární plynové turbíny, ve které se jako generátor plynu používá upravená letecká plynová turbína .

funkčnost

Jouleův proces

Termodynamický srovnávací proces je Jouleův proces , který se ideálně skládá ze dvou izentropů a dvou izobar ; nazývá se také proces rovného tlaku.

Na lopatce jednoho nebo více kompresorových stupňů je vzduch ve spalovací komoře stlačen plynným nebo kapalným palivem, smíchán, zapálen a kontinuálně spalován . Vzniká horký plyn (směs spalovacího plynu a vzduchu), který expanduje v navazující turbíně a přítlačné trysce a uvolňuje energii v procesu přeměňuje tepelnou , kinetickou a tlakovou energii na energii rotační - turbína získává energii z horkého plynu, který je veden dopředu hřídelí a tam pohání kompresor. Pouze asi 20 až 30% z celkové vzduchové hmoty stlačené na přibližně 20 barů a 400 ° C je dodáváno do spalovací komory jako „primární vzduch“, zbývající vzduch se používá jako „sekundární vzduch“ k chlazení stěn spalovací komory. Přibližně 40 procent chemické energie paliva je přeměněno na užitečnou (kinetickou rotační) energii ( účinnost ); zbytek je ztracen pro životní prostředí jako tepelná energie.

Kompresor (také nazývaný kompresor ) nasává vzduch z okolního prostředí, stlačuje jej (1 → 2) a nakonec jej přivádí do spalovací komory. Tam se spaluje společně se vstřikovaným palivem za téměř konstantního tlaku (2 → 3). Při spalování vznikají spalovací plyny s teplotou až 1500 ° C. Tyto horké spaliny proudí do turbíny vysokou rychlostí. Tekutina je v turbíně expandována a entalpie obsažená v tekutině je přeměněna na mechanickou energii (3 → 4). Část mechanické energie (až dvě třetiny) se používá pro pohon kompresoru, zbývající část je k dispozici jako využitelnou mechanickou energii w _T k dispozici. Účinnost plynové turbíny je tím vyšší, čím vyšší je vstupní teplota turbíny palivových plynů a tlakový poměr turbíny. Maximální přípustná teplota materiálu chlazených lopatek turbíny omezuje vstupní teplotu turbíny.

Na rozdíl od pístových motorů se plynové turbíny vyznačují v zásadě bezvyváženým chodem. Poskytují nepřetržitý točivý moment a mají pouze rotující části bez kluzného tření. Křivka točivého momentu v průběhu rychlosti je plošší než u pístových motorů. Jako tahový generátor se odlišují od náporových motorů tím, že mohou generovat tah, i když je letadlo v klidu.

Typy (podle užitečné energie)

Příklady různých provedení plynové turbíny: (1) proudový , (2) turbovrtulový , (3) turbohřídelový motor (v tomto případě s elektrickým generátorem), (4) dvouproudový motor (dvouproudový), vysoký poměr obtoku , (5 ) dvouproudový motor (s přídavným spalováním ), nízký
poměr obtoku Zde označuje modrá = kompresor; červená = turbína; šedá = výfuková tryska

Podle požadované užitečné energie se rozlišují dva typy plynových turbín:

Hřídelová turbína

V případě hřídelové turbíny (také známé jako hnací hřídel nebo turbo motor) není rozhodující tah, ale síla dodávaná výstupní hřídelí. Výstupní hřídel je obvykle poháněn nízkotlakou turbínou, která je uspořádána za spalovací komorou a vysokotlakou turbínou. Mezi nízkotlakou turbínu a výstupní hřídel lze instalovat redukční převod; Existují však i provedení, ve kterých je výstupní hřídel poháněn přímo hřídelem s plynovou turbínou (vysokotlakým). Díky své kompaktnější konstrukci jsou hřídelové turbíny převážně vybaveny víceproudými odstředivými kompresory nebo kombinací axiálních a odstředivých kompresorů. Možné využití hnacích motorů je velmi různorodé (běžné příklady viz níže). U leteckých motorů uvolněný plynový paprsek někdy vytvoří trochu extra tah.

Trysková turbína

Trysková turbína má primárně poskytovat kinetickou energii spalovacího plynu ve formě tahu. Kromě pohonu pomocných jednotek se využívá hlavně energie proudu horkého plynu („ proudový “); z hřídele není odebírána žádná rotační energie. U dvouproudových motorů („Turbofan“) je proud vzduchu do spalovací komory, turbíny a je řízen výfukovou tryskou „ventilátor“ (ventilátor) vyfukováním dozadu. V moderních proudových motorech generuje tento „ obtokový tok “ většinu tahu. Ventilátor je poháněn buď vlastní nízkotlakou turbínou (dvouhřídelový motor), nebo hřídelem plynové turbíny přes převodovku (motor s „převodovým turbodmychadlem“), která snižuje otáčky a zvyšuje točivý moment.

Zvláštní formou využití jsou takzvané aero deriváty , u nichž se jako pohonný stroj používá plynová turbína původně vyvinutá jako proudový motor .

pohonné hmoty

Jako palivo lze použít různé plyny, kapalný plyn a kapalná paliva: kromě zemního a syntézního plynu také petrolej , topný olej , plyn z vyhnívacích nádrží (např. Skládkový plyn , bioplyn ), motorovou naftu , plynový olej a vzácněji i těžký olej .

Řady plynových turbín, které lze provozovat také s problematickou ropou (např. Pro posilovače potrubí ), se používají stále méně a jsou nahrazovány například dieselovými motory , které zde dosahují výrazně lepší účinnosti.

Kromě toho se opakují pokusy o použití uhelného prachu přímo nebo po předchozím zplyňování. V těžebních oblastech jsou plynové turbíny provozovány s důlním plynem (metanem).

Existují také experimentální turbíny, které jsou poháněny tuhým palivem. K tomu je spalovací komora naplněna palivem a zapálena. Turbína pak běží, dokud se nespotřebuje všechno palivo a je třeba jej znovu naplnit. Dosud se nedostal do komerčního využití.

Oblasti použití

letectví

Vzhledem ke svému nízkému poměru výkonu k hmotnosti (poměr hmotnost / výkon) ve srovnání s jinými spalovacími motory jsou plynové turbíny velmi vhodné pro aplikace v leteckém odvětví, protože se snižuje celková hmotnost letadla a zvyšuje se letový výkon nebo se ušetří palivo.

Při řízení helikoptér a turbovrtulových letadel se využívá výkonu hřídele plynové turbíny (šachtové turbíny) a je převodovka přenášena na rotor nebo vrtuli .

Pro zpětný pohon letounů ( proudových letadel ) se používají proudové motory (proudové nebo většinou turbo ventilátory ) . Chybí výstupní hřídel, který přenáší energii na vnější součásti. Po kompresoru, spalovací komoře a turbíně je tu jen jedna tryska, kterou proud horkých výfukových plynů vysokou rychlostí vystupuje. Turbínová část proudového motoru generuje pouze tolik mechanické energie, kolik je zapotřebí k pohonu kompresoru, ventilátoru a pomocných jednotek. U civilních motorů je postup způsoben velkou průchodností hmoty v obtokovém proudu a horkými plyny v hlavním proudu vycházejícími z turbíny vysokou rychlostí. Ve vojenských motorech je tah generován hlavně hlavním tokem.

Pomocné pohony v (dopravních) letadlech pro elektriku, hydrauliku atd. (Tzv. APU = Auxiliary Power Unit) jsou hřídelové pohony.

Úsporný design je obvykle základním kritériem návrhu. Kromě toho hraje roli účinnost, tj. Využití paliva, nízké emise hluku a dobrá údržba.

Výroba elektřiny

Plynové turbíny se používají stacionárně v elektrárnách s plynovými turbínami nebo elektrárnách s kombinovaným cyklem , kde generují elektrickou energii jako turbínový agregát spojený s turbogenerátorem jako pracovní stroj . Pro tuto aplikaci byly vyvinuty nejvýkonnější plynové turbíny s výkonem až 571 MW.

Mechanický pohon

Plynové turbíny se používají také v čerpacích a kompresorových stanicích v ropovodech a plynovodech.

Na rozdíl od aplikace při výrobě energie jsou GT provozovány s velkým rozsahem regulace otáček (přibližně 50 až 105%) kvůli požadavku turbo kompresoru. To je realizováno další expanzní turbínou, která je umístěna na druhém hřídeli (nízkotlaký hřídel). Je pouze termodynamicky spojen s hlavním hřídelem (vysokotlakým hřídelem).

Pozemní vozidla: automobily, motocykly a železnice

Turbínové výfukové potrubí v Howmet TX

Plynová turbína nehraje významnou roli jako pohon pro automobily, ale od padesátých let byly opakovaně prováděny individuální pokusy o testování civilních motorových vozidel s pohonem s plynovou turbínou:

• V roce 1950 absolvoval Rover JET 1 své první testovací jízdy.
• 1954 Fiat testoval Turbinu .
• V roce 1955 Austin předvedl motor s plynovou turbínou o výkonu 122 koní v konvenčním osobním automobilu.
• V roce 1963 provedl Chrysler spotřebitelský test s Chrysler Turbine Car .
• V roce 1965 jeli Graham Hill a Jackie Stewart s vozem Rover BRM poháněným plynovou turbínou na celkové 24. místo na 24 hodin Le Mans .
• 1967 byl Indianapolis 500 Granatelli STP -Paxton Turbocar , „Silent Sam“ zavolal těsně před koncem závodu jasně v čele, se nezdařila, protože přenos hoře. Jak bylo v té době u oválu zvykem, auto bylo asymetricky konstruováno, mělo pohon všech kol a turbína byla instalována vlevo od řidiče Parnelli Jonese .
• V roce 1968 získal Howmet TX body do mistrovství světa sportovních vozů.
• V roce 1968 dosáhl Joe Leonard STP- Lotus 56 pole position v Indianapolis a vedl závod. V klínovém klínu 56 s pohonem všech kol seděla turbína za řidičem. Vůz byl používán sporadicky jako 56B v sezóně 1971 Formule 1 .
• V roce 2010 Jaguar představil na C-X75 na autosalonu v Paříži. Auto je studie a má dojezd 900 km a maximální rychlost 330 km / h.
• Od roku 2000 se v malém počtu vyrábí pouliční motocykl s pohonem na plynové turbíny, MTT Turbine Superbike . Motocykly s malou turbínou Microturbo se již v USA testovaly v 60. letech minulého století .

V železniční dopravě , plynové turbíny jsou někdy použity v turbosoustrojí s turbogenerátoru , kde se dodávají na trakční motory v podvozků jako dieselelektrických pohonů . Lokomotiva Am 4/6 postavená společností Brown Boveri s turbínou o výkonu 2 200 HP (1,6 MW) byla ve Švýcarsku dodána již na počátku čtyřicátých let minulého století . Typickými zástupci tohoto typu lokomotivy byl francouzský turbo vlak nebo americké lokomotivy s plynovou turbínou Union Pacific Railroad . Plynových turbín lokomotivy byly také použity občas v Německu, včetně řady 602 s Deutsche Bundesbahn . Plynové turbíny GT1 pro těžký provoz nákladních vlaků na Sibiři jsou v současné době testovány na RZD .

Ve vojenské technice (mimo letectví)

Plynové turbíny se používají jako pohonné jednotky pro různá vojenská vozidla , včetně hlavního bitevního tanku USA M1 Abrams a ruského hlavního bitevního tanku T-80 (řada GTD, kde za označením následuje výkon v PS , např. GTD-1250), které však jsou stejně vhodné pro jejich extrémně vysoké spotřeby paliva jsou notoricky známé: s kompaktní konstrukcí, může plynové turbíny nabízejí vysokou hustotu energie, ale nedosahují na účinnost z pístových motorů v hlediska spotřeby specifická paliva, zejména při částečném zatížení .

Malé plynové turbíny se naopak osvědčily jako výkonné generátory energie ( pomocné energetické jednotky ), které mohou dodávat bojovou technologii a také dodávat stlačený vzduch ( odvzdušňovací vzduch ), aniž by se spustil generátor připojený k velkému trakčnímu motoru . Příkladem jsou odpalovací rampy a řídící stanice raket ruského systému SA-4-Ganef (odpalovací rampy po 20 kW, řídicí stanice 35 kW) v jednotkách protivzdušné obrany . Výhodou je vysoká hustota výkonu a rychlé spuštění při jakékoli venkovní teplotě. Vysoká specifická spotřeba paliva turbín, obvykle jen několik kilowattů, je akceptována.

Kromě vrtulníků slouží plynové turbíny také k pohonu vojenských lodí, jako jsou rychlolodě nebo vznášedla , ale také k torpédoborcům .

Lodní doprava

Kromě některých vojenských lodí jsou plynové turbíny vybaveny také některé nákladní a osobní lodě .

Výrobce

Protože výroba plynových turbín vyžaduje vysoké investice (materiálně i do výzkumu a vývoje) a dlouholeté zkušenosti, existuje na světě jen několik výrobců plynových turbín:

Nejvýkonnější GT vyrábějí pouze Siemens Energy , General Electric (GE) (od roku 2015 převzetí Alstom Power Systems - dříve ABB Kraftwerke) a Mitsubishi . Všichni ostatní výrobci jsou nakonec vázáni licencemi na jednu ze čtyř jmenovaných skupin.

Společnosti Alstom Power, Siemens Energy , General Electric, Rolls-Royce plc (RR), Pratt & Whitney (P & W), Hitachi , MAN Energy se v oblasti středně velkých plynových turbín pro průmyslové využití (obě pro výrobu energie) a jako mechanické pohonné stroje) Řešení , dceřiná společnost Caterpillar Solar Turbines a Kawasaki .

GT jsou také licencovány, např. B. vyrábí společnost Ansaldo.

Trh s pohonnými systémy velkých letadel ovládají dvě americké skupiny General Electric a Pratt & Whitney a také britský Rolls-Royce plc . Menší motory jsou k dispozici od společnosti Honeywell International ; Allison Engine Společnost je od roku 1995 součástí Rolls-Royce Severní Americe .

Vzhledem k velmi vysokým nákladům na vývoj jsou ve společných vývojových společnostech často plánovány nové motory. B. americko-francouzský společný podnik CFM International , do kterého jsou zapojeny společnosti General Electric a Snecma .

Přehled typů plynových turbín dostupných na německém trhu s technickými údaji lze nalézt na webových stránkách Pracovní skupiny pro ekonomickou a ekologickou spotřebu energie .

webové odkazy

• Web Mark Marka, který postavil experimentální plynovou turbínu na spalování dřeva, má (anglicky)
• Pracovní skupina pro solární plynové turbíny provozuje informační stránku s oblastí fóra (nejen pro plynové turbíny SOLAR) (německy, anglicky)

literatura

• C. Lechner, J. Seume (Ed.): Stacionární plynové turbíny. Springer, Berlín 2003, ISBN 3-540-42831-3 .
• W. Bitterlich, S. Ausmeier, U. Lohmann: Plynové turbíny a systémy plynových turbín. Prezentace a výpočet. Teubner, Stuttgart 2002, ISBN 3-519-00384-8 .
• Richard Wegner: Prakticky užitečná plynová turbína. Pokuste se vyřešit problém s plynovou turbínou pomocí plně konstruovaného příkladu. Volckmann, Rostock 1907.
• Hans-Joachim Braun, Walter Kaiser: Energetický průmysl, automatizace, informace. Propylaeen, Frankfurt nad Mohanem 1997, ISBN 3-549-05636-2 , s. 75-77. (Propylaea History of Technology, svazek 5)
• Kamps, Thomas: Modelové proudové motory-součástky, udělej si sám, cvič. Verlag für Technik und Handwerk, Baden-Baden 1996, ISBN 3-88180-071-9 .
• Klaus L. Schulte: Malé plynové turbíny a jejich aplikace. KLS Publishing, Cologne 2011, 2. vydání, ISBN 978-3-942095-42-6 .
• Kyrill von Gersdorff, Helmut Schubert, Stefan Erbert: Německé letectví: letecké motory a proudové motory. Bernard a Graefe, Bonn 2007, ISBN 978-3-7637-6128-9 .
• Plynové turbíny v automobilech. In: Motor Vehicle Technology 3/1956, s. 88–93.
• Fritz Dietzel: Stručně řečeno plynové turbíny. Vogel-Verlag, 1985, ISBN 978-3-8023-0065-3 .
• Nebojsa Gasparovic: plynové turbíny. Düsseldorf, VDI-Verlag, 1974.
• Otto Martin: parní a plynové turbíny. DeGruyter-Verlag, 1971, ISBN 978-3-11-114067-4 .
• Julius Kruschik, Erwin Hüttner: Plynová turbína: Vaše teorie, konstrukce a aplikace pro stacionární systémy, pohon lodí, lokomotiv, motorových vozidel a letadel. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-7091-8065-5 .
• Walter Bitterlich, Sabine Ausmeier: Plynové turbíny a systémy plynových turbín: Reprezentace a výpočet. Vieweg-Teubner Verlag, 2002, ISBN 978-3-322-86481-9 .
• Eva Wiemann, Martin Morawetz (ed.): Manuál k plynové turbíně (kniha VDI). Springer-Verlag 1997, dotisk 2012, ISBN 978-3-642-64145-9 .
• Rolf Kehlhofer, Norbert Kunze, J. Lehmann, K.-H. Schüller: elektrárny s plynovými turbínami, elektrárny s kombinovaným cyklem, tepelné elektrárny a průmyslové elektrárny. Technický nakladatel Dr. Ingo Resch / Verlag TÜV Rheinland, 1994, ISBN 978-3-87806-072-7 .

stejně jako literatura o strojích pro proudění tekutin ( -> parní turbína ), čísla odborného časopisu BWK palivo - teplo - výkon VDI; Publikace BBC

Individuální důkazy

1. ↑ ^{a b} 7 milionů EUR na výzkum plynových turbín , Centrum pro spolupráci při spolupráci TU v Berlíně ze dne 23. května 2012, přístup 17. září 2014
2. ↑ Art. Helium turbína. In: Otto Ahlhaus, Gerhard Boldt, Klaus Klein (eds.): Kapesní slovník ochrany životního prostředí . Schwann, Düsseldorf, 10. vydání 1986, ISBN 3-590-14362-2 , s. 101.
3. ↑ Hee Cheon No: Přehled technologie plynové turbíny na helium pro vysokoteplotní plynem chlazené reaktory . Ed.: Katedra jaderného a kvantového inženýrství, Korea Advanced Institute of Science and Technology. 26. ledna 2007 ( celý text na jaderné.or.kr [PDF]). Celý text ( Memento z 26. dubna 2012 v internetovém archivu ) 
4. ↑ ^{a b} Willy JG Bräunling: letecké motory. 4. vydání, 2015, s. 156 a s. 330 : Tahová tryska a turbína, vnímané jako vnitřní síly, vytvářejí v motoru zápornou sílu proti směru tahu a způsobují tak sílu proti směru letu (hlavní směr) tahu). Kompresor generuje hlavní tahovou komponentu, vnímanou jako vnitřní výkon motoru.
5. ↑ iptv.orf.at ( Memento z 20. ledna 2013 v internetovém archivu ) Flotila zůstává na zemi, Boeing 787 v Japonsku, orf.at od 16. ledna 2013
6. ↑ airliners.net Spirály v proudových motorech - Fórum pro civilní letectví airliners.net: K čemu slouží bílé spirály namalované na střed většiny křídlových proudových motorů? Odpověď 1 z DLKAPA 24. října 2006: „Bezpečnost, aby pozemní posádka mohla snadno zjistit, zda motor běží.“
7. ↑ Provoz plynové turbíny s těžkým topným olejem (PDF).
8. ↑ General Electric plynové turbíny třídy 9HA
9. ↑ SIEMENS Energy SGT5-9000HL. Získaný 21. srpna 2021 . 
10. ^ Austin Motor Vehicle Turbine. In: Motor Vehicle Technology 12/1959, s. 494–495.
11. ↑ Motorka s turbínovým pohonem? In: Technologie motorových vozidel 4/1965, s. 143.
12. ↑ ASUE: Charakteristika a reference plynové turbíny (k dubnu 2006) ( Memento ze dne 23. srpna 2013 v internetovém archivu ) (PDF)
13. ^ Siemens Energy. Získaný 21. srpna 2021 .