Gázturbina kontra gőzturbina
A turbinák a turbógépek egy osztálya, amelyek az áramló folyadékban lévő energiát mechanikai energiává alakítják rotormechanizmusok segítségével. A turbinák általában a folyadék termikus vagy mozgási energiáját alakítják munkává. A gázturbinák és gőzturbinák termikus turbógépek, ahol a munkaközeg entalpiaváltozásából keletkezik a munka; azaz a folyadék potenciális energiája nyomás formájában mechanikai energiává alakul.
A folyadékáramlás iránya alapján a turbinákat axiális áramlású turbinákra és radiális áramlású turbinákra osztják. Technikailag a turbina egy expander, amely a nyomás csökkenésével ad le mechanikai munkateljesítményt, ami a kompresszor ellentétes működése. Ez a cikk az axiális áramlású turbina típusára összpontosít, amely sok mérnöki alkalmazásban gyakoribb.
Az axiális áramlású turbina alapszerkezetét úgy tervezték, hogy lehetővé tegye a folyadék folyamatos áramlását az energia kinyerése közben. A termikus turbinákban a munkaközeget magas hőmérsékleten és nyomáson a tengelyhez rögzített forgó tárcsára szerelt ferde lapátokból álló rotorok sorozatán keresztül vezetik át. Az egyes rotortárcsák közé álló lapátok vannak felszerelve, amelyek fúvókákként és a folyadék áramlását irányítják.
További információ a gőzturbináról
Bár sokáig használták a gőz mechanikai munkára való felhasználásának koncepcióját, a modern gőzturbinát Sir Charles Parsons angol mérnök tervezte 1884-ben.
A gőzturbina egy kazánból származó nyomás alatti gőzt használja munkaközegként. A turbinába belépő túlhevített gőz a rotorok lapátjain áthaladva elveszti nyomását (entalpiáját), a rotorok pedig mozgatják azt a tengelyt, amelyhez kapcsolódnak. A gőzturbinák egyenletes, állandó sebességgel adják le a teljesítményt, és a gőzturbinák termikus hatásfoka magasabb, mint a dugattyús motoroké. A gőzturbina működése optimális magasabb fordulatszámon.
Szigorúan véve a turbina csak egyetlen összetevője az energiatermeléshez használt ciklikus működésnek, amelyet ideális esetben a Rankine-ciklus modellez. A kazánok, hőcserélők, szivattyúk és kondenzátorok szintén a működés részei, de nem részei a turbinának.
A modern időkben a gőzturbinákat elsődlegesen elektromos energiatermelésre használják, de a 20. század elején a gőzturbinákat hajók és mozdonymotorok erőműveként használták. Kivételként néhány tengeri meghajtórendszerben, ahol a dízelmotorok nem praktikusak, mint például repülőgép-hordozók és tengeralattjárók, továbbra is a gőzgépeket használják.
További információ a gázturbináról
A gázturbinás motor vagy egyszerűen a gázturbina egy belső égésű motor, amely gázokat, például levegőt használ munkaközegként. A gázturbina működésének termodinamikai aspektusát ideálisan a Brayton-ciklus modellezi.
A gázturbinás motor a gőzturbinával ellentétben több kulcsfontosságú alkatrészből áll; ezek a kompresszor, az égéstér és a turbina, amelyek egy forgó tengely mentén vannak összeszerelve a belső égésű motor különböző feladatainak ellátására. A bemeneti nyílásból származó gázt először egy axiális kompresszor segítségével tömörítik; amely az egyszerű turbina pont ellenkezőjét végzi. A túlnyomásos gázt ezután egy diffúzoron (egy széttartó fúvókán) vezetik át, amelyben a gáz veszít sebességéből, de tovább növeli a hőmérsékletet és a nyomást.
A következő szakaszban a gáz belép az égéstérbe, ahol egy tüzelőanyag keveredik a gázzal és meggyullad. Az égés következtében a gáz hőmérséklete és nyomása hihetetlenül magas szintre emelkedik. Ez a gáz ezután áthalad a turbina szakaszon, és amikor áthalad, forgó mozgást okoz a tengely felé. Egy átlagos méretű gázturbina 10 000 ford./perc tengelyforgási sebességet produkál, míg a kisebb turbinák 5-ször annyit.
A gázturbinák felhasználhatók nyomaték (a forgó tengely által), tolóerő (nagy sebességű gázelszívó által) vagy mindkettő kombinációjának előállítására. Az első esetben, mint a gőzturbinában, a tengely által leadott mechanikai munka pusztán a magas hőmérsékletű és nyomású gáz entalpiájának (nyomásának) átalakulása. A tengelymunka egy része a kompresszor meghajtására szolgál egy belső mechanizmuson keresztül. A gázturbina ezen formáját főként elektromos áram előállítására használják, valamint járművek, például tartályok, sőt autók erőműveként. Az amerikai M1 Abrams tartályban gázturbinás motort használnak erőműként.
A második esetben a nagynyomású gázt egy konvergáló fúvókán keresztül vezetik át a sebesség növelése érdekében, és a tolóerőt a kipufogógáz hozza létre. Ezt a típusú gázturbinát gyakran sugárhajtóműnek vagy turbóhajtóműnek nevezik, amely a katonai vadászrepülőgépeket hajtja meg. A turbóventilátor a fentiek továbbfejlesztett változata, és a tolóerő és a munkagenerálás kombinációját használják turbólégcsavaros motorokban, ahol a tengelymunkát a légcsavar meghajtására használják.
A speciális feladatokra tervezett gázturbináknak számos változata létezik. Előnyben részesítik más motorokkal (főleg dugattyús motorokkal) szemben nagy teljesítmény/tömeg arányuk, kisebb vibrációjuk, nagy üzemi sebességük és megbízhatóságuk miatt. A hulladékhő szinte teljes egészében a kipufogógázként távozik. Az elektromos energiatermelésben ezt a hulladék hőenergiát víz forralására használják fel egy gőzturbina működtetéséhez. A folyamatot kombinált ciklusú energiatermelésnek nevezik.
Mi a különbség a gőzturbina és a gázturbina között?
• A gőzturbina nagynyomású gőzt használ munkaközegként, míg a gázturbina levegőt vagy más gázt használ munkaközegként.
• A gőzturbina alapvetően egy tágító, amely nyomatékot ad ki munkateljesítményként, míg a gázturbina kompresszorból, égéskamrából és turbinából álló kombinált eszköz, amely ciklikus műveletet hajt végre, hogy nyomatékot vagy tolóerőt adjon le.
• A gőzturbina csak a Rankine-ciklus egy lépését végrehajtó alkatrész, míg a gázturbinás motor a teljes Brayton-ciklust.
• A gázturbinák akár nyomatékot, akár tolóerőt képesek leadni munkateljesítményként, míg a gőzturbinák szinte mindig nyomatékot adnak le munkateljesítményként.
• A gázturbinák hatásfoka sokkal magasabb, mint a gőzturbináé a gázturbinák magasabb üzemi hőmérséklete miatt. (Gázturbinák ~1500 0C és gőzturbinák ~550 0C)
• A gázturbinák helyigénye jóval kevesebb, mint a gőzturbinás üzemelésnél, mert a gőzturbinához kazánok és hőcserélők szükségesek, amelyeket a hőadagoláshoz kívülről kell csatlakoztatni.
• A gázturbinák sokoldalúbbak, mert sok tüzelőanyag felhasználható, és a folyamatosan betáplálandó munkaközeg mindenhol könnyen elérhető (levegő). A gőzturbinák viszont nagy mennyiségű vizet igényelnek a működésükhöz, és a jegesedés miatt általában problémákat okoznak alacsonyabb hőmérsékleten.
