Įvadas: Kas yra Turbina?
Žodis „turbina“ dažnai skamba automobilių entuziastų lūpose, siejamas su didesne variklio galia. Tačiau kas iš tiesų slypi po šiuo terminu ir kaip veikia šis įrenginys? Terminas „turbina“ kilęs iš lotyniško žodžio „turbo“, reiškiančio sūkurį. Iš esmės, turbina yra vandens, garo arba dujų srovės sukamasis variklis, kuris verčia kinetinę energiją mechaniniu darbu.
Šiuo metu garo ir dujų turbinos yra pagrindiniai energetiniai varikliai. Šiluminėse ir atominėse elektrinėse turbinų sukami elektros generatoriai pagamina apie 80-85% bendro gaminamos elektros energijos kiekio. Garo ir dujų turbininiai įrenginiai pasižymi dideliu manevringumu, kas įgalina patenkinti maksimalų elektros poreikį. Turbinos plačiai naudojamos ne tik energetikoje, bet ir transporte: aviacijoje, povandeniniuose ir antvandeniniuose laivuose.
Turbina - tai variklis, kuriame potencinė garo arba dujų energija paverčiama kinetine garo (dujų) srauto energija, o kinetinė garo (dujų) srauto energija paverčiama į mechaninę turbinos veleno sukimosi energiją.
Turbinų Istorija ir Plėtra
Garo turbinų, kaip ir kitų garo variklių, pirmtaku galima laikyti maždaug 100 metų prieš Kristų Egipto mokslininko Hero iš Aleksandrijos pagamintą „reaktyvinį variklį“. Vandeniui verdant katile susidaręs garas dviem atraminiais vamzdžiais patekdavo į tuščiavidurę sferą ir iš jos ištekėdavo dviem lenktais vamzdeliais į aplinką. Ištekančio garo reaktyvinė jėga priversdavo sferą suktis. Hero buvo numatęs panaudoti savąjį variklį šventyklos durims atidarinėti.
Gerokai vėliau, 1629 metais, italų inžinierius Dž. Brankas (Giovanni Branca) buvo, ko gero, pirmasis, išradęs aktyviąją garo turbiną, kuri sėkmingai suko jo malūną. Branko turbinos darbo ratą suko iš indo su verdančiu vandeniu siaurėjančiu vamzdžiu ištekantis garas. Sukamasis judesys krumpliaračių sistema buvo perduodamas malūno įrangai.
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). Lavalio turbina - ašinė, vienpakopė, aktyvioji (impulsinė). Ji pasižymėjo labai dideliais sūkiais (daugiau nei 500 apsisukimų per sekundę) ir nedidele galia (mažiau nei 500 kW).
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.
Lietuvoje pirmoji garo turbina buvo įrengta Vilniaus elektrinėje 1912 metais, jos galia siekė 960 kW.
Po to, kai garai išsiplečia garo turbinoje, kad atliktų darbą, jie patenka į kondensatorių didelio vakuumo būsenoje ir kondensuojasi į vandenį. Kai garai patenka į garo turbiną visais lygiais, kad galėtų atlikti darbą, išmetamieji garai yra didesni nei atmosferos slėgis ir yra tiesiogiai naudojami pramoniniam ar buitiniam šildymui, be kondensatoriaus. Tam tikras parametras ir tam tikras garo kiekis yra ištraukiamas iš tam tikros pakopos ar kelių pakopų garo turbinos viduryje, kad būtų tiekiama šiluma į išorę, o likę išmetamieji garai vis tiek patenka į kondensatorių. Šio tipo garo turbina vadinama reguliuojamo ištraukimo garo turbina.
Kadangi šilumos vartotojas turi tam tikrus reikalavimus šildymo garų slėgiui, būtina reguliuoti išmetamųjų garų šildymo slėgį, kad jis atitiktų vartotojo poreikius. Po to, kai į garo turbiną patenkantys garai išplečiami, kad galėtų atlikti darbą keliais etapais, jie vėl įleidžiami į katilo šildytuvą šildymui, o tada grįžta į garo turbiną, kad toliau plėstųsi ir dirbtų, o išmetamieji garai patenka į kondensatorių.
Dujų Turbinos
Dujų turbinos tapo svarbiais, plačiai paplitusiais ir patikimais elektros energijos gamybos, transportavimo ir kitais įrenginiais. Dujų turbina yra vidaus degimo variklis, galintis deginti įvairius degalus, o tai prisideda prie jo universalumo. Dujų turbinos yra elektrinių, gaminančių elektros energiją, širdyje esantys varikliai. Dujų turbinos daugiausia naudojamos dujų turbininėse elektrinėse.
Atsižvelgiant į tai, kaip veikia dujų turbina, oras ištraukiamas iš atmosferos ir suspaudžiamas į kompresorių. Tada suslėgtas oras patenka į degimo kamerą, kur jis pašildomas. Po to karštas suspaustas oras teka per dujų turbinos mentes, suteikdamas dujų turbinai sukimosi judesį. Didžioji dalis dujų turbinos sukurtos energijos sunaudojama kompresoriui varyti, o likusi dalis - naudingam darbui. Dujų turbinos kaip darbinį skystį naudoja orą ar kitas dujas.
Garo Turbinos
Kaip rodo pavadinimas, garo turbina yra maitinama karštų dujinių garų energija ir veikia kaip vėjo turbinos ir vandens turbinos kryžius. Garo turbinos yra skirtos perduoti energiją iš skysčio į rotorių, kuris gali būti naudojamas kaip generatoriaus pavara elektrai gaminti arba kaip mechaninė pavara besisukančiai įrangai, pvz., kompresoriams ir siurbliams. Garo turbinos kaip darbinį skystį naudoja aukšto slėgio garą.
Garo turbinoje didelio greičio garai atsitrenkia į garo turbinos mentes. Kai garai atsitrenkia į mentes, jie suka turbinos rotorių. Generatorius prijungtas prie garo turbinos, kuri taip pat pradeda suktis ir generuoti elektrą.
Turbokompresoriai Automobiliuose
Šiuolaikiniuose automobiliuose, ypač dyzeliniuose ir daugelyje benzininių, turbokompresorius (arba tiesiog „turbina“, kaip jį mėgsta vadinti automobilių specialistai) yra tapęs neatsiejamu komponentu. Jis pradėjo populiarėti maždaug prieš du dešimtmečius.
Turbokompresoriaus Veikimo Principas
Pagrindinis turbokompresoriaus principas yra variklio galios didinimas. Vidaus degimo variklis veikia įtraukdamas orą ir kurą energijai gauti. Ši energija susidaro degimo metu, o likučiai pašalinami. Turbokompresorius iš esmės veikia kaip oro siurblys, padidinantis variklio galią.
Karštos išmetamosios dujos, susidarančios degimo procese, nukreipiamos į vieną turbokompresoriaus pusę - „turbininį“ ratą. Šios dujos priverčia ratą suktis. „Turbininis“ ratas yra sujungtas ašimi su kitu ratu - „kompresoriniu“. Abu ratai sukasi tuo pačiu greičiu.
Oras, einantis per „kompresorinį“ ratą, yra suspaudžiamas ir dėl trinties bei slėgio įkaista. Kadangi karštas oras yra mažiau tankus, prieš nukreipiant jį į degimo kameras, būtina jį atšaldyti. Tam naudojamas interkuleris, kuris sumažina suspausto oro temperatūrą. Atšaldytas oras tampa tankesnis, todėl į degimo kameras patenka didesnis jo kiekis. Didesnis oro kiekis leidžia sudeginti daugiau kuro, taip padidinant variklio galią.
Turbokompresorių Tipai
Automobilių pasaulyje dažniausiai sutinkami keli turbokompresorių tipai:
- Fiksuotos geometrijos mentės: Tai seniausias ir paprasčiausias tipas. Jie yra pigiausi remontuoti, tačiau jų efektyvumas yra trumpalaikis ir pasiekiamas tik nedideliame variklio sūkių diapazone.
- Kintamos geometrijos mentės (VGT - Variable Geometry Turbocharger): Šie turbokompresoriai veikia platesniame diapazone, tačiau yra techniškai sudėtingesni ir brangesni remontuoti.
- Dvigubi (angl. twin-scroll): Šie prietaisai apjungia ankstesnių tipų privalumus. Mažo diametro turbina efektyviai veikia esant žemiems variklio apsisukimams, o didelio diametro - aukštiems.
Svarbu ne maišyti dvigubo turbokompresoriaus (twin-scroll) su dviem turbokompresoriais (twin-turbo). „Twin-scroll“ reiškia, kad turbinos korpusas yra padalintas į du atskirus kanalus išmetamųjų dujų srautui, užtikrinant efektyvumą įvairiose sūkių ribose. „Twin-turbo“ reiškia, kad automobilyje sumontuoti du atskiri turbokompresoriai.
Turbokompresorių Privalumai ir Trūkumai
Pagrindinis turbokompresoriaus privalumas yra gebėjimas reikšmingai padidinti variklio galią ir efektyvumą, tuo pačiu mažinant emisijas. Priverstinis oro įpūtimas leidžia varikliui efektyviau deginti kurą, o tai gali lemti ir mažesnes degalų sąnaudas, palyginti su atmosferiniais varikliais. Pavyzdžiui, 1.6 litro darbinio tūrio atmosferinis variklis niekada neprilygs galia 1.6 litro varikliui su turbokompresoriumi. Šiuolaikiniai 1.6 litro varikliai su priverstiniu oro įpūtimu gali išvystyti apie 300 AG.
Tačiau turbokompresoriai turi ir trūkumų. Vienas jų - „turbo lagas“ arba „turbo duobė“, t. y., vėlavimas tarp akceleratoriaus paspaudimo ir momento, kai turbokompresorius pradeda tiekti suspaustą orą į variklį. Nors naujesnių tipų turbokompresoriai ir kiti techniniai sprendimai padeda šį efektą sumažinti, jis vis tiek gali būti juntamas. Didelės apkrovos, kurias patiria turbokompresorius, gali sutrumpinti kai kurių komponentų tarnavimo laiką, todėl gali padidėti remonto išlaidos. Pavyzdžiui, turbina gali suktis iki 100 000 apsisukimų per minutę.
Turbokompresoriaus Priežiūra ir Dažnos Problemos
Norint užtikrinti ilgą ir patikimą turbokompresoriaus tarnavimą, svarbu tinkamai jį prižiūrėti. Pagrindinės priežiūros priemonės:
- Reguliarus variklio alyvos keitimas: Tai ypač svarbu, nes tepimo sutrikimai yra viena dažniausių turbokompresorių gedimų priežasčių. Naudojant aukštos kokybės sintetinę alyvą ir keičiant ją kas 10 000 km, galima išvengti apnašų susidarymo.
- Alyvos ir oro filtrų keitimas: Šie komponentai tiesiogiai įtakoja turbokompresoriaus veikimą.
- Variklio darbo režimo pritaikymas: Po intensyvaus važiavimo, kai turbina dirbo didelėmis apsukomis, nerekomenduojama iškart gesinti variklio. Leidus varikliui bent porą minučių padirbti laisva eiga, alyva sušils ir palaipsniui atvėsins turbiną, taip išvengiant staigių temperatūros pokyčių.
Turbokompresoriaus remontas yra sudėtingas ir brangus procesas. Vidutinė remonto kaina gali svyruoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių eurų. Dažniausiai keičiami guoliai, tarpinės ir sparnuotės, paliekant senąjį korpusą. Jei turbina visiškai sugedusi, gali tekti pirkti naują, kurios kaina gali siekti ir tūkstantį eurų.
Viena iš svarbiausių turbokompresoriaus problemų yra detonacija. Ji kyla dėl suspausto oro temperatūros pakilimo, dėl ko oro ir degalų mišinys gali užsidegti anksčiau nei numatyta. Norint to išvengti, automobiliai su turbinomis dažnai reikalauja naudoti aukštesnio oktaninio skaičiaus degalus.
Kita problema - „turbo lagas“, kurį galima sumažinti naudojant mažesnio dydžio turbokompresorius, tačiau tai gali apriboti galią aukštuose sūkių diapazonuose. Didesni turbokompresoriai suteikia daugiau galios, bet turi didesnę „turbo pauzę“.
Siekiant išvengti turbokompresoriaus pažeidimo nuo per didelio apsisukimų skaičiaus, daugelyje automobilių naudojamas oro vožtuvas (wastegate). Jis matuoja suspaudimo lygį ir, pasiekus kritinį slėgį, leidžia daliai išmetamųjų dujų praeiti pro turbiną, taip kontroliuojant jos sukimosi greitį. Taip pat svarbus yra oro aušintuvas (interkūleris), kuris atvėsina kompresoriaus suspaustą orą. Aušinamas oras yra tankesnis, todėl į variklį patenka daugiau deguonies molekulių, o tai didina variklio galią. Interkūleris yra oro radiatorius, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio įėjimo.
Jei turbina sugedusi, automobilis gali pradėti intensyviau dūmyti iš duslintuvo, padidėti alyvos sąnaudos, o kartais sumažėti trauka.
Kaip pasigaminti turbo raugą? Receptas
Garo ir Dujų Turbinų Palyginimas
Elektrinės gamina elektrą įvairiais būdais. Du įprasti energijos gamybai naudojami elementai yra garas ir gamtinės dujos, kurių kiekvienam reikalinga skirtinga įranga ir veikimo sąlygos, kad būtų maksimaliai padidintas našumas. Žemiau pateikiamas pagrindinių dujų turbinos ir garo turbinos skirtumų vadovas:
| Savybė | Dujų Turbina | Garo Turbina |
|---|---|---|
| Komponentai | Kompresorius, degiklis ir galios turbina | Garo katilai ir priedai |
| Paleidimas | Paprastas ir greitas | Nėra lengvas ir užtrunka ilgai |
| Efektyvumas | Mažiau efektyvios | Labai efektyvios |
| Vidinė temperatūra | Apie 1500 °C | Apie 500-650 °C (mažiau nei pusė dujų turbinos) |
| Montavimo erdvė | Reikia mažiau vietos | Reikia daugiau vietos |
| Masinė produkcija (kW) | Mažesnė masė vienam pagamintam kilovatui | Aukštesnės kokybės vienam pagamintam kilovatui |
| Kaina | Pigesnės įrengti ir eksploatuoti | Reikia didesnių įrengimo ir eksploatavimo išlaidų |
| Valdymas | Lengva valdyti, keičiantis apkrovos sąlygoms | Sunku valdyti, keičiantis apkrovos sąlygoms |
| Priklausomybė nuo vandens | Nepriklauso nuo vandens tiekimo | Priklauso nuo vandens tiekimo |
| Ciklas | Atlieka visą Braitono ciklą | Yra tik komponentas, atliekantis vieną Renkino ciklo žingsnį |
| Darbinis skystis | Oras ar kitos dujos | Aukšto slėgio garas |
Vandens centrinė padėtis garo turbinose reiškia, kad kyla užšalimo pavojus. Vienas iš garų turbinos privalumų yra tai, kad vanduo nėra proceso esmė dujų turbinose, todėl jų veikimo nesustabdys užšalimas viduje. Garo turbinos šildomos naudojant kurą, pvz., gamtines dujas ir atsinaujinančią energiją, kuri gali sukurti švarią energiją, jei atsinaujinanti energija iš pradžių yra cirkuliuojantis vanduo, šildantis garo turbiną.
tags: #garo #ir #duju #turbinos