Газова турбина: принцип на работа, конструкция и приложения

Газова турбина: ясно и подробно за принципа на работа, конструкцията и приложенията — видове, технологии и реални употреби в енергетиката и транспорта.

Газовата турбина, наричана още турбина с вътрешно горене, е вид двигател с вътрешно горене. Най-простият вид има три основни части:

• Въртящ се газов компресор (SP на схемата) за компресиране на въздуха
• Горивна камера, наречена горивна камера (KS на схемата), в която се впръсква гориво
• Турбина (TG на схемата) на същия вал като компресора

На схемата е показана едновалова газова турбина. Една турбина задвижва както компресора, така и товара, например електрически генератор. Съществуват и двувалови газови турбини с отделни турбини, които задвижват компресора и товара. Двуваловите турбини са по-добри за задвижване на пътни и железопътни превозни средства, тъй като могат да осигурят по-голям въртящ момент при ниска скорост.

Принцип на работа

Газовата турбина работи по цикъла на Брайтън (Brayton): въздухът се компресира, в горивната камера се смесва с гориво и се изгаря (приблизително при постоянно налягане), след което горещите газове се разширяват през турбината и произвеждат механична енергия. Част от произведената енергия задвижва компресора, а остатъкът може да се използва за въртящ товар, напр. генератор или механично задвижване.

Конструкция и основни елементи

Основните компоненти са компресор, горивна камера и турбина. При модерните инсталации се добавят още системи за управление, впръскване и охлаждане:

• Компресор: може да бъде осов (axial) или центробежен (centrifugal). Осовите компресори са предпочитани за големи турбини поради висока ефективност при големи масови потоци, докато центробежните са по-компактни и често използвани в по-малки агрегати.
• Горивна камера: проектирана за бързо смесване и изгаряне при минимални емисии. Основни конструкции: annular, can и can-annular. Управлението на температурата и горивния поток е ключово за надеждност и емисии.
• Турбина: извлича енергия от горещите газове. Състои се от няколко степени с подвижни и стационарни лопатки. Лопатките често са от специални никелови сплави с охлаждане (вътрешно и филмово охлаждане) и в някои случаи монокристални материали, за да издържат на високи температури.
• Охлаждане и уплътнения: системите за охлаждане на горещите елементи и прецизните уплътнения предотвратяват прегряване, загуби и износване.
• Системи за управление: електронни регулатори следят температура, налягане и скорост и оптимизират работата и безопасността.

Модификации и подобрения за ефективност

• Комбинирани цикли (Combined Cycle Gas Turbine, CCGT): изходящите горещи газове от газовата турбина захранват парна турбина, което значително повишава общата ефективност на електроцентралата (до над 60% при съвременни съоръжения).
• Рекуператори (възстановители на топлина): при по-малки инсталации се използват възстановители за предгряване на въздуха, което подобрява ефективността в простия цикъл.
• Интеркулер, повторно загряване и други термодинамични подобрения: при някои системи се прилагат междинно охлаждане, повторно нагряване и многостъпални компресори за по-добра ефективност при различни режими.

Приложения

Газовите турбини имат широк спектър от приложения заради високата мощност на единица маса и сравнително компактните си размери:

• Електрогенерация: мощни централи, пикови и резервни инсталации, често в комбиниран цикъл за висока ефективност (вижте връзката към електрически генератор).
• В авиацията: турбореактивни и турбовентилаторни двигатели са разновидности на газови турбини, адаптирани за летателни апарати.
• Морска и железопътна тяга: използват се за задвижване на кораби, подводници и високоскоростни влакове.
• Индустриални задвижвания: за компресори, помпи и други големи механични товари в нефтената, газовата и химическата индустрия.
• Когенерация (CHP): съвместно производство на електрическа и топлинна енергия, като топлината от отработените газове се използва за отопление или технологични нужди.

Предимства и недостатъци

• Предимства: висока мощност при малко тегло и обем, бърз старт и регулиране (особено в модерни системи), горивна гъвкавост (природен газ, течни горива, синтетичен газ, в бъдеще — водород), възможност за комбиниран цикъл с много висока ефективност.
• Недостатъци: по-ниска ефективност в прост цикъл при частично натоварване в сравнение с комбинирани решения; чувствителност към качеството на входящия въздух (замърсяване, прах, влага); високи температури налагат скъпи материали и сложни системи за охлаждане; емисии на NOx и CO2, които изискват контролни технологии.

Екологични аспекти и горива

Най-често използваното гориво е природният газ поради по-ниски емисии на CO2 и прахови частици в сравнение с тежки горива. Съществуват и варианти за работа с дизел, биогорива, синтетични газове или смес с водород. За намаляване на NOx и други вредни емисии се прилагат технологии като предварително смесено горене (Dry Low NOx), селективна каталитична редукция (SCR) и оптимизация на горивния процес.

Поддръжка и експлоатация

Регулярната поддръжка е критична за надеждност и дълъг живот на турбините. Основни дейности включват филтрация и почистване на входящия въздух, инспекции на горещата част (hot section inspection), баланс на ротора, проверка и подмяна на уплътнения и лагери. Ефективността и мощността зависят от температурата на околната среда — при по-високи температури въздушната плътност е по-ниска и мощността намалява, затова често се използват охладители на въздуха при входа в компресора.

Заключение

Газовите турбини са ключова технология за съвременната енергетика и индустрия: позволяват бързо и компактно генериране на голяма мощност, имат разнообразни приложения и продължават да се развиват чрез материали, топлинно управление и интеграция с други технологии (като комбинирани цикли и използване на водород). Правилната конструкция и експлоатация гарантират икономичност, надеждност и минимални екологични въздействия.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява газовата турбина?

В: Кои са трите основни части на газовата турбина?

Въпрос: Какво е предназначението на въртящия се газов компресор в газовата турбина?

Въпрос: Какво представлява горивната камера в газовата турбина?

В: Какво е предназначението на турбината в газовата турбина?

В: Какво представлява едновалова газова турбина?

В: Какво е двувалова газова турбина?

Търсене по буква