Plinska turbina protiv parne turbine
Turbine su klasa turbo strojeva koji se koriste za pretvaranje energije u tekućini koja teče u mehaničku energiju korištenjem rotorskih mehanizama. Turbine općenito pretvaraju toplinsku ili kinetičku energiju tekućine u rad. Plinske turbine i parne turbine su toplinski turbostrojevi, kod kojih rad nastaje iz promjene entalpije radnog fluida; tj. Potencijalna energija tekućine u obliku tlaka pretvara se u mehaničku energiju.
Na temelju smjera protoka tekućine turbine se kategoriziraju u turbine s aksijalnim protokom i turbine s radijalnim protokom. Tehnički, turbina je ekspander, koji daje mehanički učinak smanjenjem tlaka, što je suprotno od rada kompresora. Ovaj se članak fokusira na tip turbine s aksijalnim protokom, koji je češći u mnogim inženjerskim primjenama.
Osnovna struktura turbine s aksijalnim protokom dizajnirana je da omogući kontinuirani protok tekućine uz izvlačenje energije. U toplinskim turbinama, radna tekućina, pri visokoj temperaturi i tlaku, usmjerava se kroz niz rotora koji se sastoje od kutnih lopatica postavljenih na rotirajući disk pričvršćen na osovinu. Između svakog diska rotora montirane su stacionarne lopatice koje djeluju kao mlaznice i vode protok tekućine.
Više o parnoj turbini
Iako se koncept korištenja pare za mehanički rad koristio dugo vremena, modernu parnu turbinu dizajnirao je engleski inženjer Sir Charles Parsons 1884.
Parna turbina kao radni fluid koristi paru pod tlakom iz kotla. Pregrijana para koja ulazi u turbinu gubi tlak (entalpiju) krećući se kroz lopatice rotora, a rotori pokreću osovinu na koju su spojeni. Parne turbine isporučuju snagu glatkom, konstantnom brzinom, a toplinska učinkovitost parne turbine veća je od učinkovitosti klipnog motora. Rad parne turbine je optimalan pri višim RPM stanjima.
Strogo, turbina je samo jedna komponenta cikličkog rada koji se koristi za proizvodnju električne energije, što je idealno modelirano Rankineovim ciklusom. Kotlovi, izmjenjivači topline, pumpe i kondenzatori također su komponente rada, ali nisu dijelovi turbine.
U moderno doba, primarna upotreba parnih turbina je za proizvodnju električne energije, ali početkom 20. stoljeća parne turbine korištene su kao elektrane za motore brodova i lokomotiva. Iznimno, u nekim brodskim pogonskim sustavima gdje su dizelski motori nepraktični, poput nosača zrakoplova i podmornica, još uvijek se koriste parni strojevi.
Više o plinskoj turbini
Plinski turbinski motor ili jednostavno plinska turbina je motor s unutarnjim izgaranjem, koji kao radni fluid koristi plinove poput zraka. Termodinamički aspekt rada plinske turbine idealno je modeliran Braytonovim ciklusom.
Plinskoturbinski motor se, za razliku od parne turbine, sastoji od nekoliko ključnih komponenti; to su kompresor, komora za izgaranje i turbina, koji su sastavljeni duž rotirajuće osovine, za obavljanje različitih zadataka motora s unutarnjim izgaranjem. Unos plina iz ulaza prvo se komprimira pomoću aksijalnog kompresora; koja radi upravo suprotno od jednostavne turbine. Plin pod tlakom se zatim usmjerava kroz stupanj difuzora (divergentne mlaznice), u kojem plin gubi na brzini, ali dodatno povećava temperaturu i tlak.
U sljedećoj fazi plin ulazi u komoru za izgaranje gdje se gorivo miješa s plinom i pali. Kao rezultat izgaranja, temperatura i tlak plina rastu do nevjerojatno visoke razine. Ovaj plin zatim prolazi kroz turbinski dio, i pri prolasku proizvodi rotacijsko gibanje na osovini. Plinska turbina prosječne veličine proizvodi stope rotacije osovine do 10 000 okretaja u minuti, dok manje turbine mogu proizvoditi 5 puta više.
Plinske turbine mogu se koristiti za proizvodnju okretnog momenta (pomoću rotirajuće osovine), potiska (pomoću velike brzine ispuha plina) ili oboje u kombinaciji. U prvom slučaju, kao u parnoj turbini, mehanički rad koji izvodi osovina samo je transformacija entalpije (tlaka) plina visoke temperature i tlaka. Dio rada osovine koristi se za pogon kompresora kroz unutarnji mehanizam. Ovaj oblik plinske turbine koristi se uglavnom za proizvodnju električne energije i kao pogonska postrojenja za vozila kao što su tenkovi, pa čak i automobili. Američki tenk M1 Abrams koristi plinsku turbinu kao pogonsku jedinicu.
U drugom slučaju, plin visokog tlaka usmjerava se kroz konvergentnu mlaznicu kako bi se povećala brzina, a potisak stvara ispušni plin. Ovaj tip plinske turbine često se naziva mlazni motor ili turbomlazni motor, koji pokreće vojne borbene zrakoplove. Turboventilator je napredna varijanta gore navedenog, a kombinacija potiska i stvaranja rada koristi se u turboprop motorima, gdje se rad osovine koristi za pogon propelera.
Postoje mnoge varijante plinskih turbina dizajniranih za specifične zadatke. Oni imaju prednost u odnosu na druge motore (uglavnom klipne motore) zbog visokog omjera snage i težine, manje vibracija, velikih radnih brzina i pouzdanosti. Otpadna toplina se gotovo u potpunosti rasipa kao ispušni plin. U proizvodnji električne energije, ta se otpadna toplinska energija koristi za kuhanje vode za pokretanje parne turbine. Proces je poznat kao kombinirani ciklus proizvodnje električne energije.
Koja je razlika između parne i plinske turbine?
• Parna turbina kao radni fluid koristi visokotlačnu paru, dok plinska turbina kao radni fluid koristi zrak ili neki drugi plin.
• Parna turbina je u osnovi ekspander koji isporučuje zakretni moment kao izlazni rad, dok je plinska turbina kombinirani uređaj kompresora, komore za izgaranje i turbine koja izvršava cikličku operaciju za isporuku rada kao okretni moment ili potisak.
• Parna turbina je samo komponenta koja izvršava jedan korak Rankineovog ciklusa, dok plinski turbinski motor izvršava cijeli Braytonov ciklus.
• Plinske turbine mogu isporučiti ili okretni moment ili potisak kao izlazni rad, dok parne turbine gotovo cijelo vrijeme isporučuju okretni moment kao izlazni rad.
• Učinkovitost plinskih turbina puno je veća od parne turbine zbog viših radnih temperatura plinskih turbina. (Plinske turbine ~1500 0C i parne turbine ~550 0C)
• Prostor potreban za plinske turbine mnogo je manji od rada parne turbine, jer parna turbina zahtijeva kotlove i izmjenjivače topline, koji bi trebali biti povezani izvana za dodavanje topline.
• Plinske turbine su svestranije, jer se mogu koristiti mnoga goriva, a radni fluid, koji se mora kontinuirano puniti, je posvuda dostupan (zrak). S druge strane, parne turbine zahtijevaju velike količine vode za rad i uzrokuju probleme na nižim temperaturama zbog zaleđivanja.
