Turbină cu gaz (turbomachine)
Turbina cu gaz este o mașină de antrenare a fluidului compresibil, utilizată împreună cu compresorul axial din turbina cu gaz. Sunt utilizate în centralele electrice pe gaz pentru producerea de energie electrică sau în centralele cu ciclu combinat în serie cu ciclul de abur. Sunt turbine care alternează lamele rotorului și ale statorului, ceea ce implică existența unor etape de acțiune și care alternează cu cele de reacție.
Există două tipuri de turbine cu gaz:
- axial,
- radial.
Istorie
Turbinele cu gaz au fost brevetate în jurul anului 1890 , dar abia în anii 1930 au avut loc primele realizări practice, cu prima fabrică de producere a energiei electrice pe baza unui ciclu de gaz care a fost construită în 1939 în Elveția de către Brown, Boveri & Cie . În anii următori a existat o utilizare din ce în ce mai răspândită a acestor mașini Brayton-Joule Cycle atât în centralele electrice, cât și pentru transportul aerian.
Turbine cu gaz axial la temperatură înaltă
Turbinele axiale cu gaz sunt prima alegere ca turboexpander al unui ciclu Brayton-Joule pentru generarea de energie staționară pentru dimensiuni mari și pentru propulsie. În aceste condiții, acestea asigură o temperatură de admisie foarte ridicată în raport cu punctul critic al fluidului de lucru și adesea probleme considerabile și pentru materialele de construcție ale turbinei. Temperatura ridicată este frecvent necesară pentru a crește eficiența ciclului termodinamic, dar provoacă probleme considerabile în construcția mașinii în sine. Temperaturile ridicate la care sunt expuse materialele pot provoca de fapt fenomene de fluaj . Pentru a reduce aceste probleme, sunt de obicei urmate trei strategii:
- răcirea lamei
- îmbunătățirea materialelor
- aplicarea acoperirilor de barieră termică.
Aceste strategii, singure sau în combinație între ele, permit reducerea temperaturii materialelor, permițând o durată de viață mai lungă sau o temperatură mai mare de funcționare a mașinii. [1]
Răcire
Atât palele statorului și rotorul, cât și discurile turbinei, pot fi răcite făcându-le să interacționeze cu un flux de fluide reci, de obicei aer sau abur, în funcție de necesități și disponibilitate. Această interacțiune poate apărea fără ca fluidul de răcire să intre în contact cu fluidul de lucru, în acest caz este definit ca răcire cu circuit închis sau amestecarea, chiar ulterior, a lichidului de răcire cu fluidul de lucru.
În mod obișnuit, paleta, care este cea mai critică componentă care trebuie răcită, pentru mașinile cu aer sau gaze arse este răcită cu un ciclu deschis în care fluidul frigorific curge mai întâi în interiorul componentei unice și este apoi descărcat de duze speciale plasate pe zona expusă. la gazele paletei. În acest fel, sunt garantate două tipuri diferite de răcire: răcirea convectivă, în care fluidul de răcire schimbă căldura cu componentele mașinii și răcirea peliculei, în care fluidul de răcire formează un strat termic mai rece în apropierea lamei. stare extremă de răcire prin transpirație în care paleta se comportă ca un mediu poros prin care iese lichidul de răcire. Pentru unele detalii particulare supuse unor sarcini termice ridicate, cum ar fi marginile anterioare ale lamelor, utilizarea tehnicilor de răcire pentru lovire. [2]
Utilizarea aburului este preferabilă, datorită celor mai buni coeficienți de schimb de căldură și a căldurii specifice mai mari a aburului, care permite eliminarea mai multor călduri cu aceeași diferență de masă și temperatură a fluidului frigorific. Cu toate acestea, utilizarea aburului necesită cuplarea cu un generator de abur și, prin urmare, această metodă este utilizată într-un ciclu combinat, dar acest lucru determină o prelungire a timpilor de aprindere a sistemului, ceea ce are ca rezultat un dezavantaj mare datorită timpilor de aprindere reduși care au făcut ca utilizarea unei turbine cu gaz este atractivă. Dar, pe de altă parte, permite o creștere mare a eficienței centralei, mai ales dacă este într-un ciclu închis: aburul poate fi încălzit și apoi trimis la o turbină cu abur capabilă să extragă puterea utilă din flux.
Materiale
Pentru a depăși problema supraîncălzirii, materialele ceramice pot fi utilizate ca alternativă la metale, care sunt capabile să reziste la temperaturi mai ridicate și, de asemenea, pentru rezistența lor la coroziune, o problemă accentuată de temperaturile ridicate atinse. Cu toate acestea, starea de tracțiune a lamelor asociată cu prezența unui moment de încovoiere puternic pe lame face ca utilizarea materialelor ceramice să nu fie recomandabilă datorită capacității lor reduse de rezistență la tracțiune. Din acest motiv, sunt utilizate în prezent aliaje metalice speciale, cum ar fi Inconel , capabile să reziste la temperaturi ridicate și coroziune.
În ciuda problemelor de solicitare mecanică a lamei, materialele ceramice sunt exploatate sub forma unui strat subțire de ceramică în jurul lamelor, acest lucru ajutând atât la reducerea sarcinii termice pe componentul metalic, cât și la creșterea rezistenței la coroziune, fără însă a merge pentru a compromite semnificativ rezistența la stres. [3]
Turbine radiale cu gaz
În anumite condiții, utilizarea turbinelor radiale este utilizată pentru a garanta un salt mai mare de entalpie cu un număr mai mic de trepte. [4] Această opțiune este implementată în microturbinele cu gaz, unde dimensiunea mică permite o reducere mare a costurilor, în timp ce eficiența redusă nu provoacă pierderi excesive de ciclu. Cu toate acestea, există probleme de supraîncălzire și utilizarea circuitelor sofisticate de răcire este îngreunată de structura și traseul particular al fluidului de lucru.
Notă
- ^ Giovanni Lozza, "Turbine cu gaz și cicluri combinate" , Esculapio, 2006, ISBN 88-7488-123-1 .
- ^ "Seminarii cursului de mașini și sisteme de energie" ( PDF ), pe dma.ing.uniroma1.it . Adus la 24 februarie 2017 .
- ^ Padture NP, Gell M. și Jordan EH, "Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications" , în Știință , vol. 296, 2002, DOI : 10.1126 / science.1068609 .
- ^ (EN) Selectarea tipului de turbină pentru aplicații S-CO2 (PDF), pe nicholi de frizerie. Adus pe 10 noiembrie 2019 .
Elemente conexe
| Controlul autorității | Tezaur BNCF 22613 |
|---|
