Kaasuturbiini vs höyryturbiini
Turbiinit ovat turbokoneita, joita käytetään muuttamaan virtaavan nesteen energia mekaaniseksi energiaksi roottorimekanismeja käyttämällä. Turbiinit muuttavat yleensä nesteen joko lämpö- tai liike-energian työksi. Kaasuturbiinit ja höyryturbiinit ovat lämpöturbiinikoneita, joissa työ syntyy käyttönesteen entalpian muutoksesta; eli paineen muodossa oleva nesteen potentiaalienergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi.
Nestevirtauksen suunnan perusteella turbiinit luokitellaan aksiaalivirtausturbiineihin ja radiaalivirtausturbiineihin. Teknisesti turbiini on laajennin, joka tuottaa mekaanista työtehoa paineen laskulla, mikä on kompressorin päinvastainen toiminta. Tämä artikkeli keskittyy aksiaalivirtausturbiinityyppiin, joka on yleisempi monissa teknisissä sovelluksissa.
Aksiaalivirtausturbiinin perusrakenne on suunniteltu mahdollistamaan jatkuva nestevirtaus samalla kun se ottaa energiaa. Lämpöturbiineissa korkeassa lämpötilassa ja paineessa oleva työneste ohjataan akseliin kiinnitetylle pyörivälle kiekolle asennettujen kulmissa olevien roottorien sarjan läpi. Jokaisen roottorilevyn väliin on asennettu kiinteät siivet, jotka toimivat suuttimina ja ohjaimina nestevirtaan.
Lisätietoja Steam Turbinesta
Vaikka käsitettä höyryn käyttämisestä mekaaniseen työhön käytettiin pitkään, englantilainen insinööri Sir Charles Parsons suunnitteli modernin höyryturbiinin vuonna 1884.
Höyryturbiini käyttää paineistettua höyryä kattilasta työnesteenä. Turbiiniin tuleva tulistettu höyry menettää paineensa (entalpian) liikkuessaan roottoreiden siipien läpi, ja roottorit liikuttavat akselia, johon ne on kytketty. Höyryturbiinit tuottavat tehoa tasaisella, tasaisella nopeudella, ja höyryturbiinin lämpöhyötysuhde on korkeampi kuin mäntämoottorin. Höyryturbiinin toiminta on optimaalinen korkeammilla kierroslukutiloilla.
Tarkasti sanottuna turbiini on vain yksi komponentti sähköntuotannossa käytettävästä syklisestä toiminnasta, joka mallinnetaan ihanteellisesti Rankinen syklillä. Kattilat, lämmönvaihtimet, pumput ja lauhduttimet ovat myös toiminnan osia, mutta ne eivät ole turbiinin osia.
Nykyaikana höyryturbiinien pääasiallinen käyttötarkoitus on sähköntuotanto, mutta 1900-luvun alussa höyryturbiineja käytettiin laivojen ja veturien voimalaitoksena. Poikkeuksena joissakin laivojen propulsiojärjestelmissä, joissa dieselmoottorit ovat epäkäytännöllisiä, kuten lentotukialuksissa ja sukellusveneissä, käytetään edelleen höyrykoneita.
Lisätietoja kaasuturbiinista
Kaasuturbiinimoottori tai yksinkertaisesti kaasuturbiini on polttomoottori, jossa käytetään kaasuja, kuten ilmaa työnesteenä. Kaasuturbiinin toiminnan termodynaaminen puoli mallinnetaan ihanteellisesti Braytonin syklillä.
Kaasuturbiinimoottori, toisin kuin höyryturbiini, koostuu useista avainkomponenteista; ne ovat kompressori, polttokammio ja turbiini, jotka on koottu pyörivää akselia pitkin suorittamaan erilaisia polttomoottorin tehtäviä. Kaasunotto tuloaukosta puristetaan ensin aksiaalikompressorilla; joka toimii täsmälleen päinvastoin kuin yksinkertainen turbiini. Painekaasu ohjataan sitten diffuusorivaiheen (hajotussuutin) läpi, jossa kaasu menettää nopeudensa, mutta nostaa lämpötilaa ja painetta entisestään.
Seuraavassa vaiheessa kaasu tulee polttokammioon, jossa polttoaine sekoitetaan kaasun kanssa ja sytytetään. Palamisen seurauksena kaasun lämpötila ja paine kohoavat uskomattoman korkealle tasolle. Tämä kaasu kulkee sitten turbiiniosan läpi ja läpikulkeessaan tuottaa pyörivää liikettä akselille. Keskikokoinen kaasuturbiini tuottaa jopa 10 000 rpm:n akselin pyörimisnopeudet, kun taas pienemmät turbiinit voivat tuottaa viisi kertaa niin paljon.
Kaasuturbiineja voidaan käyttää tuottamaan vääntömomenttia (pyörivän akselin avulla), työntövoimaa (suurnopeuksilla kaasunpoistolla) tai molempia yhdessä. Ensimmäisessä tapauksessa, kuten höyryturbiinissa, akselin tuottama mekaaninen työ on vain korkean lämpötilan ja paineen kaasun entalpian (paineen) muutos. Osa akselityöstä käytetään kompressorin ohjaamiseen sisäisen mekanismin kautta. Tätä kaasuturbiinin muotoa käytetään pääasiassa sähköntuotantoon ja ajoneuvojen, kuten säiliöiden ja jopa autojen, voimalaitoksina. US M1 Abrams -säiliö käyttää kaasuturbiinimoottoria voimalaitoksena.
Toisessa tapauksessa korkeapainekaasu ohjataan suppenevan suuttimen läpi nopeuden lisäämiseksi, ja pakokaasu tuottaa työntövoiman. Tämän tyyppistä kaasuturbiinia kutsutaan usein suihkumoottoriksi tai suihkuturbiinimoottoriksi, joka käyttää sotilashävittäjälentokoneita. Turbopuhallin on edistynyt muunnelma yllä olevasta, ja sekä työntövoiman että työn tuoton yhdistelmää käytetään potkuriturbimoottoreissa, joissa akselityötä käytetään potkurin ajamiseen.
Kaasuturbiineista on olemassa monia eri tehtäviin suunniteltuja muunnelmia. Niitä suositaan muihin moottoreihin (pääasiassa mäntämoottoreihin) verrattuna niiden korkean teho/painosuhteen, vähäisemmän tärinän, suurten toimintanopeuksien ja luotettavuuden vuoksi. Hukkalämpö haihtuu lähes kokonaan poistoilmana. Sähkön tuotannossa tätä hukkalämpöenergiaa käytetään veden keittämiseen höyryturbiinin pyörittämiseksi. Prosessi tunnetaan yhdistetyn syklin sähköntuotannona.
Mitä eroa on höyryturbiinilla ja kaasuturbiinilla?
• Höyryturbiini käyttää korkeapainehöyryä työnesteenä, kun taas kaasuturbiini käyttää ilmaa tai jotain muuta kaasua työnesteenä.
• Höyryturbiini on pohjimmiltaan laajennin, joka tuottaa vääntömomentin työtehona, kun taas kaasuturbiini on kompressorin, polttokammion ja turbiinin yhdistetty laite, joka suorittaa syklisen toiminnan tuottaakseen työtä joko vääntö- tai työntövoimana.
• Höyryturbiini on vain komponentti, joka suorittaa yhden Rankinen-syklin vaiheen, kun taas kaasuturbiinimoottori suorittaa koko Brayton-syklin.
• Kaasuturbiinit voivat tuottaa työtehona joko vääntömomentin tai työntövoiman, kun taas höyryturbiinit tuottavat vääntömomentin lähes koko ajan.
• Kaasuturbiinien hyötysuhde on paljon korkeampi kuin höyryturbiinin kaasuturbiinien korkeampien käyttölämpötilojen vuoksi. (Kaasuturbiinit ~1500 0C ja höyryturbiinit ~550 0C)
• Kaasuturbiinien tilantarve on paljon pienempi kuin höyryturbiinikäyttö, koska höyryturbiini vaatii kattiloita ja lämmönvaihtimia, jotka tulee liittää ulkopuolelta lämmön lisäämistä varten.
• Kaasuturbiinit ovat monipuolisempia, koska monia polttoaineita voidaan käyttää ja jatkuvasti syötettävää työnestettä on helposti saatavilla kaikkialla (ilmaa). Höyryturbiinit sen sijaan vaativat suuria määriä vettä toimiakseen ja aiheuttavat yleensä ongelmia alhaisissa lämpötiloissa jään vuoksi.
