Газ турбинасы және бу турбинасы
Турбиналар – роторлы механизмдерді қолдану арқылы ағып жатқан сұйықтықтағы энергияны механикалық энергияға түрлендіру үшін қолданылатын турбомашиналар класы. Турбиналар, жалпы алғанда, сұйықтықтың жылу немесе кинетикалық энергиясын жұмысқа түрлендіреді. Газ турбиналары мен бу турбиналары жылу турбо машиналары болып табылады, мұнда жұмыс жұмыс сұйықтығының энтальпиясының өзгеруінен туындайды; яғни қысым түріндегі сұйықтықтың потенциалдық энергиясы механикалық энергияға айналады.
Сұйықтық ағынының бағыты бойынша турбиналар осьтік ағынды турбиналар және радиалды ағынды турбиналар болып бөлінеді. Техникалық тұрғыда турбина - компрессордың қарама-қарсы жұмысы болып табылатын қысымның төмендеуі арқылы механикалық жұмысты қамтамасыз ететін кеңейткіш. Бұл мақала көптеген инженерлік қолданбаларда жиі кездесетін осьтік ағынды турбинаның түріне бағытталған.
Осьтік ағынды турбинаның негізгі құрылымы энергияны алу кезінде сұйықтықтың үздіксіз ағынын қамтамасыз етуге арналған. Термиялық турбиналарда жұмыс сұйықтығы жоғары температурада және қысымда білікке бекітілген айналмалы дискіге орнатылған бұрыштық қалақтардан тұратын роторлар сериясы арқылы бағытталады. Әрбір ротор дискілерінің арасында саптамалар және сұйықтық ағынына бағыттаушы ретінде әрекет ететін стационарлық қалақтар орнатылған.
Бу турбинасы туралы толығырақ
Механикалық жұмыстарды орындау үшін буды пайдалану тұжырымдамасы ұзақ уақыт бойы қолданылғанымен, заманауи бу турбинасын 1884 жылы ағылшын инженері сэр Чарльз Парсонс жасаған.
Бу турбинасы жұмыс сұйықтығы ретінде қазандықтағы қысымды буды пайдаланады. Турбинаға түсетін қатты қызған бу роторлардың қалақтары арқылы қозғалатын қысымын (энтальпиясын) жоғалтады, ал роторлар өздері қосылған білікті жылжытады. Бу турбиналары қуатты біркелкі, тұрақты жылдамдықпен жеткізеді, ал бу турбинасының жылулық тиімділігі поршеньді қозғалтқышқа қарағанда жоғары. Бу турбинасының жұмысы жоғары RPM күйлерінде оңтайлы.
Қатаң айтқанда, турбина электр энергиясын өндіру үшін пайдаланылатын циклдік жұмыстың бір ғана құрамдас бөлігі болып табылады, ол Ранкин циклімен жақсы үлгіленген. Қазандар, жылу алмастырғыштар, сорғылар және конденсаторлар да жұмыстың құрамдас бөліктері болып табылады, бірақ турбинаның бөліктері емес.
Қазіргі заманда бу турбиналары электр энергиясын өндіруге арналған, бірақ 20 ғасырдың басында бу турбиналары кемелер мен локомотив қозғалтқыштары үшін электр станциясы ретінде пайдаланылды. Ерекшелік ретінде, дизельдік қозғалтқыштар мүмкін емес кейбір теңіз қозғалтқыш жүйелерінде, мысалы, ұшақ тасығыштары мен суасты қайықтарында, бу қозғалтқыштары әлі де қолданылады.
Газ турбинасы туралы толығырақ
Газ турбиналы қозғалтқыш немесе жай газ турбинасы жұмыс сұйықтығы ретінде ауа сияқты газдарды пайдаланатын іштен жанатын қозғалтқыш болып табылады. Газ турбинасы жұмысының термодинамикалық аспектісі Брейтон циклімен жақсы үлгіленген.
Газ турбиналы қозғалтқыш, бу турбинасына қарағанда, бірнеше негізгі құрамдас бөліктерден тұрады; олар іштен жанатын қозғалтқыштың әртүрлі тапсырмаларын орындау үшін айналмалы біліктің бойымен жиналған компрессор, жану камерасы және турбина. Кірістегі газды алу алдымен осьтік компрессордың көмегімен қысылады; ол қарапайым турбинаға дәл қарама-қарсы әрекетті орындайды. Содан кейін қысымды газ диффузор (диверсиялық саптама) сатысы арқылы бағытталады, онда газ жылдамдығын жоғалтады, бірақ температура мен қысымды одан әрі арттырады.
Келесі кезеңде газ жану камерасына түседі, онда жанармай газбен араласып, тұтанады. Жану нәтижесінде газдың температурасы мен қысымы керемет жоғары деңгейге дейін көтеріледі. Содан кейін бұл газ турбина бөлімінен өтеді, ал өткенде білікке айналмалы қозғалыс жасайды. Орташа өлшемді газ турбинасы біліктің айналу жылдамдығын 10 000 айн/мин құрайды, ал кішірек турбиналар 5 есе көп өндіруі мүмкін.
Газ турбиналары крутящий моментті (айналмалы білік арқылы), тарту күшін (жоғары жылдамдықты газды шығару арқылы) немесе екеуін біріктіріп өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін. Бірінші жағдайда, бу турбинасындағы сияқты, біліктің беретін механикалық жұмысы жоғары температура мен қысымды газдың энтальпиясының (қысымының) түрленуі ғана болып табылады. Білік жұмысының бір бөлігі компрессорды ішкі механизм арқылы жүргізу үшін қолданылады. Газ турбинаның бұл түрі негізінен электр энергиясын өндіру үшін және цистерналар, тіпті автомобильдер сияқты көліктерге арналған электр станциялары ретінде қолданылады. АҚШ-тың M1 Abrams цистернасы электр станциясы ретінде газ турбиналық қозғалтқышты пайдаланады.
Екінші жағдайда жылдамдықты арттыру үшін жоғары қысымды газ конвергациялық саптама арқылы бағытталады, ал итеру пайдаланылған газ арқылы жасалады. Газ турбинаның бұл түрі жиі әскери жойғыш ұшақтарды қуаттандыратын реактивті қозғалтқыш немесе турбореактивті қозғалтқыш деп аталады. Турбожелдеткіш жоғарыда айтылғандардың жетілдірілген нұсқасы болып табылады және білік жұмысы винтті басқару үшін қолданылатын турбовинтті қозғалтқыштарда қолданылады.
Нақты тапсырмаларға арналған газ турбиналарының көптеген нұсқалары бар. Олар басқа қозғалтқыштарға қарағанда (негізінен поршеньді қозғалтқыштар) жоғары қуат пен салмақ қатынасына, аз дірілге, жоғары жұмыс жылдамдығына және сенімділігіне байланысты артықшылық береді. Қалдық жылу толығымен дерлік пайдаланылған газ ретінде бөлінеді. Электр энергиясын өндіруде бұл қалдық жылу энергиясы бу турбинасын іске қосу үшін суды қайнату үшін пайдаланылады. Бұл процесс біріктірілген циклді қуат өндіру деп аталады.
Бу турбинасы мен газ турбинасы арасындағы айырмашылық неде?
• Бу турбинасы жұмыс сұйықтығы ретінде жоғары қысымды буды пайдаланады, ал газ турбинасы жұмыс сұйықтығы ретінде ауаны немесе басқа газды пайдаланады.
• Бу турбинасы негізінен жұмыс нәтижесі ретінде айналу моментін беретін кеңейткіш болып табылады, ал газ турбинасы компрессордың, жану камерасының және жұмысты айналдыру моменті немесе күш ретінде жеткізу үшін циклдік жұмысты орындайтын турбинаның біріктірілген құрылғысы.
• Бу турбинасы тек Рэнкин циклінің бір қадамын орындайтын құрамдас болып табылады, ал газ турбиналы қозғалтқыш Брейтон циклінің барлығын орындайды.
• Газ турбиналары крутящий моментті де жұмыс күші ретінде бере алады, ал бу турбиналары барлық уақытта дерлік моментті жұмыс өнімділігі ретінде береді.
• Газ турбиналарының жұмыс температурасының жоғары болуына байланысты газ турбиналарының тиімділігі бу турбинасына қарағанда әлдеқайда жоғары. (Газ турбиналары ~1500 0C және бу турбиналары ~550 0C)
• Газ турбиналарына қажетті орын бу турбинасы жұмысына қарағанда әлдеқайда аз, себебі бу турбинасы жылу қосу үшін сырттан қосылуы керек қазандар мен жылу алмастырғыштарды қажет етеді.
• Газ турбиналары жан-жақты, өйткені көптеген отынды қолдануға болады және үздіксіз берілуі керек жұмыс сұйықтығы барлық жерде (ауа) оңай қол жетімді. Бу турбиналары, керісінше, жұмыс істеу үшін көп мөлшерде суды қажет етеді және мұздануға байланысты төмен температурада қиындықтар туғызады.
