Schema funcţionării unei turbine cu gaze cu compresor axial.
Oturbină cu gaze este oturbină termică, care utilizează căderea deentalpie a unuigaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate deenergie mecanică disponibilă la cupla turbinei.[1][2] Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea deinstalație de turbină cu gaze (ITG).
Din punct de vederetermodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cumotorul unuiautomobil. Aerul dinatmosferă este admis într-uncompresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unuicombustibil, aprinderea șiarderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-oturbină, efectuândlucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări derotație, ceea ce pentru oputere dată conduce la omasă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare deaviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiindtermocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.
Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât aturbinelor în general, și de dată mai recentă decât aturbinelor cu abur.
În1791englezul John Barber a brevetat prima adevărată turbină cu gaze, turbină care avea principalele elemente din turbinele cu gaze moderne.[3] În1872 Dr. F. Stolger dinGermania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcționat niciodată independent.[3]
În1903norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze funcțională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoștințe deaerodinamică a vremii. Turbina sa a reușit să producă oputere de 11cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina sa s-a inspirat Frank Whittle.
În1914Charles Curtis a realizat prima aplicație practică a unei turbine cu gaze.
În1918General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își începe producția de turbine cu gaze.
Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.
În1930 englezulFrank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reacție).[4][5] Realizarea practică a acestui proiect s-a făcut însă abia în anul1937. Compresorul acestui motor era de tipcentrifugal, și pe baza lui s-a dezvoltat motorulRolls-RoyceWelland, care a echipat avionulGloster Meteor.
În1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție bazat pe un brevet propriu.[5][6] Compresorul acestui motor era de tipaxial, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul JunkersJumo 004 care a echipat avionulMessersmitt Me 262.
Cea mai simplă turbină cu gaze este formată dintr-uncompresor, care este montat pe același ax cu o turbină. Compresorul absoarbeaerul dinatmosferă și îl comprimă lapresiunea de câțiva bar. Aerul comprimat ajunge într-o cameră deardere, în care este introdus și uncombustibil. Aici are loc arderea la presiune constantă, cu creștereatemperaturii și avolumului gazelor produse prin ardere. Gazele de ardere se destind în turbină, producândlucru mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă.[1][7]Ciclul termodinamic al unei astfel de turbine cu gaze esteciclul Joule,[8] cunoscut în literatura engleză de specialitate caciclul Brayton.
Transformările care au loc în diferitele părți componente ale unei turbine cu gaze.
unde esteraportul de compresie = p2 / p1, iark esteexponentul adiabatic al gazului.
Pentru aer, cuk = 1,4 , și pentru un raport de compresie de 15 (valoare uzuală), randamentul termic al ciclului este de 0,539. Randamentul termic al ciclului Joule ideal crește continuu cu creșterea raportului de comprimare, însă creșterea acestui raport este limitată de rezistența materialelor și de pierderile din ciclul real.
Ciclul Joule real (cu albastru), faţă de ciclul Joule ideal (cu negru).
Randamentul termic alciclului Joule real fără recuperator, luând în considerare și randamentele interne ale turbinei și compresorului este:[11]
Pentru aer, un raport de compresie de 15,T1 = 300 K ,T3 = 1500 K, = 0,85 și = 0,75 (valori uzuale) randamentul ciclului real este de 0,300 , mult mai mic decât al ciclului ideal. Randamentul termic al ciclului Joule real are un maxim pentru un anumit raport de compresie (pentru exemplul de mai sus, chiar acel 15). În practică, randamentele efective (la cuplă) sunt și mai mici decât cele termice, datorită influențeirandamentului mecanic al agregatului.
Pentru mărirea randamentului termic se folosescrecuperatoare care recuperează o parte dincăldura evacuată odată cu gazele arse în atmosferăq4-4' și o reintroduc în cicluq2-2'. Randamentul termic al ciclului Joule ideal cu recuperator este:[12]
Pentru exemplul de mai sus cu = 15, dintransformarea izoentropică se obținT2 = 650 K ,T4 = 692 K, cu care randamentul ciclului este de 0,567, ceva mai mare decât a ciclului fără recuperator. În exemplul prezentat diferența întreT4 șiT2 este mică, deci câștigul dat de recuperator este mic. În practică este greu de obținut o diferență de temperaturi mare, din cauza limitărilor date de materiale. În ciclul real influența recuperatorului este ceva mai mare, dar nu cu mult.Expresia matematică a randamentului termic al ciclului Joule real cu recuperator se complică foarte mult.
Ciclu cu fracționarea compresiei sau a destinderii
O altă cale de îmbunătățire a randamentului termic al ciclului este fracționarea compresiei, cu răcirea intermediară a aerului, respectiv fracționarea destinderii în turbină, cu reîncălzirea agentului termic, aspecte detaliate înciclu termodinamic.
Realizarea practică a răcirii intermediare a aerului comprimat se poate face:
la turbine cu gaze de aviație, undegreutatea agregatului e critică, prin injecție deapă între treptele compresorului;
La turbinele cu gaze care lucrează cu aer absorbit din atmosferă și evacuează gazele de ardere tot în atmosferă (majoritatea cazurilor), ciclul nu este efectuat complet în instalație, transformarea4-1 efectuându-se în atmosferă. Se spune că turbina lucreazăîn ciclu deschis. Dacă însă se folosește un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reținut, caz în care toate transformările din ciclu se realizează în instalație, și se spune că turbina lucreazăîn ciclu închis. Astfel de cicluri închise se întâlnesc încentrale nucleare, iar agentul termic este uzualdioxidul de carbon sauheliul.
Reducerea CO2 este limitată de fenomenul de ardere în sine, cantitățile emise fiind proporționale cu cantitățile de combustibil ars. Reducerea acestor emisii se poate face prin îmbunătățirea randamentului ciclului termic, îmbunătățire care, pentru o putere dată a turbinei, determină un consum de combustibil mai redus.
Reducerea SO2 se poate obține numai folosind un combustibil fărăsulf. De aceea este preferat gazul natural. Dacă se folosesc combustibili lichizi (de exemplu la turbinele mobile), este preferabilă desulfurarea prealabilă a combustibilului larafinărie.[13]
Reducerea CO se poate obține printr-o arderecompletă din punct de vedere chimic (ardereperfectă) a combustibilului, lucru care necesită cantități de aer sporite în procesul de ardere, însă acest lucru nu este o problemă la turbinele cu gaze, care oricum funcționează cu cantități de aer mai mari decât strict cele necesare arderii. Eventualele urme pot fi eliminate prin metode SCR - reducere selectivă catalitică (englezăSelective Catalytic Reduction).[14]
Reducerea NOx se poate obține prin scăderea temperaturilor de ardere, ceea ce însă afectează randamentul ciclului, sau prin reducerea chimică a NOx format, de exemplu prin procedee SCR sau SNCR - reducere selectivă necatalitică (englezăSelective Non-Catalytic Reduction). Ambele procedee au dezavantaje, SCR necesită catalizatori scumpi, care se consumă, iar SNCR produce emisii deamoniac (NH3).[14]
Măsurile de reducere ale poluanților sunt costisitoare și se justifică în cazul emisiilor totale mari, în speță pentru țările industrializate.
Compresorul axial cu 17 trepte al unui turboreactorGE J79.
Rolulcompresorului este de a realiza comprimarea agentului termic (de obicei aerul), realizând transformarea1 – 2 din ciclul Joule. Se folosesc exclusiv compresoare cu palete.
Compresoarele centrifugale au un raport de compresie pe treaptă mai mare, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie mai puține trepte, deci agregatul rezultă mai ușor. Randamentul acestor compresoare este însă mai mic. Compresorul centrifugal s-a folosit la primele motoare cu reacție ale lui Frank Whittle, inclusiv la motorul Rolls-RoyceNene. Actual este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru elicoptere mici, agregate care trebuie să fie cât mai ușoare.
Compresoarele axiale au un raport de compresie pe treaptă mai mic, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie multe trepte, deci agregatul rezultă mai lung, însă de diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este mai bun. Compresorul axial este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru toate turbinele pentru propulsia avioanelor, unde contează diametrul mic și randamentul bun, și toate turbinele energetice, unde contează randamentul bun.
Camerele de ardere individuale ale unui turboreactor GE J79.
Rolulcamerei de ardere este de a realiza introducerea căldurii în ciclu prin arderea unui combustibil, realizând transformarea2 – 3 din ciclul Joule. Camerele de ardere au în interior o cămașă răcită cu aerul de diluție, cămașă care ecraneazăflacăra și protejează astfel corpul exterior al camerei. Aprinderea inițială se face cu obujie.
Camerele de ardere pot fi:
individuale;
inelare.
Camerele de ardere individuale sunt de formă tubulară și se montează mai multe în jurul axului agregatului. În camerele de ardere individuale este mai ușor de asigurat stabilitatea arderii, adică se evită ruperea flăcării, iar în caz de rupere, ruperea nu se propagă în celelalte camere, ba din contră, acestea, prin canalizații prevăzute special în acest scop ajută la reaprindere. Nu întotdeauna fiecare cameră de ardere are bujie proprie, deoarece, cum s-a spus, camerele comunică între ele și flacăra se transmite.
Camerele de ardere inelare au un spațiu de ardere unic, inelar. În aceste camere este mai greu de stabilizat flacăra, dozajul aer-combustibil, vitezele de introducere a aerului prin diversele secțiuni și geometria camerei fiind critice. Camerele inelare însă au mai puține repere și sunt mai ușoare, fiind din punct de vedere tehnologic mai evoluate.
Deși camerele de ardere pot arde și combustibili solizi (cărbune sub formă de praf),cenușa conținută de acest tip de combustibili este abrazivă, astfel că ei nu sunt folosiți. Dacă totuși se dorește folosirea lor drept combustibili pentru turbine cu gaze, cea mai bună soluție estegazeificarea lor prealabilă. De asemenea, gazele care conțin praf trebuie în prealabil desprăfuite.
Rolulturbinei este de a realiza destinderea agentului termic (de obicei gaze de ardere), realizând transformarea3 – 4 din ciclul Joule. Turbina transformăentalpia a gazelor întâi înenergie cinetică, prin accelerarea prin destindere a agentului termic și transformarea de către palete a acestei energii în lucru mecanic, transmis discurilor turbinei și apoi arborelui.
Paleta unei turbine cu gaze Rolls-Royce/Turbo-Union RB 199. Pe bordul de atac se observă orificiile pentru obţinerea filmului de aer necesar pentru răcirea paletei.
Piesele esențiale suntajutajele turbinei (a nu se confunda cuajutajul reactiv al unui turboreactor) șipaletele, piese supuse unor solicitări termice și mecanice extreme. De aceea ele trebuie construite din materiale speciale, rezistente la temperaturi cât mai mari și se prevăd cu sisteme de răcire. Actual, temperaturile la intrarea în turbină au depășit în unele cazuri (turbine pentru avioane militare) temperatura de 1800 °C, paletele fiind făcute în acest caz din materiale ceramice poroase, prin porii lor circulând aer provenit de la compresor, relativ rece.
Turboreactorul Rolls-RoyceOlympus 593 cu doi arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionuluiConcorde.Turboventilatorul Rolls-RoyceRB 211 cu trei arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionuluiLockheed L-1011 „TriStar”.
Arborele turbinei asigură transmiterea puterii între turbină, compresor, cuplă, demaror, pompe etc. Un singur arbore nu asigură turațiile optime pentru toate componentele, așa că există construcții pe unul sau pe mai mulți arbori coaxiali.
Schemelecu un arbore sunt specifice primelor turbine cu gaze. Aceste scheme permit antrenarea compresorului la turația turbinei și, printr-unreductor a elicelor,pompelor saugeneratoarelor electrice.
Schemelecu doi arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune și compresorul de înaltă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune, compresorul de joasă presiune și eventual acționarea reductorului. Aceste scheme sunt obișnuite la turbinele de aviația actuale.
Schemelecu trei arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune și compresorul de înaltă presiune, pe arborele intermediar turbina de medie presiune și compresorul de joasă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune și acționarea reductorului. La schemele cu trei arbori este foarte dificilă coordonarea lor și foarte puțini producători din lume dispun de tehnologia necesară în aceste caz.
Turboreactor cu compresor centrifugal.Turboreactor cu compresor axial.
Turbinele cu gaze pentru aviație sunt cunoscute și sub numele demotoare 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[15] (englezăTurbojet) 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, cunumărul Mach peste 0,8 (cca. 900km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).
Turbopropulsor.
Turbopropulsorul[15] (englezăTurboprop) 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).
Turboventilator.
Turboventilatorul[15] (englezăTurbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată și cu multepale (numităventilator), 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.
Turbină de elicopter.
Turbina de elicopter[15] (englezăTurboshaft), zis șimotor cu turbină liberă[16] 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.
Au existat câteva tentative de realizare a unorautovehicule cu turbină cu gaze, de exempluRover - JET1 (1950)[17] șiChrysler - câteva prototipuri (1950 – 1980). Toate au avut un consum de combustibil inacceptabil de mare, chiar pentru vremurile acelea. În 1993General 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 laLe Mans (1963)[18] șiIndianapolis 500 (1967),[19] 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 caGreen Monster,[20] acționată de o turbină General Electric J79 (vezi componentele în figurile de mai sus), condusă deArt Arfons[21],Spirit of America,[22] acționată tot de o turbină General Electric J79 și condusă deCraig Breedlove[23] au deținut multe recorduri mondiale. MașinaThrust2[24] acționată de o turbină Rolls-Royce Avon, condusă deRichard Noble[25] a fost prima care a depășit viteza de 1000 km/h. Recordul mondial actual a fost stabilit de mașinaThrustSSC,[26] acționată de două turbineRolls-Royce Spey (varianta militară), condusă deAndy Green[27] și este de 1227,99 km/h (Ma = 1,016 – supersonic).
În anul2000 Marine Turbine Technologies Inc. a produsmotocicletaMTT Turbine Superbike,[28] cunoscută și sub numele deY2K Turbine Superbike, echipată cu o turbină Rolls-Royce Allison 250, cu o putere de 238kW, 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 pentrutracțiune feroviară la așa-numiteleturbotrenuri. Primele locomotive cu turbine de gaze au fost livrate de firmaBrown-Boveri înainte de cel de al doilea război mondial. În Anglia,Metropolitan Vickers a produs locomotive acționate de turbine de gaze.[29] Între anii1948 și1970Union Pacific a folosit pe scară largă locomotive din seria UP, acționate de turbine de gaz de 1800 – 10000 hp fabricate de firmaWestinghouse.[30]
Ca aplicații militare, se menționează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate energetice la tancuri. Exemple sunt tanculamericanM1 Abrams[31] și tanculsovietic/rusescT-80.[32]
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 vedeteleMGB 2009 și fregateleType 81, înSuedia vedetele torpiloare din clasa6 Spica, acționate de turbine Proteus 1282 fabricate deBristol Siddeley[33], înFinlanda corvetele din clasaTurunmaa, acționate de turbine Rolls-Royce Olympus TMB3,[34] înCanada distrugătoarele port-elicopter din clasaCanadian Iroquois,[35] iar înSUA cuterele din clasaHamilton ale U.S Coast Guard.[36]
Un grup de turbosupraalimentare este o mică turbină ce gaze, la care rolul de cameră de ardere îl joacă unmotor cu ardere 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).
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 producereaenergiei electrice și, pentru mărirea economicității se tinde spre puteri tot mai mari. Se remarcă turbinele (în paranteză puterea la bornele generatorului electric):
Tot din categoria turbinelor energetice fac parte șimicroturbinele. Dacă până nu demult prin microturbină se înțelegeau turbinele de câțiva kW sau câțiva zeci de kW, destinația lor fiind alimentarea cu energie a unei locuințe individuale, actual se discută de microturbine desiliciu cu diametrul de câțiva mm, fabricația lor fiind bazată pe tehnologia fabricăriisemiconductorilor.[41] Aceste microturbine sunt destinate înlocuiriiacumulatorilor dinaparateleelectronice, de exemplu computerele portabile, deoarece la dimensiuni comparabile cu alebateriilor (incluzând șirezervorul de combustibil) pot furniza cantități de energie mult mai mari.
Turbina cu gazeViper MK 632-41[43] este un turboreactor care echipează avioaneleIAR 93 (câte două agregate pe un avion) șiIAR 99 „Șoim” (un agregat pe un avion). Este o turbină cu un singur arbore, compresorul având 8 trepte, iar turbina 2 trepte. Camera de ardere este inelară. Masa sa este de 378 kg, iar turația este de 230 rot/s. Realizează o tracțiune la punct fix de 17,60 kN (4000lbs) în acord cu limitărileNATO privind aplicațiile militare pentru țările care la vremea respectivă nu făceau parte din această organizație.
Turbina cu gaze Artouste III-B.
Turbina cu gazeArtouste III-B[43] este un agregat care propulsează elicopterulIAR 316 B (Alouette III). Este o turbină cu greutatea de 178 kg, turația de 558 rot/s și care produce o putere la cuplă de 405 kW.
Turbina cu gazeTurmo IV CA[43] este un agregat care propulsează elicopterulIAR 330 „Puma” (câte două agregate pe un elicopter). Este o turbină cu greutatea de 227 kg, care produce o putere la cuplă de 1115 kW.
În1980Tehnoimportexport a obținut de la Rolls-Royce licența de fabricație a turboventilatoruluiSpey 512-14 DW civil, pentru echiparea avionului ROMBAC 1-11-500.[42]
O comparație cu competitorii săi se poate face doar pe domenii.
Laautovehicule, dimensiunile motorului nu sunt chiar critice, iar vibrațiile motoarelor cu piston sunt acceptabile, ca urmare dezavantajele turbinelor se manifestă din plin. În acest domeniu turbinele cu gaze își găsesc însă aplicabilitatea ca grupuri de turbosupraalimentare.
Latancuri, randamentul termic mai scăzut nu este un impediment, costurile sunt acceptate de statele dezvoltate, iar puterea imensă dezvoltată de turbine asigură mobilitatea pe câmpul de luptă, avantaj care poate fi decisiv.
Îndomeniul feroviar, greutatea nu contează, deoarece pentru a avea forță la cârlig sarcina pe osie a locomotivelor trebuie să fie apropiată de cea maximă admisă. Aici randamentul termic scăzut și costurile își spun cuvântul, fiind preferate motoarele cu piston sau cele electrice.
Îndomeniul naval civil situația este similară cu cea din domeniul feroviar. Îndomeniul naval militar situația este similară cu cea de la tancuri.
Îndomeniul aviației sunt două situații. Înaviația comercială șimilitară raportul putere/greutate primează asupra oricăror alte considerente, așa că dominația turbinelor cu gaze este totală. În domeniulaviației utilitare,sportive șide agrement, costurile limitează folosirea turbinelor cu gaze, fiind preferate motoarele cu piston, mult mai ieftine și cu întreținere simplă.
Îndomeniul energetic randamentul termic mai scăzut limitează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate independente înregim de bază, fiind preferateturbinele cu abur. Totuși, pornirea de la rece (dinrezervă rece) a unui agregat energetic cu turbine cu gaze se poate face în timpi de ordinul minutelor, față de timpi de ordinul orelor la turbinele cu abur, ceea ce face ca agregatele cu turbine cu gaze să fie de neînlocuit caunități de vârf[47] însistemele energetice care nu dispun dehidrocentrale culac de acumulare. Tot în domeniul energetic turbinele cu gaze lucrând în cicluri combinate abur-gaz (în serie cu turbine cu abur) fac ca randamentul termic al termocentralelor de acest tip să fie foarte ridicat, de 55 – 58%, ceea ce face ca ele să aibă în acest domeniu un mare viitor.[47]
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
