Газовая турбина против паровой турбины
Турбины - это класс турбомашин, используемых для преобразования энергии текущей жидкости в механическую энергию с помощью роторных механизмов. Турбины, как правило, преобразуют тепловую или кинетическую энергию жидкости в работу. Газовые турбины и паровые турбины относятся к тепловым турбомашинам, в которых работа производится за счет изменения энтальпии рабочего тела; т. е. потенциальная энергия жидкости в виде давления преобразуется в механическую энергию.
В зависимости от направления потока жидкости турбины подразделяются на турбины с осевым потоком и турбины с радиальным потоком. Технически турбина представляет собой детандер, который производит механическую работу за счет снижения давления, что противоположно работе компрессора. В этой статье основное внимание уделяется турбине с осевым потоком, которая более распространена во многих инженерных приложениях.
Основная конструкция турбины с осевым потоком предназначена для обеспечения непрерывного потока жидкости при извлечении энергии. В тепловых турбинах рабочая жидкость при высокой температуре и давлении направляется через серию роторов, состоящих из наклонных лопастей, установленных на вращающемся диске, прикрепленном к валу. Между дисками каждого ротора установлены неподвижные лопасти, выполняющие роль сопел и направляющих поток жидкости.
Подробнее о паровой турбине
Несмотря на то, что концепция использования пара для выполнения механической работы использовалась долгое время, современная паровая турбина была разработана английским инженером сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
Паровая турбина использует пар под давлением из котла в качестве рабочего тела. Перегретый пар, поступающий в турбину, теряет свое давление (энтальпию), проходя через лопатки роторов, а роторы двигают вал, с которым они связаны. Паровые турбины обеспечивают мощность с плавной постоянной скоростью, а тепловой КПД паровой турбины выше, чем у поршневого двигателя. Работа паровой турбины оптимальна при более высоких оборотах.
Строго говоря, турбина является лишь одним из компонентов циклической операции, используемой для выработки электроэнергии, которая идеально моделируется циклом Ренкина. Котлы, теплообменники, насосы и конденсаторы также являются рабочими компонентами, но не являются частями турбины.
В наши дни паровые турбины в основном используются для производства электроэнергии, но в начале 20-го века паровые турбины использовались в качестве силовой установки для кораблей и двигателей локомотивов. В виде исключения в некоторых судовых двигательных установках, где дизельные двигатели нецелесообразны, например, на авианосцах и подводных лодках, все еще используются паровые двигатели.
Подробнее о газовой турбине
Газотурбинный двигатель или просто газовая турбина - это двигатель внутреннего сгорания, использующий в качестве рабочего тела такие газы, как воздух. Термодинамический аспект работы газовой турбины идеально моделируется циклом Брайтона.
ГТД, в отличие от паровой турбины, состоит из нескольких основных узлов; это компрессор, камера сгорания и турбина, которые собраны вдоль вращающегося вала для выполнения различных задач двигателя внутреннего сгорания. Газ, поступающий со входа, сначала сжимается с помощью осевого компрессора; который выполняет полную противоположность простой турбине. Затем сжатый газ направляется через ступень диффузора (расширяющееся сопло), в которой газ теряет свою скорость, но еще больше увеличивает температуру и давление.
На следующем этапе газ поступает в камеру сгорания, где топливо смешивается с газом и воспламеняется. В результате сгорания температура и давление газа поднимаются до невероятно высокого уровня. Затем этот газ проходит через секцию турбины и при прохождении производит вращательное движение на валу. Газовая турбина среднего размера обеспечивает скорость вращения вала до 10 000 об/мин, в то время как турбины меньшего размера могут производить в 5 раз больше.
Газовые турбины могут использоваться для создания крутящего момента (за счет вращающегося вала), тяги (за счет высокоскоростного выпуска газа) или того и другого в комбинации. В первом случае, как и в паровой турбине, механическая работа, производимая валом, представляет собой просто преобразование энтальпии (давления) газа высокой температуры и давления. Часть работы вала используется для привода компрессора через внутренний механизм. Эта форма газовой турбины используется в основном для производства электроэнергии и в качестве силовых установок для транспортных средств, таких как танки и даже автомобили. Американский танк M1 Abrams использует в качестве силовой установки газотурбинный двигатель.
Во втором случае газ высокого давления направляется через сужающееся сопло для увеличения скорости, а тяга создается выхлопным газом. Этот тип газовой турбины часто называют реактивным двигателем или турбореактивным двигателем, который приводит в действие военный истребитель. Турбореактивный двигатель является усовершенствованным вариантом вышеперечисленного, и комбинация тяги и создания работы используется в турбовинтовых двигателях, где работа вала используется для привода гребного винта.
Существует множество вариантов газовых турбин, предназначенных для конкретных задач. Они предпочтительнее других двигателей (в основном поршневых) из-за их высокого отношения мощности к весу, меньшей вибрации, высоких рабочих скоростей и надежности. Отработанное тепло почти полностью рассеивается в виде выхлопных газов. В производстве электроэнергии эта отработанная тепловая энергия используется для кипячения воды для работы паровой турбины. Этот процесс известен как производство электроэнергии с комбинированным циклом.
В чем разница между паровой турбиной и газовой турбиной?
• В паровой турбине в качестве рабочего тела используется пар высокого давления, а в газовой турбине в качестве рабочего тела используется воздух или другой газ.
• Паровая турбина в основном представляет собой расширитель, обеспечивающий крутящий момент в качестве выходной мощности, а газовая турбина представляет собой комбинированное устройство, состоящее из компрессора, камеры сгорания и турбины, выполняющее циклическую операцию для обеспечения работы в виде крутящего момента или тяги.
• Паровая турбина является лишь компонентом, выполняющим один шаг цикла Ренкина, тогда как газотурбинный двигатель выполняет весь цикл Брайтона.
• Газовые турбины могут создавать либо крутящий момент, либо тягу в качестве выходной мощности, в то время как паровые турбины почти все время выдают крутящий момент в качестве выходной мощности.
• КПД газовых турбин намного выше, чем у паровых, из-за более высоких рабочих температур газовых турбин. (Газовые турбины ~1500 0С и паровые турбины ~550 0С)
• Место, необходимое для газовых турбин, намного меньше, чем для паровых турбин, потому что для паровых турбин требуются котлы и теплообменники, которые должны быть подключены снаружи для подвода тепла.
• Газовые турбины более универсальны, поскольку могут использоваться многие виды топлива, а рабочее тело, которое необходимо постоянно подавать, легкодоступно везде (воздух). Паровые турбины, с другой стороны, требуют большого количества воды для работы и, как правило, вызывают проблемы при более низких температурах из-за обледенения.
