Turbina cu gaze
O turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).
Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, care extrage din ele lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.
Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, care extrage din ele lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.
Schema funcţionării unei turbine cu gaze cu compresor axial.
Clasificarea turbinelor cu gazeÎn afară de clasificarea turbinelor termice în general, turbinele cu gaze se pot clasifica:
După destinație
Turbine cu gaze pentru aviație
Turbinele cu gaze pentru aviație sunt cunoscute și sub numele de motoare cu reacție, însă denumirea de motor cu reacție acoperă o arie mai largă, ea cuprinde și agregatele de tracțiune prin reacție care nu au turbine.
Turboreactorul (engleză Turbojet) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la o presiune anume, peste presiunea atmosferică, astfel încât turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesară antrenării compresorului. În continuare, gazele de ardere se destind până la presiunea atmosferică într-un ajutaj plasat după turbină, ajutaj care generează forța de propulsie pentru avion. Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cu numărul Mach peste 0,8 (cca. 900 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Turbopropulsorul (engleză Turboprop) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la presiunea atmosferică, astfel că turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare decât cea necesară antrenării compresorului. Puterea în plus este folosită la antrenarea unei elice plasată în fața motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numărul Mach între 0,5 și 1,0 (cca. 600 – 1200 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 – 1000 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Turboventilatorul(engleză Turbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată și cu multe pale (numită ventilator), cu funcționare economică și generând un zgomot redus. O parte din fluxul de aer antrenat de ventilator intră în compresor, iar restul curge în jurul carenajului motorului, generând și el o forță de tracțiune.
Turbina de elicopter (engleză Turboshaft), zis și motor cu turbină liberă este similară unui turbopropulsor, diferența constând în faptul că puterea nu se transmite în față, unei elice de tracțiune, ci în spate, unui reductor care o distribuie elicelor rotorului principal.
După destinație
- turbine de tracțiune pentru aviație (turboreactoare, turbopropulsoare, turboventilatoare și turbine pentru antrenarea elicelor elicopterelor);
- turbine de tracțiune navale;
- turbine de tracțiune terestre (pentru locomotive, autovehicule, motociclete, tancuri etc.);
- turbine de supraalimentare a motoarelor cu ardere internă.
- turbine energetice (pentru termocentrale cu ciclu cu gaze simplu sau cu ciclu combinat abur-gaz);
- turbine cu recuperator;
- turbine fără recuperator.
- cu ciclu închis;
- cu ciclu deschis.
Turbine cu gaze pentru aviație
Turbinele cu gaze pentru aviație sunt cunoscute și sub numele de motoare cu reacție, însă denumirea de motor cu reacție acoperă o arie mai largă, ea cuprinde și agregatele de tracțiune prin reacție care nu au turbine.
Turboreactorul (engleză Turbojet) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la o presiune anume, peste presiunea atmosferică, astfel încât turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesară antrenării compresorului. În continuare, gazele de ardere se destind până la presiunea atmosferică într-un ajutaj plasat după turbină, ajutaj care generează forța de propulsie pentru avion. Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cu numărul Mach peste 0,8 (cca. 900 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Turbopropulsorul (engleză Turboprop) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la presiunea atmosferică, astfel că turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare decât cea necesară antrenării compresorului. Puterea în plus este folosită la antrenarea unei elice plasată în fața motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numărul Mach între 0,5 și 1,0 (cca. 600 – 1200 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 – 1000 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Turboventilatorul(engleză Turbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată și cu multe pale (numită ventilator), cu funcționare economică și generând un zgomot redus. O parte din fluxul de aer antrenat de ventilator intră în compresor, iar restul curge în jurul carenajului motorului, generând și el o forță de tracțiune.
Turbina de elicopter (engleză Turboshaft), zis și motor cu turbină liberă este similară unui turbopropulsor, diferența constând în faptul că puterea nu se transmite în față, unei elice de tracțiune, ci în spate, unui reductor care o distribuie elicelor rotorului principal.
Turbine cu gaze pentru tracțiune terestră Au existat câteva tentative de realizare a unor autovehicule cu turbină cu gaze, de exemplu Rover - JET1 (1950) și Chrysler - câteva prototipuri (1950 – 1980). Toate au avut un consum de combustibil inacceptabil de mare, chiar pentru vremurile acelea. În 1993 General Motors a produs primul autovehicul comercial hibrid, acționat de o turbină cu gaze.
Mai mult succes au avut turbinele cu gaze la autovehiculele de competiție și record. Mașini echipate cu turbine cu gaze au participat la cursele de la Le Mans (1963) și Indianapolis 500 (1967), când s-au situat în fruntea curselor, dar n-au reușit să le câștige din cauza fiabilității reduse a acestor prototipuri. În domeniul vitezei maxime terestre, mașini ca Green Monster, acționată de o turbină General Electric J79 (vezi componentele în figurile de mai sus), condusă de Art Arfons, Spirit of America, acționată tot de o turbină General Electric J79 și condusă de Craig Breedlove au deținut multe recorduri mondiale. Mașina Thrust2 acționată de o turbină Rolls-Royce Avon, condusă de Richard Noble a fost prima care a depășit viteza de 1000 km/h. Recordul mondial actual a fost stabilit de mașina ThrustSSC, acționată de două turbine Rolls-Royce Spey (varianta militară), condusă de Andy Green și este de 1227,99 km/h (Ma = 1,016 – supersonic).
În anul 2000 Marine Turbine Technologies Inc. a produs motocicleta MTT Turbine Superbike, cunoscută și sub numele de Y2K Turbine Superbike, echipată cu o turbină Rolls-Royce Allison 250, cu o putere de 238 kW, care este considerată cea mai puternică motocicletă de serie din lume și care a atins viteza de 365 km/h.
Turbinele cu gaze au fost folosite și pentru tracțiune feroviară la așa-numitele turbotrenui. Primele locomotive cu turbine de gaze au fost livrate de firma Brown-Boveri înainte de cel de al doilea război mondial. În Anglia, Metropolitan Vickers a produs locomotive acționate de turbine de gaze. Între anii 1948 și 1970 Union Pacific a folosit pe scară largă locomotive din seria UP, acționate de turbine de gaz de 1800 – 10000 hp fabricate de firma Westinghouse.
Ca aplicații militare, se menționează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate energetice la tancuri. Exemple sunt tancul american M1 Abrams și tancul sovietic/rusesc T-80.
Turbine cu gaze pentru tracțiune navală
Datorită raportului excelent putere/greutate, turbinele cu gaze au fost folosite și la acționarea navelor rapide. Exemple de astfel de nave au fost în Anglia vedetele MGB 2009 și fregatele Type 81, în Suedia vedetele torpiloare din clasa 6 Spica, acționate de turbine Proteus 1282 fabricate de Bristol Siddeley , în Finlanda corvetele din clasa Turunmaa, acționate de turbine Rolls-Royce Olympus TMB3, în Canada distrugătoarele port-elicopter din clasa Canadian Iroquois, iar în SUA cuterele din clasa Hamilton ale U.S Coast Guard.
Grupuri de turbosupraalimentare
Un grup de turbosupraalimentare este o mică turbină ce gaze, la care rolul de cameră de ardere îl joacă un motor cu combustie internă. Scopul nu este producerea de energie, ci alimentarea motorului cu aer comprimat, ceea ce duce la creșterea puterii și randamentului termic al motorului. Turbina (în figură cu roșu) recuperează energia cinetică a gazelor evacuate din motor și o folosește la antrenarea compresorului (în figură cu albastru).
Turbine cu gaze energetice
La aceste turbine nu se pune problema greutății sau spațiului, așa că ele pot beneficia de cele mai complexe scheme termice în vederea creșterii randamentului, dispun de obicei atât de răcirea intermediară a aerului în timpul compresiei cât și de arderea fracționată. Scopul principal este producerea energiei electrice și, pentru mărirea economicității se tinde spre puteri tot mai mari. Se remarcă turbinele (în paranteză puterea la bornele generatorului electric):
- General Electric PG7241FA (172 MW) și PG9351FA (256 MW);
- Alstom GT 24 (188 MW) și GT 26 (288 MW);
- Siemens AG Seria SGT5 (168 – 340 MW).