Dujų turbinos variklis

Dujų turbinos variklis - bet koks vidaus degimo variklis, kurio darbinis skystis, naudojamas turbinai sukti, yra dujos. Šis terminas taip pat paprastai naudojamas apibūdinti visą vidaus degimo variklį, susidedantį bent iš kompresoriaus, degimo kameros ir turbinos.

Bendrosios savybės

Naudingą darbą ar varomąją jėgą galima gauti iš dujų turbinos variklio. Tai gali vairuoti generatorių, siurblį ar oro sraigtą arba, jei tai yra grynas reaktyvinis orlaivio variklis, paspartinti turbinos išmetimo srautą per purkštuką gali atsirasti trauka. Didelis galios kiekis gali būti pagamintas tokiu varikliu, kuris tuo pačiu galingumu yra daug mažesnis ir lengvesnis nei stūmoklis su vidaus degimo varikliu. Stūmokliniai varikliai priklauso nuo stūmoklio judesio aukštyn ir žemyn, kuris tada turi būti paverstas sukamuoju alkūninio veleno išdėstymu, o dujų turbina sukamojo veleno galią teikia tiesiogiai. Nors konceptualiai dujų turbinos variklis yra paprastas įtaisas, efektyvaus įrenginio komponentai turi būti kruopščiai suprojektuoti ir pagaminti iš brangių medžiagų dėl eksploatacijos metu patiriamos aukštos temperatūros ir įtempių. Taigi dujinių turbinų variklių įrengimas paprastai apsiriboja dideliais agregatais, jei jie tampa ekonomiški.

Dujų turbinų variklių ciklai

Idealiai pritaikytas paprastas atviro ciklo dujų turbinos variklis

Daugelis dujų turbinų veikia atviru ciklu, kurio metu iš atmosferos išleidžiamas oras, suspaudžiamas išcentriniame arba ašinio srauto kompresoriuje, o po to paduodamas į degimo kamerą. Čia dedama degalų ir deginant oro kiekį iš esmės pastoviu slėgiu. Norint išlaikyti degimo kameros išėjimo (faktiškai turbinos įleidimo angos) temperatūrą, kad turbina galėtų nuolat veikti, reikalingas papildomas suslėgtas oras, kuris apeinamas aplink deginimo sekciją ir tada sumaišomas su labai karštomis degimo dujomis. Jei įrenginys nori gaminti veleną, degimo produktai (daugiausia oras) turbinoje išplečiami iki atmosferos slėgio. Kompresoriui valdyti reikalinga didžioji turbinos išeiga; tik likusi dalis yra skirta velenų darbams tiekti į generatorių, siurblį ar kitą įrenginį. Reaktyviniame variklyje turbina yra suprojektuota taip, kad tiektų pakankamai kompresoriaus ir pagalbinių įtaisų. Tada dujų srautas palieka turbiną esant vidutiniam slėgiui (virš vietinio atmosferos slėgio) ir tiekiamas per purkštuką, kad susidarytų trauka.

Pirmiausia laikomas idealizuotas dujų turbinos variklis, dirbantis be jokių nuostolių per šį paprastą Braytono ciklą. Pavyzdžiui, jei oras patenka į kompresorių esant 15 ° C ir atmosferos slėgiui ir yra suspaustas iki vieno megapaskalio, tada jis sugeria iš šilumos šilumą pastoviu slėgiu, kol temperatūra pasiekia 1100 ° C, prieš išsiplečiant per turbiną į atmosferos atmosferą. slėgis. Šiam idealizuotam agregatui reikės 1,68 kilovatų turbinos galios už kiekvieną naudingosios galios kilovatą, o kompresoriaus varikliui absorbuoti 0,68 kilovatų. Šiluminis įrenginio efektyvumas (pagamintas grynasis darbas padalytas iš energijos, pridėtos per kurą) būtų 48 procentai.

Faktinis paprastas atviro ciklo pasirodymas

Jei įrenginiui, veikiančiam tarp to paties slėgio ir temperatūros ribų, kompresoriaus ir turbinos efektyvumas yra tik 80 procentų (ty idealaus kompresoriaus darbas lygus 0,8 karto už faktinį darbą, o tikrasis turbinos išėjimas yra 0,8 karto didesnis už idealųjį išėjimą)., padėtis drastiškai pasikeičia, net jei visi kiti komponentai išlieka idealūs. Už kiekvieną pagamintą naudingos galios kilovatą turbina dabar turi gaminti 2,71 kilovatą, o kompresoriaus darbas tampa 1,71 kilovatų. Šilumos efektyvumas sumažėja iki 25,9 proc. Tai parodo labai efektyvių kompresorių ir turbinų svarbą. Istoriškai tai buvo sunku suprojektuoti efektyvius kompresorius, net daugiau nei efektyvias turbinas, ir tai atidėliojo dujų turbinos variklio kūrimą. Šiuolaikinių įrenginių projektavimo sąlygomis kompresoriaus efektyvumas gali būti 86–88 procentai, o turbinų efektyvumas - 88–90 procentų.

Efektyvumą ir galią galima padidinti keliant turbinos įleidimo temperatūrą. Tačiau visos medžiagos praranda stiprumą esant labai aukštai temperatūrai, o turbinos mentės juda dideliu greičiu ir patiria didelius išcentrinius įtempius, todėl turbinos įleidimo temperatūrai, viršijančiai 1100 ° C, reikalingas specialus mentės aušinimas. Galima parodyti, kad kiekvienai maksimaliai turbinos įleidimo temperatūrai yra optimalus slėgio santykis. Šiuolaikinės orlaivių dujų turbinos su ašmenų aušinimu veikia esant aukštesnei nei 1 370 ° C turbinų įleidimo temperatūrai ir maždaug 30: 1 slėgio santykiams.