Dujų turbina — kas tai? Veikimo principas, tipai ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra dujų turbina, jos veikimo principą, tipų skirtumus ir praktinį panaudojimą energetikoje bei transporte — aiškiai, suprantamai ir naudingai.

Dujų turbina, dar vadinama degimo turbina, yra vidaus degimo variklio tipas. Paprasčiausią formą sudaro trys pagrindinės dalys:

• Besisukantis dujų kompresorius (schemoje - SP), skirtas orui suspausti
• Degimo kamera, vadinama degikliu (schemoje - KS), į kurią įpurškiami degalai.
• Turbina (schemoje - TG) ant to paties veleno kaip ir kompresorius.

Schemoje pavaizduota vieno veleno dujų turbina. Viena turbina suka ir kompresorių, ir apkrovą, pavyzdžiui, elektros generatorių. Taip pat yra dviejų velenų dujų turbinų, kuriose kompresorių ir apkrovą suka atskiros turbinos. Dviejų velenų turbinos geriau tinka kelių ir geležinkelio transporto priemonėms varyti, nes jos gali suteikti didesnį sukimo momentą esant mažam greičiui.

Veikimo principas

Dujų turbinų veikimo principas grindžiamas Brayton (arba Joule) termodinaminiu ciklu: oras suspaudžiamas kompresoriumi, į jį įpurškiamas ir sudeginamas kuras degimo kameroje, o susidariusios aukštos temperatūros ir slėgio dujos išplečiamos per turbiną. Turbiną besisukantis velenas perduoda mechaninę energiją kompresoriui (jei jiedu sujungti) ir išoriniam vartotojui (generatoriui, propeleriui ar transmisijai). Išmetamos dujos išeina į aplinką per išmetimo sistemą.

Pagrindinės dalys (išplėsta)

• Kompresorius: gali būti ašinės konstrukcijos (naudojamos didelėse turbinose) arba centrifuginės (mažesnėse). Jo užduotis – padidinti įeinančio oro slėgį ir tankį.
• Degimo kamera (degiklis): būna įvairių tipų – annulinė (žiedinė), „can“ (atskiri cilindrai) arba can-annular kombinacijos. Joje oras maišomas su kuru ir uždegamas tuo, kad išvystytų kuo aukštesnę temperatūrą ir energiją dujams.
• Turbina: sudaryta iš kelių etapų (aukšto ir mažesnio slėgio pakopos), pagaminta iš karščiui ir apkrovoms atsparių medžiagų. Turbina išgauna darbo darbą iš išsiplėtusių degimo produktų ir suka veleną.
• Papildomos sistemos: perdavimo mechanizmai, tepimo ir aušinimo sistemos, valdymo elektronika, įpurškimo ir uždegimo mechanizmai.

Tipai ir konstrukcijos

Dujų turbinos skirstomos pagal paskirtį ir konstrukciją:

• Vieno veleno (single-shaft): kompresorius ir turbinų pakopos yra ant to paties veleno; paprasta konstrukcija, dažnai naudojama elektros generatoriams tiesiogiai varyti.
• Dviejų velenų (twin-shaft arba free-turbine): skirtingos turbinos suka skirtingus velenus – viena suka kompresorių, kita perduoda jėgą išoriniam vartotojui; naudinga transporto ir laivybos pritaikymams.
• Aeroderivative: lengvos, oro transportui ir jėgainėms, pasižymi dideliu galios-turienso santykiu ir greitu paleidimu.
• Turboprop ir turbo-shaft: skirtos varikliams su propeleriais arba tiesioginiams mechaniniams perdavimams (pvz., sraigtasparniuose, darbinėje technikoje).
• Prietaisams stacionarioje energetikoje: didelės pramoninės turbinos elektrinėms, dujų kompresoriams ir kombinuotoms jėgainėms (combined-cycle).

Panaudojimas

Dujų turbinos plačiai naudojamos:

• elektros gamyboje (tiek tiesiogiai, tiek kartu su garo ciklu - combined-cycle);
• aviacijoje (reaktyviniai varikliai ir turbofan), laivyboje ir geležinkeliuose;
• pramoniniuose procesuose, kur reikalinga mechaninė galia arba karštas oras/garas;
• greitosiose rezervinėse jėgainėse dėl trumpų paleidimo laikų;
• kartu su kogeneracijos sistemomis (CHP) – elektros ir šilumos gamybai.

Privalumai ir trūkumai

• Privalumai: nedidelis svoris ir dydis santykyje su galia (ypač aero-derivative), greitas paleidimas, didelis specifinis galingumas, galimybė naudoti įvairius degalus.
• Trūkumai: mažesnis naudingumas paprastu ciklu nei garo ciklų turbinų kombinacijose, aukštos temperatūros komponentų eksploatacijos reikalavimai, emisijos (NOx), sudėtinga ir brangi medžiagų bei aušinimo technologija.

Efektyvumas ir kuro rūšys

Naudingumas priklauso nuo konstrukcijos ir režimo:

• paprasto ciklo stacionarios dujų turbinų efektyvumas dažniausiai siekia apie 30–40 %;
• kombinuoto ciklo (combined-cycle) jėgainėse, kur dujų turbinos išmetamosios dujos naudojamos garo generacijai, bendras efektyvumas gali viršyti 55–62 %;
• aero-derivative turbinose efektyvumas ir galia optimizuoti tam tikroms operacijoms, taip pat geras galimybių paleidimo ir apkrovos reguliavimo diapazonas.

Kai kurie naudojami kurai: natūralios dujos (populiariausias), dyzelinas, skystieji angliavandeniliai, biokuras ir eksperimentiniai sprendimai su vandeniliu ar sinteziniais degalais.

Emisijos ir taršos mažinimas

Dujų turbinose susidaro NOx, CO ir nepilnai sudegę angliavandeniliai. Emisijas mažina tokie metodai kaip:

• Dry Low NOx (DLN) degikliai – mažina NOx pažemesne degimo temperatūra ir geresniu oro-kuro mišiniu;
• katalizinės ar selektyvios katalitinės redukcijos (SCR) sistemos;
• optimalus valdymas ir condensacijos/recirkuliacijos sprendimai.

Eksploatacija ir priežiūra

Turbinos priežiūra apima reguliarius patikrinimus, komponentų apžiūrą (kompresoriaus lapelių, turbinos sparnelių), tepimo sistemos priežiūrą ir periodinį remontą. Daugelyje įrenginių naudojami diagnostikos įrankiai ir sensoriai darbiniams parametrams stebėti bei prognozuoti priežiūros poreikį.

Santrauka

Dujų turbina yra universalus ir galingas energijos pavertimo įtaisas, plačiai naudojamas energetikoje, transporte ir pramonėje. Tinkamai parinkta ir prižiūrima turbina gali užtikrinti aukštą našumą, greitą atsaką į apkrovos pokyčius ir patikimą darbą, tuo pačiu reikalaujant investicijų į technologijas, medžiagas ir emisijų kontrolę.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra dujų turbina?

K: Kokios yra trys pagrindinės dujų turbinos dalys?

K: Kokia yra besisukančio dujų kompresoriaus paskirtis dujų turbinoje?

K: Kas yra dujų turbinos degiklis?

K: Kokia yra dujų turbinos turbinos turbinos paskirtis?

K: Kas yra vieno veleno dujų turbina?

K: Kas yra dviejų velenų dujų turbina?

Paieška pagal raidę