gasturbine vs dampturbine
Turbiner er en klasse af turbomaskiner, der bruges til at omdanne energien i en strømmende væske til mekanisk energi ved hjælp af rotormekanismer. Turbiner omdanner i almindelighed enten termisk eller kinetisk energi af væsken til arbejde. Gasturbiner og dampturbiner er termisk turbomaskineri, hvor arbejdet genereres fra entalpiændringen af arbejdsvæsken; dvs. væskens potentielle energi i form af tryk omdannes til mekanisk energi.
Baseret på retningen af væskestrømningsturbinerne er kategoriseret i aksialstrømningsturbiner og radialstrømsturbiner. Teknisk set er en turbine en ekspander, som leverer mekanisk arbejdsydelse ved faldet i tryk, hvilket er den modsatte drift af kompressoren. Denne artikel fokuserer på den aksiale turbinetype, som er mere almindelig i mange tekniske applikationer.
Den grundlæggende struktur af en aksialstrømsturbine er designet til at tillade en kontinuerlig strøm af væske, mens energien udvindes. I termiske turbiner ledes arbejdsvæsken ved en høj temperatur og et tryk gennem en række rotorer bestående af vinklede vinger monteret på en roterende skive fastgjort til akslen. Mellem hver rotorskiver er der monteret stationære vinger, som fungerer som dyser og styrer til væskestrømmen.
Mere om Steam Turbine
Selv om konceptet med at bruge damp til at udføre mekanisk arbejde blev brugt i lang tid, blev den moderne dampturbine designet af den engelske ingeniør Sir Charles Parsons i 1884.
Dampturbinen bruger damp under tryk fra en kedel som arbejdsvæske. Den overophedede damp, der kommer ind i turbinen, mister sit tryk (entalpi), der bevæger sig gennem rotorbladene, og rotorerne flytter akslen, som de er forbundet til. Dampturbiner leverer strøm med en jævn, konstant hastighed, og en dampturbines termiske effektivitet er højere end en stempelmotors. Driften af dampturbinen er optimal ved højere RPM-tilstande.
Strengt set er turbinen kun en enkelt komponent i den cykliske drift, der bruges til elproduktion, som ideelt set er modelleret af Rankine-cyklussen. Kedlerne, varmevekslerne, pumperne og kondensatorerne er også komponenter i driften, men er ikke dele af turbinen.
I moderne dage er den primære brug af dampturbinerne til elproduktion, men i begyndelsen af det 20. århundrede blev dampturbiner brugt som kraftværk til skibe og lokomotivmotorer. Som en undtagelse, i nogle marine fremdriftssystemer, hvor dieselmotorerne er upraktiske, såsom hangarskibe og ubåde, bruges dampmaskinerne stadig.
Mere om gasturbine
Gasturbinemotor eller blot en gasturbine er en forbrændingsmotor, der bruger gasser såsom luft som arbejdsvæske. Termodynamisk aspekt af driften af gasturbinen er ideelt modelleret af Brayton-cyklussen.
Gasturbinemotoren består i modsætning til dampturbinen af flere nøglekomponenter; det er kompressoren, forbrændingskammeret og turbinen, som er samlet langs en roterende aksel, for at udføre forskellige opgaver for en forbrændingsmotor. Gasindtag fra indløbet komprimeres først ved hjælp af en aksial kompressor; som udfører det stik modsatte af en simpel turbine. Den tryksatte gas ledes derefter gennem en diffuser (en divergerende dyse), hvor gassen mister sin hastighed, men øger temperaturen og trykket yderligere.
I næste trin kommer gas ind i forbrændingskammeret, hvor et brændstof blandes med gassen og antændes. Som følge af forbrændingen stiger gassens temperatur og tryk til et utroligt højt niveau. Denne gas passerer derefter gennem turbinesektionen og frembringer, når den passerer igennem, rotationsbevægelse til akslen. En gasturbine i gennemsnitsstørrelse producerer akselrotationshastigheder så høje som 10.000 RPM, mens mindre turbiner kan producere 5 gange så meget.
Gasturbiner kan bruges til at producere drejningsmoment (ved den roterende aksel), tryk (ved højhastighedsgasudstødning) eller begge dele i kombination. I det første tilfælde, som i dampturbinen, er det mekaniske arbejde leveret af akslen blot en transformation af entalpi (tryk) af højtemperatur- og trykgas. En del af akselarbejdet bruges til at drive kompressoren gennem en intern mekanisme. Denne form for gasturbinen bruges hovedsageligt til elproduktion og som kraftværker til køretøjer såsom tanke og endda biler. Den amerikanske M1 Abrams-tank bruger en gasturbinemotor som kraftværk.
I det andet tilfælde ledes højtryksgassen gennem en konvergerende dyse for at øge hastigheden, og trykket genereres af udstødningsgassen. Denne type gasturbine kaldes ofte Jetmotor eller turbojetmotor, som driver det militære jagerfly. Turbofanen er en avanceret variant af ovenstående, og kombinationen af både tryk- og arbejdsgenerering bruges i turbopropmotorer, hvor akselarbejde bruges til at drive en propel.
Der findes mange varianter af gasturbinerne designet til specifikke opgaver. De foretrækkes frem for andre motorer (hovedsageligt stempelmotorer) på grund af deres høje effekt/vægt-forhold, færre vibrationer, høje driftshastigheder og pålidelighed. Spildvarmen bortledes næsten udelukkende som udstødningen. Ved elproduktion bruges denne affaldstermiske energi til at koge vand for at drive en dampturbine. Processen er kendt som kombineret cyklus strømproduktion.
Hvad er forskellen mellem dampturbine og gasturbine?
• Dampturbine bruger højtryksdamp som arbejdsvæske, mens gasturbinen bruger luft eller anden gas som arbejdsvæske.
• Dampturbine er dybest set en ekspander, der leverer drejningsmoment som arbejdsoutput, mens en gasturbine er en kombineret enhed af kompressor, forbrændingskammer og turbine, der udfører en cyklisk operation for at levere arbejde som enten drejningsmoment eller tryk.
• Dampturbine er kun en komponent, der udfører et trin i Rankine-cyklussen, mens gasturbinemotoren udfører hele Brayton-cyklussen.
• Gasturbiner kan levere enten drejningsmoment eller tryk som arbejdsoutput, mens dampturbiner næsten hele tiden leverer moment som arbejdsoutput.
• Effektiviteten af gasturbinerne er meget højere end dampturbinen på grund af gasturbinernes højere driftstemperaturer. (Gasturbiner ~1500 0C og dampturbiner ~550 0C)
• Den plads, der kræves til gasturbinerne, er meget mindre end dampturbinedrift, fordi dampturbine kræver kedler og varmevekslere, som skal tilsluttes eksternt for varmetilførsel.
• Gasturbiner er mere alsidige, fordi mange brændstoffer kan bruges, og arbejdsvæske, som skal tilføres kontinuerligt, er let tilgængelig over alt (luft). Dampturbiner kræver på den anden side store mængder vand til driften og har en tendens til at give problemer ved lavere temperaturer på grund af isdannelse.
