Gázturbinák

A gázturbinák mérete a mikroturbináktól < 50 LE (37,3 kW) teljesítményűekig > 250 000 LE (190 kW) teljesítményű nagy ipari turbinákig terjed. Ez az oldal a gázturbinamotorra, a turbinatípusok közötti különbségekre és azokra a tételekre összpontosít, amelyeket figyelembe kell venni, amikor ezeket a turbinákat főhajtásként alkalmazzák.

Folyamat

Amint az 1. és 2. ábra mutatja, a “nyitott” Brayton-ciklus az összes gázturbina termodinamikai ciklusa. Ez a ciklus a következőkből áll:

• Adiabatikus sűrítés
• állandó nyomású fűtés
• Adiabatikus tágulás

A gázturbina a következő összetevőkből áll:

• Egy légkompresszor
• Egy égéstér
• Egy teljesítményturbina, amely a légkompresszor és a kimeneti tengely meghajtásához szükséges teljesítményt termel

• 

  Ábr. 1-Egyszerűsített egyszerű ciklusú gázturbina diagramja.

• 

  Ábra 2-Típusos “nyitott” Brayton-ciklus gázturbinákhoz.

A levegő környezeti körülmények között lép be a kompresszor bemenetére (1. pont), sűrítik (2. pont), majd áthalad az égési rendszeren, ahol tüzelőanyaggal egyesül és a ciklus maximális hőmérsékletére “tüzelik” (3. pont). A felmelegített levegőt a gáztermelő turbinaszakaszon (a 3. és 5. pont között) tágítják, ahol a munkafolyadék energiáját kivonják a kompresszor meghajtásához szükséges energia előállításához, és a teljesítményturbinán keresztül tágítják a terhelés meghajtásához (7. pont). A levegő ezután a légkörbe távozik. Egy indítórendszert használnak arra, hogy a légkompresszort megfelelő fordulatszámra hozzák fel, hogy a tüzelőberendezésbe befecskendezett tüzelőanyaggal együtt levegőt szolgáltasson az égéshez. A turbina folyamatos égésű égési ciklusa a turbina rotorjának folyamatos forgásával kombinálva gyakorlatilag rezgésmentes működést tesz lehetővé, valamint kevesebb mozgó alkatrész és kopási pont van, mint más erőgépeknél.

Tervezési megfontolás és működés

Maximális ciklushőmérséklet, TRIT

A gázturbina kimenő teljesítménye a maximális ciklushőmérséklet növelésével növelhető. A maximális ciklushőmérsékletet TRIT-nek nevezzük, ami a turbina rotor bemeneti hőmérsékletét jelenti. Az API 616 a névleges tüzelési hőmérsékletet a gyártó által számított turbinabemeneti hőmérsékletként (TIT) határozza meg közvetlenül az első fokozatú turbina rotorja előtt, névleges kimenő teljesítményű folyamatos üzem esetén. A TRIT-et közvetlenül az első fokozatú turbina rotorja előtt számítják ki, és tartalmazza a hűtőlevegő és az első fokozatú állórész lapátjain keresztüli hőmérsékletcsökkenés számított hatását.

Légáramlás

A gázturbina kimenő teljesítménye növelhető a gázturbinán áthaladó levegő tömegáramának növelésével is. A gázturbina, különösen a kompresszor geometriája és a kompresszor fordulatszáma határozza meg az alapvető légtömegáramot. Az áramlás növelése a fordulatszám növelését igényli, ami az adott konstrukció maximális folyamatos működési fordulatszámára korlátozódik. Adott fordulatszámon a belépő levegő sűrűségének növekedése növeli a légtömegáramlást. A belépő levegő sűrűsége közvetlenül a barometrikus nyomással és fordítottan a környezeti hőmérséklettel nő.

A kimenő teljesítményt befolyásoló fő paraméterek a fordulatszám és a TRIT bármely adott mechanikai/aerodinamikai kialakítás esetén. Ezen paraméterek bármelyikének növelése növeli a gázturbina kimenő teljesítményét. A sebességet és a hőmérsékletet a kívánt kimenő teljesítmény és hőmennyiség diktálhatja a következő tényezők által előírt korlátozásokon belül:

• Komponensek élettartama
• Költség
• Technikai megvalósíthatóság

Gyorsasági korlátok

Amint nő a gázturbina sebessége, úgy nőnek a forgó alkatrészekre ható centrifugális erők. Ezek az erők növelik a forgó alkatrészekre ható igénybevételt, különösen a következőkre:

• Tárcsák
• Tárcsalapok
• Tárcsához való rögzítés

Az alkatrészek anyagainak feszültséghatárai egyenesen arányosak a sebességhatárokkal, és azokat nem szabad túllépni. Így a forgó elem maximális folyamatos fordulatszáma a következők függvénye:

• A forgórész geometriája
• A komponensek anyagtulajdonságai
• Biztonsági tervezési tényezők

Ez a legnagyobb megengedett fordulatszám folyamatos működés esetén.

Hőmérsékleti korlátok

A teljesítmény növelésének egyik módja az üzemanyagáram és ezáltal a TRIT növelése. A TRIT növekedésével a forró szekció alkatrészei magasabb fémhőmérsékleten működnek, ami csökkenti a gázturbina felülvizsgálatok közötti időt (TBI). Mivel a forró szekció anyagainak élettartamát a magas hőmérsékleten fellépő feszültségek korlátozzák, az adott TBI-hez tartozó maximális hőmérsékleteknek korlátai vannak. Az anyag élettartama magasabb hőmérsékleten gyorsan csökken. A TBI a TRIT-en töltött idő és a TRIT változásának mértéke függvénye a tranziensek, például az indítás során. A kúszási vagy feszültségrepedési határértéket az anyagtulajdonságok határozzák meg a feszültségszintjük és az üzemi hőmérséklet függvényében.

Minősítési pont

A minősítési pont meghatározható a gázturbina teljesítményének meghatározására meghatározott környezeti feltételek, csatornaveszteségek, üzemanyag stb. esetén.

A Nemzetközi Szabványügyi Szervezet a szabványos körülményeket a következőképpen határozza meg:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% relatív páratartalom veszteségek nélkül

Ez vált szabványos minősítési ponttá a különböző gyártók és konstrukciók turbináinak összehasonlítására.

A telephelyi minősítés

A telephelyi minősítés a gázturbina alapteljesítményének megállapítása meghatározott telephelyi körülmények között, beleértve a következőket:

• Környezeti hőmérséklet
• magasság
• Légköri nyomásveszteségek
• Kibocsátásszabályozás
• Tüzelőanyag. összetétel
• Kiegészítő áramfelvétel
• Kompresszorlevegő-elvétel
• Kimenő teljesítményszint

Pl, a környezeti hőmérséklet növekedése a gázturbina tervezése által befolyásolt mértékben csökkenti a kimenő teljesítményt.

Bemeneti levegő hőmérséklete

Ábra. A 3. ábra a következőket viszonyítja a belépő levegő hőmérsékletéhez optimális teljesítményturbina fordulatszám mellett egy példa gázturbina esetében:

• Kimenő teljesítmény
• Tüzelőanyag-áram
• Kipufogógáz-hőmérséklet
• Kipufogógáz-áram

• 

  Az ábra. 3-Kimenő teljesítmény a kompresszor belépő levegő hőmérsékletének függvényében.

A turbina hatásfokának növelése

Egyszerű ciklus

A turbina által a gázáramból kivont mechanikai energia nagy része a légkompresszor meghajtásához szükséges, a maradék pedig egy mechanikai terhelés meghajtására áll rendelkezésre. A turbina által ki nem nyert gázáram energiája hő formájában a légkörbe távozik.

Rekuperatív ciklus

A rekuperatív ciklusban, amelyet regeneratív ciklusnak is neveznek, a kompresszor kilépő levegőjét egy hőcserélőben vagy rekuperátorban előmelegítik, amelynek hőforrása a gázturbina kipufogógáza. A kipufogógázból átvett energia csökkenti azt az energiamennyiséget, amelyet a tüzelőanyagnak hozzá kell adnia. A 4. ábrán a tüzelőanyag-megtakarítást a 2-2′ alatti árnyékos terület mutatja. A helyhez kötött rekuperátorokban alkalmazott három fő konstrukció a következő:

• Lemezes lamella
• Héj és cső
• Primér felület

• 

  4. ábra-Rekuperált ciklus.

Kombinált ciklus

A Brayton-ciklushoz egy gőzfenéki ciklust hozzáadva a kipufogógáz hőjét további lóerő előállítására használják, amelyet az 5. ábra szerinti közös terhelésben vagy külön terhelésben lehet felhasználni. Az árnyékolt terület a további energiabevitelt jelenti.

• 

  5. ábra-Kombinált ciklus.

Légbeszívó rendszer

Bemenő levegő szűrése. A gázturbinába belépő levegő minősége nagyon fontos tervezési szempont. A turbina hatásfoka idővel csökken a turbina belső áramlási útvonalán és a forgó lapátokon felhalmozódó lerakódások miatt. Ez a lerakódás megnövekedett karbantartást és üzemanyag-fogyasztást eredményez. Az adott telephelyi körülményeknek megfelelő belépőlevegő-szűrőrendszer kiválasztása és karbantartása befolyásolja a hatásfok idővel történő csökkenésének mértékét.

Nyomásesés

Kritikus fontosságú az áthaladó levegő nyomásesésének minimalizálása: Bemeneti légcsatorna Bemeneti légszűrő Bemeneti hangtompító (lásd alább: Zajcsillapítás)

A turbinába belépő légköri levegő nyomásvesztesége nagyban befolyásolja a gázturbina teljesítményét.

Zajcsillapítás

A gázturbina által keltett zaj elsősorban a magasabb frekvenciatartományokban jelentkezik, amelyek nem terjednek olyan messzire, mint a lassabb sebességű erőgépek, például a dugattyús motorok által keltett alacsonyabb frekvenciájú zajok. A turbina által keltett nagyfrekvenciás zajok nagy része a levegő beszívásánál keletkezik, kisebb része a kipufogóból származik. A zajforrások és a csillapítás módja a következők:

Légbeömlő

A légbeömlő hangtompítót kifejezetten a gázturbina zajprofiljához és a helyszíni követelményekhez kell tervezni. Ezt a hangtompítót a légszűrő és a turbina légkompresszor bemeneti nyílása közötti légbeömlő csatornába kell beépíteni.

Kipufogó

A kipufogó hangtompítót kifejezetten a gázturbina zajprofiljának és a helyszíni követelményeknek megfelelően kell kialakítani. A kipufogócső magassága a hangtompítóval együtt fontos szempont. A forró kipufogógázok minél magasabbra történő elvezetése csökkenti a talajszinten mérhető zajt, és további előnye, hogy csökkenti a forró kipufogógázok visszaáramlásának esélyét a levegőbeömlőbe. A turbina kipufogógázán fellépő nyomásveszteség (ellennyomás) nagymértékben befolyásolja a gázturbina teljesítményét.

Burkolat/műtárcsa/meghajtott berendezés

A hangcsillapító burkolat(ok) közvetlenül a berendezés fölé telepíthetők, például csúszdára szerelt, járható burkolat vagy a berendezéseket tartalmazó, a követelményeknek megfelelően szigetelt épület vagy mindkettő.

Olajhűtő

Az olaj hűtésének leggyakoribb módja a légcserélő/ventilátorhűtő használata. Ezek ventilátorzajt generálnak, amely a ventilátor csúcssebességével szabályozható. A héj- és csővezetékes vízhűtők használata zajhatékony lehet, ha a hűtőközeg rendelkezésre áll.

A gázturbinák típusai

A gázturbinák kialakítását a következők szerint lehet megkülönböztetni:

• Az üzemmód típusa
• Az égéstermék-típusok
• A tengelykonfiguráció
• A csomagolás mértéke

Az üzemmód típusai

A repülőgép-turbinamotorok

A repülőgép-turbinamotorokat vagy sugárhajtóműveket rendkívül kifinomult konstrukcióval, kis tömegre tervezik kifejezetten a repülőgépek meghajtására. Ezek a konstrukciók maximális lóerőt vagy tolóerőt igényelnek minimális tömeg és maximális üzemanyag-hatékonyság mellett. A repülőgép-turbinák görgős csapágyazásúak és magas tüzelési hőmérsékletűek, ami egzotikus kohászatokat igényel. A tüzelőanyagok korlátozott változatával üzemeltethetők. Ha egy sugárhajtóművet ipari alkalmazásban használnak, akkor egy független teljesítményturbinával kell összekapcsolni a tengelyteljesítmény előállításához.

Nehézipari gázturbinamotorok

A nehézipari gázturbinamotorok alapvető tervezési paraméterei az ipari gőzturbinákból fejlődtek ki, amelyek lassabb sebességgel, nehéz rotorokkal és nagyobb házzal rendelkeznek, mint a sugárhajtóművek a hosszabb élettartam biztosítása érdekében. Ezek a gázturbinák a folyékony vagy gázüzemanyagok legszélesebb skáláját képesek elégetni.

Könnyű ipari gázturbinamotorok

A repülőgép-turbináknál használt alapvető tervezési paraméterek és technológia kombinálhatók a nehéz ipari gázturbinák néhány tervezési szempontjával, így könnyebb súlyú ipari turbinát lehet létrehozni, amelynek élettartama megközelíti a nehéz ipari gázturbinákét. Ezeket a hajtóműveket könnyű ipari gázturbinahajtóműveknek nevezik.

Az égéstest típusai

Radiális vagy gyűrűs égéstest

Ez az égéstest körülveszi a gázturbina forgó részeit, és a hajtómű burkolatának szerves része (6. ábra). A repülőgép-turbinák és a könnyűipari gázturbinák ezt a kialakítást alkalmazzák.

• 

  6. ábra-Típusos gázturbina metszete.

Dobozégető

Ez egy- vagy többégésű rendszer, amely a forgó turbinától külső égéstárolóként elkülönül (7. ábra). Az ilyen típusú égésterméket használó konstrukciók a tüzelőanyagok szélesebb körét égethetik el.

• 

  7. ábra-Típusos gázturbina kannaégetővel (metszet).

A tengelykonfiguráció

Egytengelyes

A gázturbina lehet egytengelyes vagy kéttengelyes kivitelű. Az egytengelyes kialakítás egyetlen tengelyből áll, amely a légkompresszort, a gáztermelő turbinát és a teljesítményturbinát egyetlen forgóelemként köti össze (1. ábra). Ez a kialakítás a legalkalmasabb állandó fordulatszámú alkalmazásokhoz, például állandó frekvenciájú elektromos generátorok meghajtásához.

Kéttengelyes

A kéttengelyes kialakításnál a légkompresszor és a gáztermelő egy tengelyen, a teljesítményturbina pedig egy második független tengelyen helyezkedik el. Ez a kialakítás biztosítja a meghajtott berendezés szélesebb teljesítménytérképének hatékonyabb lefedéséhez szükséges fordulatszámbeli rugalmasságot. Ez lehetővé teszi, hogy a gáztermelő a meghajtott berendezés, például a centrifugálkompresszorok vagy szivattyúk által igényelt lóerő kifejlesztéséhez szükséges fordulatszámon működjön. A 6. ábra egy tipikus kéttengelyes gázturbina metszetét mutatja. A főbb alkatrészek közé tartozik a kompresszor, az égési rendszer, a gáztermelő turbina és a teljesítményturbina. Ez a kialakítás egy kétfokozatú gáztermelő turbinát és egy kétfokozatú teljesítményturbinát tartalmaz.

A csomagolás mértéke

Az iparban használt legtöbb gázturbina esetében a norma az, hogy a gázturbinát egy alapvázba/alvázba építik be, amely tartalmazza az alapvető működési egységhez szükséges összes alkatrészt. Ez olyan rendszereket foglal magában, mint:

• indítórendszer
• üzemanyagrendszer
• kenési rendszer
• helyi vezérlés
• Egyes esetekben a sebességváltó és a hajtott berendezések

A további üzemeltetési szempontból szükséges rendszerek általában mind különálló, előre tervezett, csomagolt rendszerek, amelyeket a turbina gyártója biztosít és testre szabhat. Ebbe a kategóriába tartoznak az olyan rendszerek, mint például:

• Légbeömlő szűrés/csillapítás
• Olajhűtők
• Távvezérlő rendszerek
• Hangcsillapított burkolatok
• Kipufogó hangtompítók

Kipufogógáz-kibocsátás

A légkör gáznemű szennyező anyagok általi károsodása fontos környezetvédelmi kérdés. A gázturbina alapciklusú kialakításával tisztább égést biztosít, és más erőgépekhez képest alacsonyabb szennyezőanyag-kibocsátást produkál, ami jelentős előny. A gázturbinák jellemzően szabályozott szennyezőanyagai:

• Nitrogén-oxidok
• Szén-monoxid
• Elégtelen szénhidrogének
• Porszemcsék
• Kén-dioxid

E szennyezési problémák egy részére, de nem mindegyikére a megoldás a gázturbina égőművében rejlik. Ennek rövid tárgyalása következik.

Nitrogén-oxidok (NOx)

A hét nitrogén-oxid közül csak kettőt szabályoznak: NO és NO2, amelyeket együttesen NOx-nak nevezünk. Az erőgépekkel kapcsolatos szinte minden kibocsátási aggály az NOx-termeléssel és az NOx-szabályozással kapcsolatos. A gázturbina más erőgépekhez képest viszonylag tiszta. Például a földgázzal működő gázturbinák általában 4-12-szer kevesebb NOx-ot termelnek teljesítményegységenként, mint a dugattyús motorok. Az NOx azonban a fő tényező a gázturbina-berendezések engedélyezésénél.

A szén-monoxid (CO)

A CO szintén nagyon alacsony szinten van a turbina kipufogógázában, mivel az égési folyamat során többletlevegő keletkezik. Ezért általában nem jelent problémát. Egyes területeken azonban, ahol a CO környezeti szintje rendkívül magas, vagy ha a gázturbinában vízbefecskendezést használnak NOx-szabályozásra, a CO tényező lehet az engedélyek megszerzésében.

Égetetlen szénhidrogének (UHC)

A jelentős mennyiségű UHC-t termelő dugattyús motorokkal ellentétben a gázturbinák kis mennyiségű UHC-t termelnek, mivel a gázturbina égési folyamatában a nagy mennyiségű felesleges levegő szinte az összes szénhidrogént teljesen elégeti. Következésképpen az UHC-kibocsátás ritkán jelent jelentős tényezőt a gázturbinák környezetvédelmi engedélyeinek megszerzésében.

Részecskék

Nincs olyan tökéletesített részecskemérési technika, amely a gázturbinák kipufogógázainál értelmezhető eredményeket adna. Ez ritkán játszik szerepet a gázturbinák engedélyezésében, ha a gázturbinában tiszta tüzelőanyagokat égetnek el.

Kén-dioxid (SO2)

Majdnem minden tüzelőanyagot égető berendezés, beleértve a gázturbinákat is, a tüzelőanyagban lévő összes ként SO2-vá alakítja. Ezáltal az SO2 inkább tüzelőanyag-probléma, mint a turbina jellemzőivel kapcsolatos probléma. Az SO2 szabályozásának egyetlen hatékony módja a tüzelőanyagban lévő kén mennyiségének korlátozása vagy az SO2 nedves mosási eljárással történő eltávolítása a kipufogógázokból.

Kibocsátásszabályozás

A szövetségi, állami és helyi előírások által meghatározott kibocsátási normák teljesítésének vagy meghaladásának szükségessége megkövetelte az ipari gázturbinák gyártóitól, hogy tisztább égésű turbinákat fejlesszenek ki. Száraz emissziós rendszereket fejlesztettek ki sovány előkevert tüzelőanyag-befecskendezőkkel, speciális égéstechnológiával és szabályozókkal az NOx- és CO-kibocsátás csökkentésére az alacsonyabb maximális lánghőmérséklet létrehozásával és a szénhidrogén tüzelőanyagok teljesebb oxidációjával. Minden ipari gázturbinagyártó rendelkezik száraz, alacsony kibocsátású termékekkel. A teljesítmény az egyes termékeknél az égéstér kialakításának különbségei miatt változik.

Ezek a sovány égésű rendszerek nagyon alacsony szintre csökkentik az NOx és CO képződését, így szükségtelenné teszik a drága, nagy karbantartást igénylő katalizátorok használatát az NOx és CO képződés utáni eltávolítására. A szélsőségesen magas légszennyezettségű területeken egyes gázturbinák esetében szükség lehet szelektív katalitikus átalakítók használatára az NOx és a CO szintjének további csökkentése érdekében. A gázturbinák tüzelőanyaga a tiszta, száraz földgáz, amely a legtisztább kipufogógázt termeli.

Kipufogóhő

A gázturbináknál a ciklus hőveszteségének nagy része a kipufogógázon keresztül távozik. Ez a hő visszanyerhető és felhasználható az elégetett tüzelőanyag teljes termikus hatásfokának növelésére. A kipufogóhő felhasználásának leggyakoribb módja a gőz előállítása.”

A szövegben hivatkozott tételek idézésére használja ezt a részt, hogy bemutassa a forrásait.

A OnePetroban található említésre méltó cikkek

Ezt a részt a OnePetroban található olyan cikkek felsorolására használja, amelyeket a többet tudni akaró olvasónak mindenképpen el kell olvasnia

Ezt a részt a PetroWikin és a OnePetron kívül más weboldalakon található releváns anyagokra mutató linkek megadására használja

See also

Prime movers

Reciprocating engines

PEH:Prime_Movers

.