Plinska turbina: definicija, sestava in načelo delovanja

Plinska turbina, imenovana tudi turbina z notranjim izgorevanjem, je vrsta motorja z notranjim izgorevanjem. Najpreprostejša oblika ima tri glavne dele:

• vrteči se plinski kompresor (SP na sliki) za stiskanje zraka
• zgorevalna komora, imenovana gorilnik (KS na sliki), v katero se vbrizga gorivo.
• Turbina (TG na sliki) na isti gredi kot kompresor

Shema prikazuje plinsko turbino z eno gredjo. Ena turbina poganja kompresor in breme, na primer električni generator. Obstajajo tudi plinske turbine z dvema gredema, ki imajo ločeni turbini za pogon kompresorja in bremena. Turbine z dvema gredema so boljše za pogon cestnih in železniških vozil, saj lahko pri nizki hitrosti zagotavljajo večji navor.

Sestava plinske turbine

Osnovni deli plinske turbine (kompresor, gorilnik in turbina) so dopolnjeni z večimi podporni sistemi:

• Vstop in filtracija zraka: odstranjevanje prašnih delcev in zaščita kompresorja.
• Sistem vbrizgavanja goriva: šobe ali injektorji, ki zagotavljajo pravo razpršitev in mešanje goriva z zrakom.
• Sistemi hlajenja in mazanja: olje za ležaje in hladilni sistemi za turbine z zelo visokimi temperaturami.
• Izpušni sistem in regeneracija toplote: pri industrijskih postavitvah pogosto toplotni izmenjevalniki ali kotli za izkoriščanje odpadne toplote.
• Krmilni in varnostni sistemi: elektronika in ventilna oprema za nadzor hitrosti, tlaka in temperature.

Načelo delovanja (Braytonov cikel)

Plinska turbina deluje po principu zaporedja štirih osnovnih faz, znanih kot Braytonov cikel:

1. Stiskanje zraka: kompresor vpihuje in stisne zunanji zrak, s čimer se poveča tlak in temperatura zraka.
2. Dodajanje toplote (zgorevanje): v gorilniku se v stisnjen zrak vbrizga gorivo in zgorevanje zviša temperaturo plinov.
3. Ekspanzija v turbini: vroči izpušni plini razširijo skozi turbino, ki pretvori energijo plinov v mehansko delo — del vrtilne energije poganja kompresor, presežek pa lahko poganja generator ali drugo napravo.
4. Izpuh: ohlajeni plini se izpuščajo v okolje ali nadaljujejo v sistem izkoriščanja toplote (npr. parni kotel v kombiniranem ciklu).

Vrste plinskih turbin

Najpogostejše razdelitve so glede na namen in konstrukcijo:

• Enogredne (single-shaft): kompresor in turbina sta na isti gredi skupaj z generatorjem — pogosto pri električni proizvodnji.
• Dvogredne (two-shaft): ločeni gredi za pogon kompresorja in pogonskega bremena, uporabne tam, kjer je potrebna dobra regulacija hitrosti in visok navor pri nizkih vrtljajih (npr. železnica, ladje).
• Aerodizelske (aeroderivative): lažje, višji vrtljaji in bolj primerne za hitro zagon in mobilne aplikacije (npr. pomočni generatorji na plovilih).
• Mikroturbine: majhne enote za lokalno proizvodnjo toplote in elektrike (kogeneracija) v industriji ali stavbah.

Uporaba

Plinske turbine se uporabljajo v številnih sektorjih:

• Proizvodnja električne energije — samostojne enote ali kot del kombiniranega cikla (CCGT), kjer odpadna toplota segreva paro za dodatno proizvodnjo elektrike.
• Letalstvo — turboshaft in turbofan motorji temeljijo na podobnih načelih.
• Pomorski pogoni in industrija — hitra moč in kompaktnost sta prednosti za ladje, naftne platforme in stisnjeni pogonski sklopi.
• Pogonski sklopi vozil — v nekaterih vlakih in vojaški tehniki se uporabljajo dvogredne ali specialne izvedbe.

Učinkovitost in okoljski vidiki

Učinkovitost plinskih turbin je odvisna od tlaka kompresije, temperature zgorevanja in izgube v komponentah. Sodobne industrijske enote v kombiniranih ciklih dosegajo skupne učinkovitosti nad 60 %. Samostojne plinske turbine imajo običajno nižjo učinkovitost (25–40 %), odvisno od velikosti in zasnove.

Okoljski izzivi vključujejo emisije NOx, CO in ogljikov dioksid (CO2). Za zmanjševanje emisij se uporabljajo tehnologije, kot so:

• nizko-NOx gorilniki,
• suho ali vlažno vbrizgavanje (npr. vodo ali paro za zmanjšanje temperature zgorevanja),
• povezave v kogeneracijo ali kombinirani cikel za večji izkoristek in manjši specifični izpust CO2 na proizvedeno enoto energije.

Materiali in vzdrževanje

Komponente v vročem delu turbine so iz naprednih zlitin in imajo posebne prevleke ter sisteme notranjega hlajenja, saj delujejo pri temperaturah, ki lahko presegajo talilne točke materialov brez teh ukrepov. Redno vzdrževanje vključuje pregled in zamenjavo lopatic, kontrolo ostankov v gorilniku, uravnoteženje vrtljivega sklopa in preglede ležajev.

Prednosti in slabosti

• Prednosti: visoka razmerje moči glede na maso in prostornino, hitro pospeševanje in zagon, primernost za kombinirano proizvodnjo toplote in elektrike.
• Slabosti: občutljivost na kakovost zraka in goriva, visoki stroški materialov in vzdrževanja v vročem delu, emisije toplogrednih plinov pri uporabi fosilnih goriv.

Plinske turbine so zato ključna tehnologija za hitro oskrbo z električno energijo in gibanje velikih sistemov, hkrati pa se njihova okoljska učinkovitost in življenjska doba izboljšujeta z naprednimi materiali, regulacijskimi sistemi in integracijo z drugimi tehnologijami za izkoriščanje toplote.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je plinska turbina?

V: Kateri so trije glavni deli plinske turbine?

V: Kakšen je namen vrtečega se plinskega kompresorja v plinski turbini?

V: Kaj je gorilnik v plinski turbini?

V: Kakšen je namen turbine v plinski turbini?

V: Kaj je plinska turbina z eno gredjo?

V: Kaj je plinska turbina z dvema gredema?

Išči po črki