Gasturbin vs Steam Turbine
Turbiner är en klass av turbomaskiner som används för att omvandla energin i en strömmande vätska till mekanisk energi med hjälp av rotormekanismer. Turbiner omvandlar i allmänhet antingen termisk eller kinetisk energi hos vätskan till arbete. Gasturbiner och ångturbiner är termiska turbomaskiner, där arbetet genereras från entalpiförändringen av arbetsvätskan; dvs. fluidens potentiella energi i form av tryck omvandlas till mekanisk energi.
Baserat på vätskeflödets riktning kategoriseras turbinerna i axialflödesturbiner och radiellflödesturbiner. Tekniskt sett är en turbin en expander, som levererar mekanisk arbetseffekt genom minskningen av trycket, vilket är den motsatta driften av kompressorn. Den här artikeln fokuserar på axialflödesturbintypen, som är vanligare i många tekniska tillämpningar.
Den grundläggande strukturen för en axialflödesturbin är utformad för att tillåta ett kontinuerligt flöde av vätska samtidigt som energin utvinns. I termiska turbiner leds arbetsvätskan vid en hög temperatur och ett tryck genom en serie rotorer som består av vinklade blad monterade på en roterande skiva fäst vid axeln. Mellan varje rotorskivor är stationära blad monterade, vilka fungerar som munstycken och styrningar för vätskeflödet.
Mer om Steam Turbine
Även om konceptet att använda ånga för att utföra mekaniskt arbete användes under lång tid, designades den moderna ångturbinen av den engelske ingenjören Sir Charles Parsons 1884.
Ångturbinen använder trycksatt ånga från en panna som arbetsvätska. Den överhettade ångan som kommer in i turbinen förlorar sitt tryck (entalpi) som rör sig genom rotorbladen, och rotorerna flyttar axeln som de är anslutna till. Ångturbiner levererar kraft med en jämn, konstant hastighet, och den termiska verkningsgraden för en ångturbin är högre än för en kolvmotor. Driften av ångturbinen är optimal vid högre varvtalstillstånd.
Trängt sett är turbinen bara en enskild komponent i den cykliska driften som används för kraftgenerering, som idealiskt är modellerad av Rankine-cykeln. Pannorna, värmeväxlarna, pumparna och kondensatorerna är också komponenter i driften men är inte delar av turbinen.
I modern tid är det primära användningen av ångturbinerna för elproduktion, men i början av 1900-talet användes ångturbiner som kraftverk för fartyg och lokomotiv. Som ett undantag, i vissa marina framdrivningssystem där dieselmotorerna är opraktiska, såsom hangarfartyg och ubåtar, används fortfarande ångmotorerna.
Mer om gasturbin
Gasturbinmotor eller helt enkelt en gasturbin är en förbränningsmotor som använder gaser som luft som arbetsvätska. Den termodynamiska aspekten av driften av gasturbinen är idealiskt modellerad av Brayton-cykeln.
Gasturbinmotorn består till skillnad från ångturbinen av flera nyckelkomponenter; dessa är kompressorn, förbränningskammaren och turbinen, som är monterade längs en roterande axel, för att utföra olika uppgifter för en förbränningsmotor. Gasintaget från inloppet komprimeras först med hjälp av en axialkompressor; som utför raka motsatsen till en enkel turbin. Den trycksatta gasen leds sedan genom ett diffusorsteg (ett divergerande munstycke), där gasen tappar sin hastighet, men ökar temperaturen och trycket ytterligare.
I nästa steg kommer gas in i förbränningskammaren där ett bränsle blandas med gasen och antänds. Som ett resultat av förbränningen stiger gasens temperatur och tryck till en otroligt hög nivå. Denna gas passerar sedan genom turbinsektionen och producerar rotationsrörelse till axeln när den passerar igenom. En gasturbin av medelstorlek producerar axelrotationshastigheter så höga som 10 000 RPM, medan mindre turbiner kan producera 5 gånger så mycket.
Gasturbiner kan användas för att producera vridmoment (genom den roterande axeln), dragkraft (genom höghastighetsgasavgaser), eller båda i kombination. I det första fallet, som i ångturbinen, är det mekaniska arbetet som levereras av axeln bara en omvandling av entalpi (tryck) hos högtemperatur- och tryckgasen. En del av axelarbetet används för att driva kompressorn genom en intern mekanism. Denna form av gasturbinen används främst för elproduktion och som kraftverk för fordon som tankar och till och med bilar. Den amerikanska M1 Abrams-tanken använder en gasturbinmotor som kraftverk.
I det andra fallet leds högtrycksgasen genom ett konvergerande munstycke för att öka hastigheten, och dragkraften genereras av avgaserna. Denna typ av gasturbin kallas ofta Jetmotor eller turbojetmotor, som driver det militära stridsflygplanet. Turbofläkten är en avancerad variant av ovan, och kombinationen av både dragkraft och arbetsgenerering används i turbopropmotorer, där axelarbete används för att driva en propeller.
Det finns många varianter av gasturbiner designade för specifika uppgifter. De föredras framför andra motorer (främst kolvmotorer) på grund av deras höga effekt/viktförhållande, mindre vibrationer, höga driftshastigheter och tillförlitlighet. Spillvärmen försvinner nästan helt som avgaserna. Vid elproduktion används denna avfallstermiska energi för att koka vatten för att driva en ångturbin. Processen kallas kraftgenerering med kombinerad cykel.
Vad är skillnaden mellan ångturbin och gasturbin?
• Ångturbinen använder högtrycksånga som arbetsvätska, medan gasturbinen använder luft eller någon annan gas som arbetsvätska.
• Ångturbin är i grunden en expanderare som levererar vridmoment som arbetseffekt, medan en gasturbin är en kombinerad enhet av kompressor, förbränningskammare och turbin som utför en cyklisk operation för att leverera arbete som antingen vridmoment eller dragkraft.
• Ångturbin är bara en komponent som utför ett steg i Rankine-cykeln, medan gasturbinmotorn kör hela Brayton-cykeln.
• Gasturbiner kan leverera antingen vridmoment eller dragkraft som arbetseffekt, medan ångturbiner nästan hela tiden levererar vridmoment som arbetseffekt.
• Effektiviteten hos gasturbinerna är mycket högre än ångturbinen på grund av gasturbinernas högre driftstemperaturer. (Gasturbiner ~1500 0C och ångturbiner ~550 0C)
• Utrymmet som krävs för gasturbinerna är mycket mindre än ångturbindrift, eftersom ångturbin kräver pannor och värmeväxlare, som bör anslutas externt för värmetillförsel.
• Gasturbiner är mer mångsidiga, eftersom många bränslen kan användas och arbetsvätska, som måste matas kontinuerligt, är lätt tillgänglig överallt (luft). Ångturbiner, å andra sidan, kräver stora mängder vatten för driften och tenderar att orsaka problem vid lägre temperaturer på grund av isbildning.
