Dujų turbina - tai besisukanti jėgos mašina, kuri, kaip darbinį skystį, naudoja nuolatinį dujų srautą ir paverčia šilumos energiją mechaniniu darbu. Ji yra vidaus degimo variklio tipas, kurio darbinis skystis yra pats oras. Dujų turbinos yra svarbi moderniųjų energijos sistemų dalis, jų tolesnis vystymasis ir taikymas skatina energijos sektoriaus pažangą.
Dujų turbinos naudojamos plačiai: nuo didelių pramonės šakų, elektrinių, aviacijos (reaktyviniuose lėktuvų ir sraigtasparnių varikliuose), laivyno iki naftos ir dujų sektorių. Pavyzdžiui, dujų turbinos elektrinės yra svarbi moderniųjų jūrų sistemų dalis ir gali greitai paleisti bei reguliuoti išmetamą energiją. Pramonėje jos tiekia elektros energiją ir šilumą.
Dujų Turbinos Istorija ir Plėtra
Pirmasis garo variklis buvo pagamintas maždaug 100 metų prieš Kristų Egipto mokslininko Hero iš Aleksandrijos. 1629 metais italų inžinierius Dž. Brankas (Giovanni Branca) išrado aktyviąją garo turbiną. Pirmoji dujų turbina atsirado 1791 metais, anglui Dž. Barberiui (John Barber) užpatentavus dujų turbinos ciklą ir konstrukciją. Barberio dujų turbinos įrenginys susidėjo iš kompresoriaus, degimo kameros ir pačios turbinos.
Pirmąją pramoninę garo turbiną 1883 metais (kitais duomenimis - 1889 metais) įrengė švedų inžinierius G. Lavalis (Gustav Laval). 1884 metais anglų inžinierius Č. Parsonsas (Charles Parsons) pasiūlė daugiapakopės reaktyviosios turbinos su slėgio pakopomis idėją. 1896 metais prancūzas A. Rato (Auguste Rateau) išrado daugiapakopę aktyviąją turbiną, kuri turėjo tris aktyviąsias slėgio pakopas. Tais pačiais (1896) metais amerikietis Č. Kertis (Charles Curtis) užpatentavo pirmąją daugiapakopę garo turbiną su greičio pakopomis. Pirmąją dujų turbiną, kurią galima laikyti šiuolaikine, suprojektavo F. Štolcas (Franz Stolze) 1872 metais.
Šiuolaikinės galingos turbinos gaminamos ne tik daugiapakopės, bet ir kelių skirtingo slėgio cilindrų. Garo turbinų galia siekia 1700 MW ir daugiau, dujų turbinų galia būna 340 MW ir didesnė.
Dujų Turbinos Komponentai ir Bendras Veikimo Principas
Pagrindiniai dujų turbinos ciklo komponentai yra kompresorius, degimo kamera ir turbina. Šis ciklas paprastai vadinamas paprastuoju ciklu. Dauguma dujų turbinų naudoja paprastą ciklo schemą.
Dujų turbinos veikimo principas yra identiškas visų variklių, naudojamų energijai iš cheminio kuro išgauti. Turbininio variklio atveju, tie patys keturi veiksmai atliekami tuo pačiu metu, bet skirtingose vietose.
Pradinė dujų temperatūra ir kompresoriaus suspaudimo laipsnis yra du pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos dujų turbinos efektyvumui. Padidinus pradinę dujų temperatūrą ir atitinkamai padidinus suspaudimo laipsnį, galima žymiai pagerinti dujų turbinos efektyvumą.
Kompresorius
Kompresorius arba oro siurblys, yra atsakingas už tai, kad turbina būtų aprūpinta reikiamu oro kiekiu, kurio reikia, kad ji veiktų efektyviai, tiekiant orą esant labai aukštam statiniam slėgiui. Jis įtraukia orą iš išorės per oro filtrą, pakelia jo slėgį per mentes, jį suspaudžia ir siunčia į degimo kamerą. Dujų turbinų kompresorių paprastai varo dujų turbinos plėtimosi darbas, tai yra turbinos apkrova.
Dujų turbinų varikliams reikia žymiai daugiau oro nei stūmokliniams varikliams. Ir oras turi būti švarus. Būtini oro filtrai kartais pasiekia tokį dydį, kad mikroturbinų pranašumas ir kompaktiškumas visiškai pradingsta.
Degimo Kamera
Kai oras praeina pro difuzorių, jis patenka į degimo skyrių, kuris yra žinomas kaip degiklis. Degimo sekcija turi užduotį, kuri kontroliuoja kuro ir oro degimą. Degalai (dujos ar skystasis kuras) įpurškiami į degimo kamerą, kur degina ir sumaišoma su aukštos temperatūros suslėgtu oru degimui esant pastoviam slėgiui. Išskiriama šiluma turi būti tokia, kad oras išsiplėstų ir įsibėgėtų, užtikrinant sklandų ir stabilų tolygiai šildomų dujų srautą visomis darbo sąlygomis.
Turbina
Turbina yra sudėtingas elementas, esantis dujų turbinos sistemos centre ir atsakingas už terminės energijos pertvarkymą į mechaninę energiją. Susidarančios aukštos temperatūros ir aukšto slėgio išmetamosios dujos po degimo ir kaitinimo plečiasi, patenka į turbinos zoną ir praeina per pirmojo lygio mentes, stumdamos galios mentes dideliu greičiu suktis, kol išleidžiamos iš dujų išleidimo angos ir tampa išmetamosiomis dujomis.
- Lopos (mentės): Šios lopos yra montuojamos ant centrinio diskio ir yra atsargiai suformuotos, kad efektyviai ištrauktų energiją iš karštų dujų srauto. Jos dažniausiai yra gaminamos iš aukštos temperatūrai atsparių medžiagų, pavyzdžiui, nikeliu pagrįstų arba kobaltu pagrįstų lydinių.
- Centras: Lopos yra montuojamos ant centro, kuris yra prijungtas prie sukamojo veleno ir perduoda sukamąją jėgą, kurią sukuria lopos, į veleną.
- Veleno: Veleno jungiasi su centru ir perduoda energiją, kurią generuoja centro sukimas, į generatorių ar kitą mechaninę įrangą.
- Korpusas: Korpusas apverčia visą turbiną, teikdamas uždaro dujų srautą, kad būtų galima išlaikyti aukštą temperatūrą ir slėgį. Turbinos korpusas liejamas iš temperatūrai atsparaus lydinio. Turbinos sukimosi greitis priklauso nuo jos korpuse esančio kanalo dydžio ir formos.
Dujų turbina naudoja aukštos greičio ir aukštos temperatūros dujų srautą, kad sukeltų lopų sukimą. Dujų srautas įplaukia iš degimo kameros į turbinos lopus, smogia juos, sukuria sukamąją jėgą, kuri verčia centrą ir veleną suktis. Sukamojo veleno energija perduodama į generatorių ar kitą mechaninę įrangą, ir galiausiai konvertuojama į elektros arba mechaninę energiją.
Turbinos rotorius taip pat gaminamas iš aukštos kokybės medžiagų, atsparių aukštai temperatūrai. Prie ašies stipriai pritvirtinamas turbinos rotorius. Ašies medžiaga skiriasi nuo medžiagos, naudojamos turbinos rotoriui. Ši jungtis sumontuojama tokiu būdu. Ašis ir rotorius, besisukantys skirtingomis kryptimis labai dideliu greičiu, spaudžia vienas kitą. Dėl trinties išsiskirianti šiluma sulieja juos vieną su kitu, suformuodama neišardomą vienetą. Ašis sujungimo vietoje tuščiavidurė. Ši tuštuma apsunkina šilumos perdavimą iš turbinos rotoriaus į jos ašį.
Turbokompresoriaus Veikimas
Turbokompresorius, arba trumpiau „turbina“, dažnai šiuolaikiniuose varikliuose sutinkamas agregatas. Tai turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresoriumi, kuris pumpuoja orą į variklį. Jis skirtas padidinti cilindrų užpildymo šviežiu oru koeficientą, kad būtų galima naudingiau išnaudoti esamą degimo kameros tūrį. Minėtas prietaisas suspaudžia į variklį tiekiamą orą ir suteikia galimybę esant reikalui įpurkšti daugiau kuro. Taip pakeliama variklio galia, jo naudingumo koeficientas, sumažinamas variklio dūmingumas. Dyzelinio variklio turbokompresorius sukasi nuo 1000 iki 130 000 aps./min.
Turbina tiesiogiai jungiama su kompresoriumi tvirta ašimi. Kompresorius įtraukia per oro filtrą šviežio oro, suspaudžia jį ir suspaustą išleidžia į variklio įleidžiamąjį kolektorių. Teoriškai egzistuoja turbinos ir turbokompresoriaus kompresoriaus galingumų pusiausvyra: kuo daugiau energijos turi panaudotos dujos, tuo greičiau suksis turbina.
Turbokompresoriaus Detalės ir Sandarinimas
Prie plonesnio ašies galo montuojamas kompresoriaus rotorius; ten yra sriegis, ant kurio užsukama apsauginė veržlė rotoriui pritvirtinti. Kompresoriaus rotorius stipriai pritvirtintas prie turbinos ašies, taigi sukasi tokiu pat greičiu kaip ir turbinos rotorius. Taip įsiurbiamas oras nukreipiamas į rotoriaus periferiją ir menčių nubloškiamas link kompresoriaus korpuso sienelės. Dėl to oras suslegiamas ir per įleidžiamąjį kolektorių patenka į variklį.
Turbokompresorius sutepamas nuo variklio sutepimo sistemos. Ašies korpusas yra centrinė turbokompresoriaus dalis, esanti tarp turbinos ir kompresoriaus. Ašis sukasi slydimo guoliuose. Motorinė alyva kanalais nuteka tarp korpuso ir guolių, taip pat tarp guolių ir ašies. Paskutiniu metu atsirado konstrukcijų, kuriose guolis nejuda, o ašis sukasi alyvos vonelėje. Kompresorius sandarinamas iš abiejų pusių įmontuojant alyvą sulaikančias tarpines ir sandarinimo žiedus. Nors šie žiedai ir padeda išvengti alyvos nuotėkio, jie iš tiesų nėra sandarinimo tarpinės. Juos reikia laikyti elementu, apsunkinančiu oro nuotėkį tarp turbinos, kompresoriaus ir ašies korpuso.
Įprastu turbokompresoriaus darbo režimu turbinoje ir kompresoriuje slėgis didesnis nei ašies korpuse. Visi alyvos sandarikliai yra dinaminio tipo. Iš turbinos pusės sandarinimo žiedai išdėstyti grioveliuose (tiek ašies korpuse, tiek ir ant pačios ašies). Tokiu pat principu žiedai sumontuoti ir iš kompresoriaus pusės. Sandarinimo žiedai atlieka svarbiausią vaidmenį užtikrinant hermetiškumą. Kai variklis dirba mažomis apsukomis arba be apkrovos, už rotoriaus susidaro mažesnio slėgio zona. Alyva, tekanti nuo sandarinimo žiedų, nuteka vidine plokštelės puse žemyn, t. y. link angos alyvai nutekėti. Jei kompresoriuje susidarytų vakuumas, dujos įsiurbiamos lengviau nei gerokai sunkesnė alyva.
Bet kokioje ašies korpuso konstrukcijoje numatyta šilumos mainų sumažinimo būtinybė tarp turbinos su sandarinimo žiedais ir kompresoriaus. Šiuo tikslu iš turbinos pusės įmontuojama termoizoliacinė plokštelė, o ašies korpuse yra daugybė elementų šilumos mainams.
Dujų Turbinos Veikimo Teorija
Prieš pradedant reikia trumpai apžvelgti vieną iš fizikos dėsnių - idealių dujų dėsnį, kurio esmė yra tokia: dujų temperatūra, slėgis ir tūris yra tarpusavyje susiję. Suspaudus dujas (sumažinus jų tūrį), temperatūra pakils. Leidžiant dujoms plėstis, dujų temperatūra ir slėgis sumažės. Padidinus dujų temperatūrą, padidės dujų slėgis (uždaroje erdvėje) arba tūris (jei dujoms leidžiama plėstis). Kuo didesnis slėgių skirtumas, tuo didesne jėga dujos veržiasi į žemesnio slėgio zoną.
Keturiavartis variklis atlieka darbą plečiantis dujoms uždaroje erdvėje, kai didelis dujų slėgis spaudžia stūmoklį. Be to, dujos degimo metu įkaista, todėl gaunami dar didesni slėgiai, o tuo pačiu ir didesnis galingumas. Didžioji šilumos dalis išmetama lauk į išmetimo vamzdį dar prieš ją panaudojant, nes cilindras yra per trumpas, kad visą šilumą paverstų mechanine energija.
Taigi, turbokompresorius (turbocharger) - tai turbina, varoma išmetamųjų dujų, kuri velenu sujungta su kompresoriumi, kuris pumpuoja orą į variklį. Didesnis oro kiekis cilindre reiškia, kad daugiau kuro galima sudeginti viename variklio cikle. Daugiau sudegusio kuro reiškia daugiau išmetamųjų dujų, daugiau išmetamųjų dujų reiškia didesnę galią ir išsiplėtimą. Tai tiesiog „nemokami priešpiečiai“ inžinerijoje, todėl kad beveik be jokių išlaidų panaudojama galia, kuri kitaip būtų prarandama.
Energijos panaudojimas ir Efektyvumas
Dažnai klystama, kad išmetamųjų dujų turbiną varo tiktai kinetinė dujų energija, kai dujos atsitrenkia į turbinos sparnelius. Taip, išmetimo dujų srauto kinetinė energija tikrai prisideda prie turbinos darbo, tačiau didžioji išgaunamos energijos dalis ateina iš kitur. Aukšta temperatūra, didelis slėgis ir mažas tūris yra didelės energijos būsenos, o žema temperatūra, mažas slėgis ir didelis tūris yra mažos energijos būsenos.
Banga susijungia su išmetimo bangomis iš kitų cilindrų ir patenka į turbinos įėjimą, kuriame nedaug vietos. Šiame taške mes turime labai didelius slėgimą ir temperatūrą, taigi mūsų dujos turi daug energijos. Kai pro difuzorių dujos patenka į turbinos vidų, iš mažos ertmės jos patenka į didelę. Atitinkamai dujos plečiasi, vėsta, krenta jų greitis ir visą energiją jos atiduoda turbinos sparneliams. Sparneliai yra sumaniai įkišami į turbinos vidų taip, kad besiplečiančios dujos slėgtų turbinos sparnelius ir verstų ją suktis. Tokiu būdu gaunama energija iš išmetimo dujų šilumos, kuri šiaip būtų buvusi prarasta.
How a gas turbine works | GE Vernova
Kaip Paimti Daugiau Energijos iš Dujų?
Kai visa kita yra pastovūs dydžiai, turbinos atliekamas darbas yra nusakomas slėgių skirtumu tarp turbinos įėjimo ir išėjimo. Padidinus įėjimo slėgimą, sumažinus išėjimo, arba pakeitus abu, gaunama daugiau galios. Slėgis yra karštis, karštis yra slėgimas. Pakelti įėjimo slėgį turbinoje galima, bet sudėtinga. Sumažinti išėjimo slėgį lengva - pakanka prisukti didesnį išmetimo vamzdį su mažesniu pasipriešinimu dujų srautui.
Slėgio sumažinimas turbinos išėjime padidina slėgių skirtumą, išmetimo dujos turbinoje išsiplečia daugiau ir atlieka daugiau darbo. Taip pat turėtų būti pastebimas mažesnis sukimo momento kritimas prie maksimalių variklio apsukimų, kurio priežastis - ribotas išmetimo sistemos pajėgumas praleisti dujų srautą. Jei viršijamas maksimalus išmetimo sistemos pralaidumas, visas papildomas dujų kiekis, kurį jūs bandysite prastumti pro išmetimo sistemą, tik didins turbinos išėjimo slėgimą. Didesnis išėjimo slėgimas reiškia mažesnį slėgių skirtumą, mažiau darbo ir mažesnį sukimo momentą.
Interkuleris (Intercooler)
Suspaustas oras, išeinantis iš turbokompresoriaus kompresorinės pusės, įkaista dėl atlikto darbo su oru. Tai yra nepageidautina, nes aukštos temperatūros dujos turi mažesnį tankį, o tai gali sukelti detonaciją ir riboti variklio galingumą. Siekiant atvėsinti orą, neprarandant slėgio, naudojamas interkuleris. Tai paprastas oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus išėjimo ir variklio įėjimo ir aušinamas aplinkinio oro srautu. Interkūleryje visada krenta suspausto oro slėgis.
Wastegate (Veistgeitas)
Turbina - tai įrenginys su teigiamu grįžtamuoju ryšiu: kuo daugiau galios gauname, tuo daugiau susidaro išmetimo dujų, kuo daugiau turime išmetimo dujų, tuo daugiau suspaudžiame orą ir gauname galios. Dėl to būtina apriboti galingumą ir pasiekti, kad turbina veiktų pastoviu greičiu, taip maksimizuojant kompresoriaus efektyvumą. Šį slėgį ir kontroliuoja veistgeitas (wastegate), lietuviškai vadinamas „dujų pertekliaus pašalinimo kanalu“.
Veistgeitas yra paprasčiausias vožtuvas, kuris atsidaro pasiekus tam tikrą oro slėgį (boost level) ir praleidžia išmetimo dujas aplink turbiną vietoje to, kad leistų dujoms eiti per turbiną. Tokiu būdu sumažinamas slėgių skirtumas tarp turbinos įėjimo ir išėjimo, todėl atliekama mažiau darbo ir turbinos sukimasis sulėtėja. Vienintelė subtilybė yra tame, kad veistgeitui turi užtekti pajėgumo praleisti visą dujų perteklių, antraip bus tolesnis lėtas oro slėgimo ir variklio galios didėjimas turbokompresoriaus darbo metu (boost creep).
BOV (Blow-off Valve)
BOV (Blow-off Valve) paima brangiai suslėgtą orą ir išmeta jį lauk, tačiau šis įtaisas yra būtinas. Kai automobilis greitėja ir turbina yra pilnai įsisukusi, staigiai atleidus akceleratoriaus pedalą, droselio sklendė užsidaro. Suspaustas oras, vietoje to, kad nuolatiniu srautu tekėtų į variklį, atsitrenkia į uždarytą sklendę. Tiksliau tariant, gaunama aukšto slėgio bangą, kuri keliauja nuo droselio sklendės atgal į kompresorių ir trenkiasi į kompresoriaus sparnelius. Nuo pasikartojančių smūgių kenčia kompresoriaus mentės ir veleno guoliai, be to, sumažėja turbinos apsukimai ir vėliau tenka gaišti laiką pakartotiniam jos įsukimui.
BOV montuojamas tarp kompresoriaus ir droselio sklendės. Jei BOV pastebi smūgio bangą, išleidžia ją kur nors - atgal į atmosferą arba į kompresoriaus įėjimą. Tokiu būdu prarandamas slėgis, bet išsaugomi turbinos apsukimai.
Dujų Turbinų Tipai
- Aksialinė turbina: Dujų srautas yra lygiagretus sukamajam ašies, o lopų išdėstymas yra aksialusis. Šis tipas tinka dideliems dujų turbinams su aukštesniu efektyvumu.
- Radialinė turbina: Dujos srautas įplaukia iš turbinos išorės ir kryptį paima link centro, o lopai yra išdėstyti radialiai. Šis tipas tinka mažoms dujų turbinoms ir yra kompaktiškas.
Dujų Turbinų Privalumai ir Trūkumai
Privalumai
- Maksimalus efektyvumas, optimali nauda: Nuolat tobulėjant aukštos temperatūros medžiagoms, o turbina naudoja aušinimo mentes ir nuolat gerina aušinimo efektą, pradinė dujų temperatūra prieš turbiną palaipsniui didėja, kartu nuolat mažėjant kūrimo etapų skaičiui, kompresorius turi aukštesnę temperatūrą ir didesnį suspaudimo laipsnį bei įvairių komponentų efektyvumo gerinimą, kad dujų turbinos efektyvumas ir toliau gerėtų.
- Mažas dydis ir patogus naudoti: Dujų turbinų galios komponentai projektuojami ir konstruojami iš turbokompresorių ir pagalbinių jėgos agregatų, o konstrukcija yra paprasta ir kompaktiška. Palyginti su tradicine įranga, dujų turbinų įranga yra mažesnio masto ir tūrio nei tradiciniai katilai ir garo turbinos, užima nedidelį plotą ir yra lengvai perkeliama.
- Sumažintas anglies deginimas, švarus ir nekenksmingas aplinkai: Dujų turbinos gali naudoti ne anglį, o kitą kurą, pvz., gamtines dujas, propaną, naftos gręžinių dujas, anglies sluoksnio metaną, biodujas, benziną, dyzeliną, žibalą, alkoholį ir kt. Be to, kontroliuojant gamybą, dujų turbina gali pasiekti itin mažą NOx emisiją degimo proceso metu arba išmetamų išmetamųjų dujų denitrifikavimą, kai NOx susidaro ir išleidžiamas į atliekų šilumos katilą, ir gali visiškai perdirbti išteklius ir iš tikrųjų pasiekti nulinės emisijos.
- Minimalus triukšmas, saugus ir patikimas: Žemų dažnių, sukuriamų veikiant dujų turbinai, kiekis yra mažas.
- Didelė specifinė galia: Dujų turbinų varikliai yra kelis kartus lengvesni ir kompaktiškesni nei stūmokliniai varikliai su vienoda galia.
Trūkumai
- Ribotas darbinių apsukimų intervalas: Turbokompresorius labai efektyvus prie tam tikrų apsukimų ir tam tikro dujų kiekio, bet jei veleno apsukimus keisite dideliame intervale, efektyvumas smarkiai sumažės. Jei greitis per didelis, pradeda veikti kavitacija, kitokie nepageidautini aerodinaminiai reiškiniai, ir oro srautas sumažėja. Jei greitis per mažas, sparneliai negauna pakankamo „stumtelėjimo“ ir dujų srautas taip pat sumažėja.
- Turbo lagas: Tai vienintelis didelis turbinų trūkumas. Tai laikas, kol turbina pasiekia reikiamą greitį ir sukuria pakankamą slėgį.
- Didelės degalų sąnaudos trumpalaikiais režimais: Toks variklis sunaudoja daug degalų tuščiąja eiga ir greitėjant.
- Aukšta dujų temperatūra: Labai aukšta dujų, patenkančių į turbinos mentes, temperatūra reikalauja brangių karščiui atsparių lydinių.
- Oro švarumo reikalavimai: Dujų turbinų varikliams reikia žymiai daugiau oro nei stūmokliniams varikliams, ir oras turi būti švarus. Būtini oro filtrai pasiekia tokį dydį, kad mikroturbinų pranašumas ir kompaktiškumas visiškai pradingsta.
- Toksiškumas: Tai yra padidėjusių degalų sąnaudų tarpiniuose režimuose pasekmė.
Ateities Perspektyvos
Nors dujų turbinų varikliai turi trūkumų, ypač taikant juos automobiliuose, šiuolaikinė hibridinė-elektrinė revoliucija atveria naujas galimybes. Jei mikroturbina yra prijungta ne prie ratų ar pavarų dėžės, o tik suka generatorių, veikiantį pastoviu traukos režimu, tada visos problemos, susijusios su didelėmis degalų sąnaudomis trumpalaikiais režimais, išnyksta savaime. Tai paaiškina kinų gamintojų susidomėjimą šia technologija, kuriems nereikia perstatyti esamų stūmoklinių variklių gamyklų, o statyti viską nuo nulio.
tags: #duju #turbinos #veikimo #principas