Plynová turbína vs parní turbína
Turbíny jsou třídou turbostrojů používaných k přeměně energie v proudící tekutině na mechanickou energii pomocí mechanismů rotoru. Turbíny obecně přeměňují buď tepelnou nebo kinetickou energii tekutiny na práci. Plynové turbíny a parní turbíny jsou tepelné turbostroje, kde práce vzniká změnou entalpie pracovní tekutiny; tj. potenciální energie tekutiny ve formě tlaku se přeměňuje na mechanickou energii.
Na základě směru proudění tekutiny se turbíny dělí na turbíny s axiálním prouděním a turbíny s radiálním prouděním. Technicky je turbína expandér, který dodává mechanický pracovní výkon poklesem tlaku, což je opačná činnost kompresoru. Tento článek se zaměřuje na typ turbíny s axiálním průtokem, který je běžnější v mnoha inženýrských aplikacích.
Základní konstrukce turbíny s axiálním prouděním je navržena tak, aby umožňovala kontinuální proudění tekutiny při odebírání energie. V tepelných turbínách je pracovní tekutina o vysoké teplotě a tlaku směrována přes řadu rotorů sestávajících z úhlových lopatek namontovaných na rotujícím disku připojeném k hřídeli. Mezi každým rotorovým kotoučem jsou namontovány stacionární lopatky, které fungují jako trysky a vodítka pro proudění tekutiny.
Více o Steam Turbine
I když se koncept využití páry k mechanické práci používal dlouhou dobu, moderní parní turbínu navrhl anglický inženýr Sir Charles Parsons v roce 1884.
Parní turbína používá jako pracovní tekutinu tlakovou páru z kotle. Přehřátá pára vstupující do turbíny ztrácí svůj tlak (entalpii) pohybem lopatek rotorů a rotory pohybují hřídelí, ke které jsou připojeny. Parní turbíny dodávají energii plynulou, konstantní rychlostí a tepelná účinnost parní turbíny je vyšší než u pístového motoru. Provoz parní turbíny je optimální při vyšších otáčkách.
Turbina je přesně jen jednou složkou cyklického provozu používaného pro výrobu energie, který je ideálně modelován Rankinovým cyklem. Kotle, výměníky tepla, čerpadla a kondenzátory jsou také součástí provozu, ale nejsou součástí turbíny.
V moderní době je primární použití parních turbín pro výrobu elektrické energie, ale na počátku 20. století byly parní turbíny používány jako elektrárna pro lodě a lokomotivní motory. Výjimečně se v některých námořních pohonných systémech, kde jsou dieselové motory nepraktické, jako jsou letadlové lodě a ponorky, stále používají parní stroje.
Více o plynové turbíně
Motor s plynovou turbínou nebo jednoduše plynová turbína je motor s vnitřním spalováním, který jako pracovní tekutinu používá plyny, jako je vzduch. Termodynamický aspekt provozu plynové turbíny je ideálně modelován Braytonovým cyklem.
Motor s plynovou turbínou se na rozdíl od parní turbíny skládá z několika klíčových součástí; to jsou kompresor, spalovací komora a turbína, které jsou sestaveny podél rotujícího hřídele, aby plnily různé úkoly spalovacího motoru. Vstup plynu ze vstupu je nejprve stlačen pomocí axiálního kompresoru; která vykonává přesný opak jednoduché turbíny. Stlačený plyn je pak směrován přes stupeň difuzoru (rozbíhavá tryska), ve kterém plyn ztrácí svou rychlost, ale dále zvyšuje teplotu a tlak.
V další fázi vstupuje plyn do spalovací komory, kde se palivo smíchá s plynem a zapálí se. V důsledku spalování stoupá teplota a tlak plynu na neuvěřitelně vysokou úroveň. Tento plyn pak prochází sekcí turbíny a při průchodu vytváří rotační pohyb k hřídeli. Plynová turbína průměrné velikosti produkuje rychlost otáčení hřídele až 10 000 otáček za minutu, zatímco menší turbíny mohou produkovat 5krát tolik.
Plynové turbíny lze použít k výrobě točivého momentu (rotující hřídel), tahu (vysokorychlostním výfukem plynu) nebo obojího v kombinaci. V prvním případě, stejně jako u parní turbíny, je mechanická práce dodávaná hřídelem pouze přeměnou entalpie (tlaku) vysokoteplotního a tlakového plynu. Část práce na hřídeli se používá k pohonu kompresoru prostřednictvím vnitřního mechanismu. Tato forma plynové turbíny se používá především pro výrobu elektrické energie a jako elektrárny pro vozidla, jako jsou tanky a dokonce i automobily. Americký tank M1 Abrams používá jako elektrárnu motor s plynovou turbínou.
Ve druhém případě je vysokotlaký plyn směrován přes konvergující trysku, aby se zvýšila rychlost, a tah je generován výfukovými plyny. Tento typ plynové turbíny se často nazývá proudový motor nebo proudový motor, který pohání vojenská stíhací letadla. Turboventilátor je pokročilou variantou výše uvedeného a kombinace jak tahu, tak generování práce se používá u turbovrtulových motorů, kde se práce na hřídeli používá k pohonu vrtule.
Existuje mnoho variant plynových turbín určených pro specifické úkoly. Jsou preferovány před jinými motory (hlavně pístovými motory) kvůli jejich vysokému poměru výkonu k hmotnosti, menším vibracím, vysokým provozním rychlostem a spolehlivosti. Odpadní teplo je téměř úplně odváděno jako výfuk. Při výrobě elektrické energie se tato odpadní tepelná energie používá k vaření vody pro provoz parní turbíny. Tento proces je známý jako výroba elektřiny s kombinovaným cyklem.
Jaký je rozdíl mezi parní turbínou a plynovou turbínou?
• Parní turbína používá vysokotlakou páru jako pracovní tekutinu, zatímco plynová turbína používá jako pracovní tekutinu vzduch nebo jiný plyn.
• Parní turbína je v podstatě expandér poskytující točivý moment jako pracovní výstup, zatímco plynová turbína je kombinované zařízení kompresoru, spalovací komory a turbíny, které vykonává cyklickou operaci a dodává práci buď jako točivý moment nebo tah.
• Parní turbína je pouze součástí provádějící jeden krok Rankinova cyklu, zatímco motor s plynovou turbínou vykonává celý Braytonův cyklus.
• Plynové turbíny mohou dodávat buď točivý moment nebo tah jako pracovní výstup, zatímco parní turbíny téměř po celou dobu dodávají točivý moment jako pracovní výstup.
• Účinnost plynových turbín je mnohem vyšší než u parních turbín v důsledku vyšších provozních teplot plynových turbín. (Plynové turbíny ~1500 0C a parní turbíny ~550 0C)
• Prostor potřebný pro plynové turbíny je mnohem menší než u provozu parní turbíny, protože parní turbína vyžaduje kotle a výměníky tepla, které by měly být připojeny externě pro přivádění tepla.
• Plynové turbíny jsou všestrannější, protože lze použít mnoho paliv a pracovní kapalina, která musí být přiváděna nepřetržitě, je všude snadno dostupná (vzduch). Na druhou stranu parní turbíny vyžadují pro svůj provoz velké množství vody a při nižších teplotách mají tendenci způsobovat problémy kvůli námraze.
