Plynová turbína ( fr. turbína z lat. turbo - vír, rotace) - motor, lopatkový stroj , v jehož krocích se energie stlačeného a/nebo ohřátého plynu přeměňuje na mechanickou práci na hřídeli [1] . Hlavními konstrukčními prvky jsou rotor (pracovní lopatky upevněné na discích) a stator , nazývaný tryskový aparát (rozváděcí lopatky upevněné ve skříni).
Plynové turbíny se používají jako součást plynových turbínových motorů , stacionárních plynových turbínových jednotek (GTU) a zařízení s kombinovaným cyklem (CCGT).
Pokusy o vytvoření mechanismů podobných turbínám se provádějí již velmi dlouho. Známý je popis primitivní parní turbíny vyrobené Herónem Alexandrijským (1. století př. n. l.). V osmnáctém století získal Angličan John Barber patent na zařízení, které mělo většinu prvků přítomných v moderních plynových turbínách. Na konci 19. století , kdy termodynamika, strojírenství a metalurgie dosáhly dostatečné úrovně, Gustav Laval ( Švédsko ) a Charles Parsons ( Velká Británie ) nezávisle na sobě vytvořili parní turbíny vhodné pro průmyslové využití [2] .
První reverzibilní plynová turbína na světě byla navržena ruským inženýrem a vynálezcem Pavlem Dmitrievičem Kuzminským v roce 1887. Jeho 10stupňová turbína pracovala na směsi plynu a páry získané ve spalovací komoře, kterou vytvořil v roce 1894 - "plyn-pára". [3] Kuzminskij použil vodní chlazení spalovací komory. Voda ochladila stěny a poté vnikla do komory. Přívod vody snižoval teplotu a současně zvyšoval množství plynů vstupujících do turbíny, což mělo zvýšit účinnost zařízení. [4] V roce 1892 P. D. Kuzminsky turbínu vyzkoušel a nabídl ji ministerstvu války jako motor pro vzducholoď vlastní konstrukce. [5] V roce 1897 byla v Petrohradském závodě na výrobu nábojů postavena provozní plynová turbína , [6] kterou vynálezce připravoval k vystavení na Světové výstavě v Paříži v roce 1900 , ale několik měsíců se jí nedočkal.
Souběžně s Kuzminským prováděl experimenty s plynovou turbínou (jako perspektivním motorem pro torpéda ) také Charles Parsons, ale brzy dospěl k závěru, že dostupné slitiny neumožňují pro svou nízkou tepelnou odolnost vytvořit spolehlivý mechanismus, který by byl uveden do pohybu proudem horkých plynů nebo paroplynové směsi, načež se zaměřil na vytvoření parních turbín [7] .
Vysokotlaký plyn proudí tryskou turbíny do nízkotlaké oblasti, přičemž se rozšiřuje a zrychluje. Dále proud plynu vstupuje do lopatek turbíny, dává jim část své kinetické energie a přenáší točivý moment na lopatky. Lopatky rotoru přenášejí krouticí moment přes kotouče turbíny na hřídel. Plynová turbína se nejčastěji používá k pohonu generátorů.
Mechanicky mohou být plynové turbíny podstatně jednodušší než pístové spalovací motory . Složitější turbíny (jak se používají v moderních proudových motorech ) mohou mít vícenásobné hřídele, stovky lopatek turbíny a statoru a rozsáhlý systém složitého potrubí, spalovacích komor a výměníků tepla.
Axiální ložiska a radiální ložiska jsou kritickými konstrukčními prvky. Tradičně se jednalo o hydrodynamická nebo olejem chlazená kuličková ložiska . Překonaly je vzduchová ložiska, která se s úspěchem používají v mikroturbínách a pomocných energetických jednotkách .
Plynové turbíny se často používají v mnoha raketách na kapalná paliva a také k pohonu turbočerpadla, což jim umožňuje použití v nízkotlakých, lehkých nádržích, které ukládají významnou suchou hmotu.
Rozdíl mezi průmyslovými plynovými turbínami a leteckými je v tom, že jejich hmotnostní a rozměrové charakteristiky jsou mnohem vyšší, mají rám, ložiska a systém lopatek masivnější konstrukce. Průmyslové turbíny mají různé velikosti od mobilních jednotek namontovaných na nákladních automobilech až po obrovské komplexní systémy. Nejčastěji jsou plynové turbíny v elektrárnách využívány v kombinovaném paroplynovém cyklu , což znamená výrobu páry zbytkovým teplem výfukových plynů v kotli na odpadní teplo a následnou dodávku páry do parní turbíny pro dodatečnou výrobu elektřiny. Takové instalace mohou mít vysokou účinnost - až 60%. Plynová turbína může navíc pracovat v konfiguracích s kogenerátorem : výfuk se používá k ohřevu vody v systémech zásobování teplem pro potřeby teplé užitkové vody a vytápění a také k použití absorpčních chladičů pro systémy zásobování chladem. Současné využití výfukových plynů k produkci tepla a chladu se nazývá trigenerační režim . Účinnost takových zařízení – KVET s plynovou turbínou může být velmi vysoká a dosahovat až 90 %, ale účinnost jejich využití přímo závisí na potřebě tepelné energie, která není konstantní po celý rok a závisí na povětrnostních podmínkách.
Plynové turbíny s jednoduchým cyklem lze vyrábět pro vysoký i nízký výkon. Jednou z jejich výhod je schopnost přejít do provozního režimu během několika minut, což umožňuje jejich využití jako napájení při špičkovém zatížení. Protože jsou méně účinné než elektrárny s kombinovaným cyklem, obvykle se používají jako špičkové elektrárny a fungují od několika hodin denně až po několik desítek hodin ročně v závislosti na poptávce po elektřině a kapacitě výroby. V oblastech s nedostatečným základním zatížením a v elektrárnách, kde se elektřina vyrábí v závislosti na zatížení, může být zařízení s plynovou turbínou pravidelně provozováno po většinu dne.
Část úspěchu mikroturbíny je způsobena vývojem elektroniky , která umožňuje zařízení pracovat bez lidského zásahu. Mikroturbíny se používají v nejsložitějších projektech autonomního napájení.
Tyto nedostatky vysvětlují, proč silniční vozidla, která jsou menší, levnější a vyžadují méně pravidelnou údržbu než tanky, helikoptéry a velké lodě, nepoužívají motory s plynovou turbínou navzdory nesporným výhodám velikosti.
| Motory | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| viz také stroj na věčný pohyb Převodový motor gumový motor | |||||||||||||||||