MOTORUL DIESELTURBINA CU GAZE

Motor dieselMotorul diesel este un motor cu ardere internă în care combustibilul se aprinde datorită temperaturii ridicate create de comprimarea aerului necesar arderii, și nu prin utilizarea unui dispozitiv auxiliar, așa cum ar fi bujia în cazul motorului cu aprindere prin scânteie. Motorul lucrează pe baza ciclului Diesel.

IstorieNumele motorului a fost dat după inginerul german Rudolf Diesel la sugestia soției sale, Martha Diesel, care în 1895 îl sfătuiește cu: Nenn ihn doch einfach Dieselmotor! („numește-l pur și simplu motor Diesel!”), ușurînd astfel lui Diesel căutarea după denumirea motorului, pe care l-a inventat în 1892 și l-a patentat pe 23 februarie 1893. Intenția lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o gamă largă de combustibili, inclusiv praful de cărbune. Diesel și-a prezentat invenția funcționând în 1900 la Expoziția Universală (World's Fair) având drept combustibil ulei de alune .

Scurtă cronologie

1862 - Nikolaus Otto dezvoltă motorul pe bază de gaz de cărbune, similar unui motor pe benzină modern.

1891 - Herbert Akroyd-Stuart îmbunatățește motorul său pe bază de ulei și cedează drepturile către Hornsby din Anglia pentru construcția motoarelor. Aceștia au construit primul motor cu aprindere prin comprimare cu start rece.

1892 - Motorul Hornsby cu numărul 101 este construit și instalat într-o casă de apă. Acesta se află în muzeul camioanelor MAN din nordul Angliei.

1892 - Rudolf Diesel dezvoltă versiunea sa de motor având la bază principiile motorului Carnot alimentat cu praf de carbune. În data de 10 august 1893 în Maschinenfabrik Augsburg pornește pentru prima dată motorul inventat de el. Aprinderea carburantului în cilindru produsese o bubuitură atât de puternică, incât a spart niște geamuri și aparate de măsurat, motorul însă rămânând intact. A mai durat însă încă patru ani, pînă motorul a funcționat. El avea o putere de 20 CP. El este angajat de Carl von Linde, apoi de producătorul de fier MAN AG din München și mai tărziu de Sulzer, companie de motoare dinElveția. Diesel împrumută idei de la fiecare și lasă o moștenire bogată firmelor.

1892 - John Froelich construiește un tractor cu motor având drept combustibil petrolul.

1894 - Witte, Reid, and Fairbanks încep construcția de motoare pe bază de petrol cu diverse sisteme de aprindere.

1896 - Hornsby construiește tractoare cu motor diesel și motoare pentru locomotive.

1897 - Winton produce și conduce primul automobil pe benzină din Statele Unite; mai târziu construiește fabrici de motoare diesel.

1897 - Mirrlees, Watson & Yaryan construiesc primul motor diesel englez cu licență Rudolf Diesel. Acesta este expus în Science Museum din South Kensington, Londra.

Cum funcționează motorul diesel

Comprimarea unui gaz conduce la creșterea temperaturii sale, aceasta fiind metoda prin care se aprinde combustibilul în motoarele diesel. Aerul este aspirat în cilindri și este comprimat de către piston până la un raport de 25:1, mai ridicat decât cel al motoarelor cu aprindere prin scânteie. Spre sfârșitul cursei de comprimare motorina (combustibilul) este pulverizată în camera de ardere cu ajutorul unui injector. Motorina se aprinde la contactul cu aerul deja încălzit prin comprimare până la o temperatura de circa 700-900 °C. Arderea combustibilului duce la creșterea temperaturii și presiunii, care acționează pistonul. În continuare, ca la motoarele obișnuite, biela transmite forța pistonului către arborele cotit, transformând mișcarea liniară în mișcare de rotație. Aspirarea aerului în cilindri se face prin intermediul supapelor, dispuse la capul cilindrilor. Pentru mărirea puterii, majoritatea motoarelor diesel moderne sunt supraalimentate cu scopul de a mări cantitatea de aer introdusă în cilindri. Folosirea unui răcitor intermediar pentru aerul introdus în cilindri crește densitatea aerului și conduce la un randament mai bun.

În timpul iernii, când afară este frig, motoarele diesel pornesc mai greu deoarece masa metalică masivă a blocului motor (format din cilindri și chiulasă) absoarbe o mare parte din căldura produsă prin comprimare, reducând temperatura și împiedicând aprinderea. Unele motoare diesel folosesc dispozitive electrice de încălzire, de exemplu bujii cu incandescență, ajutând la aprinderea motorinei la pornirea motorului diesel. Alte motoare folosesc rezistențe electrice dispuse în galeria de admisie, pentru a încălzi aerul. Sunt folosite și rezistențe electrice montate în blocul motor, tot pentru a ușura pornirea și a micșora uzura. Motorina are un grad mare de vîscozitate, mai ales la temperaturi scăzute, ducând la formarea de cristale în combustibil, în special în filtre, împiedicând astfel alimentarea corectă a motorului. Montarea de mici dispozitive electrice care să încălzească motorina, mai ales în zona rezervorului și a filtrelor a rezolvat această problemă. De asemenea, sistemul de injecție al multor motoare trimite înapoi în rezervor motorina deja încălzită, care nu a fost injectată, prevenind astfel cristalizarea combustibilului din rezervor. În prezent, folosirea aditivilor moderni a rezolvat și această problemă.

O componentă vitală a motoarelor diesel este regulatorul de turație, mecanic sau electronic, care reglează turația motorului prin dozarea corectă a motorinei injectate. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie (Otto), cantitatea de aer aspirată nu este controlată, fapt ce duce la supraturarea motorului. Regulatoarele mecanice se folosesc de diferite mecanisme în funcție de sarcină și viteză. Regulatoarele motoarelor moderne, controlate electronic, comandă injecția de combustibil și limitează turația motorului prin intermediul unei unități centrale de control care primește permanent semnale de la senzori, dozând corect cantitatea de motorină injectată.

Controlul precis al timpilor de injecție este secretul reducerii consumului și al emisiilor poluante. Timpii de injecție sunt măsurați în unghiuri de rotație ai arborelui cotit înainte de punctul mort superior. De exemplu, dacă unitatea centrală de control inițiază injecția cu 10 grade înainte de punctul mort superior, vorbim despre un avans la injecție de 10 grade. Avansul la injecție optim este dat de construcția, turația și sarcina motorului respectiv.

Avansând momentul injecției (injecția are loc înainte ca pistonul să ajungă la punctul mort interior) arderea este completă, la presiune și temperatură mare, dar cresc și emisiile de oxizi de azot. La cealalată extremă, o injecție întârziată conduce la ardere incompletă și emisii vizibile de particule

Motorul diesel modern este o îmbinare a creațiilor a doi inventatori. În mare, rămâne fidel conceptului original al lui Rudolf Diesel, adică combustibilul este aprins prin comprimarea aerului din cilindru. Însă, aproape toate motoarele diesel de azi folosesc așa-numitul sistem de injecție solidă, inventat de Herbert Akroyd Stuart, pentru motorul său cu cap incandescent (un motor cu aprindere prin comprimare care precedase motorul diesel, dar funcționează oarecum diferit). În cazul injecției solide, combustibilul este adus la o presiune extremă cu ajutorul unor pompe și introdus în camera de ardere prin intermediul unor injectoare și a aerului comprimat, într-o stare aproape solidă. La început, combustibilul era injectat în motorul diesel cu ajutorul aerului comprimat care îl pulveriza în cilindru. Mărimea compresorului de aer era atât de mare, încât primele motoare diesel erau foarte grele și voluminoase în raport cu puterea produsă, mai ales datorită antrenării unor astfel de compresoare. Primele motoare montate pe nave aveau un motor auxiliar dedicat antrenării compresorului de injecție. Sistemul era prea mare și greoi pentru a fi folosit în industria auto.

Injecția controlată mecanic și electronicMotoarele din vechile generații utilizau o pompă mecanică și un mecanism cu supape antrenate de arborele cotit, de obicei prin intermediul unui lanț sau curea dințată. Aceste motoare foloseau injectoare simple, cu supapă și arc, care se deschideau/închideau la o anumită presiune a combustibilului. Pompa consta dintr-un cilindru care comprima motorina și o supapă sub formă de disc care se rotea la jumătate din turația arborelui cotit. Supapa avea o singură deschidere pe o parte, pentru combustibilul sub presiune și o alta pentru fiecare injector. Pe măsură ce se rotea, discul supapei distribuia fiecărui injector o cantitate precisă de combustibil la mare presiune. Supapa injectorului era acționată de presiunea motorinei injectate atât timp cât discul debita combustibil

cilindrului respectiv. Regimul motorului era controlat de un al treilea disc care se rotea doar câteva grade și era acționat de o pârghie. Acest disc controla deschiderea prin care trecea combustibilul, dozînd astfel cantitatea de motorină injectată.

Vechile motoare diesel puteau fi pornite, din greșeală, și în sens invers, deși funcționau ineficient datorită ordinii de aprindere dereglate. Aceasta era de obicei consecința pornirii mașinii într-o treaptă de viteză greșită.

Motoarele moderne au o pompă de injecție care asigură presiunea necesară injecției. Fiecare injector este acționat electromagnetic prin intermediul unei unități centrale de control, fapt ce permite controlul precis al injecției în funcție de turație și sarcină, având ca rezultat performanțe mărite și un consum scăzut. Soluția tehnică mai simplă a ansamblului pompă-injector a condus la construcția de motoare mai fiabile și mai silențioase.

Injecția indirectă 

În cazul motorului diesel cu injecție indirectă, motorina nu este injectată direct în camera de ardere, ci într-o antecameră unde arderea este inițiată și se extinde apoi în camera de ardere principală, antrenată de turbulența creată. Sistemul permite o funcționare liniștită, și, deoarece arderea este favorizată de turbulență, presiunea de injecție poate fi mai scăzută, deci sunt permise viteze de rotație mari (până la 4000 rpm), mult mai potrivite autoturismelor. Antecamera avea dezavantajul pierderilor mari de căldură, ce trebuiau suportate de către sistemul de răcire și a unei eficiențe scăzute a arderii, cu până la 5-10% mai scăzută față de motoarele cu injecție directă. Aproape toate motoarele trebuiau să aibă un sistem de pornire la rece, ca de exemplu bujii incandescente. Motoarele cu injecție indirectă au fost folosite pe scară mare în industria auto și navală începând din anii timpurii 1950 până în anii 1980, când injecția directă a progresat semnificativ. Motoarele cu injecție indirectă sunt mai ieftine și mai ușor de construit pentru domeniile de activitate unde emisiile poluante nu sunt o prioritate. Chiar și în cazul noilor sisteme de injecție controlate electronic, motoarele cu injecție indirectă sunt încet înlocuite de cele dotate cu injecție directă, care sunt mult mai eficiente.

În perioada de dezvoltare a motoarelor diesel din anii 1930, diferiți constructori au pus la punct propriile tipuri de antecamere de ardere. Unii constructori, precum Mercedes-Benz, aveau forme complexe. Alții, precum Lanova, utilizau un sistem mecanic de modificare a formei antecamerei, în funcție de condițiile de funcționare. Însă, cea mai folosită metodă a fost cea în formă de spirală, concepută de Harry Ricardoce folosea un design special pentru a crea turbulențe. Majoritatea producătorilor europeni au folosit acest tip de antecamere sau și-au dezvoltat propriile modele (Mercedes Benz și-a menținut propriul design mulți ani).

Injecția directă

Motoarele moderne folosesc una din următoarele metode de injecție directă.

Injecția directă cu pompă-distribuitorPrimele motoare diesel cu injecție directă au folosit o pompă de injecție rotativă, cu injectoarele montate în partea superioara a camerei de ardere și nu într-o antecameră. Exemple de vehicule dotate cu astfel de motoare sunt Ford Transit sau Rover Maestro, având ambele motoare fabricate de Perkins. Problema acestor motoare era zgomotul excesiv și emisiile de fum. Din această cauză aceste motoare au fost la început montate doar pe vehicule comerciale – excepția notabilă fiind autoturismul Fiat Croma. Consumul era cu 15 - 20 % mai scăzut decât la un motor diesel cu injecție indirectă, îndeajuns să compenseze, pentru unii, zgomotul produs.

Primul motor cu injecție directă de mică capacitate, produs în serie a fost conceput de grupul Rover. Motorul cu 4 cilindri, cu o capacitate de 2500 cmc, a fost folosit de Land Rover pe vehiculele sale din 1989, având chiulasa din aluminiu, injecție Bosch în 2 trepte, bujii incandescente pentru pornire ușoară și un mers lin și economic.

Controlul electronic al pompei de injecție a transformat radical acest tip de motor. Pionierul a fost grupul Volkswagen-Audi cu modelul Audi 100 TDI apărut în 1989. Presiunea de injecție era de circa 300 bar, dar momentul injecției, cantitatea de motorină injectată și turbocompresorul erau controlate electronic. Acest lucru a permis un nivel aceptabil de zgomot și emisii poluante. Destul de rapid tehnologia a penetrat și la vehiculele de masă precum Golf TDI. Aceste autovehicule erau mai economice și mai puternice decât competitorii pe injecție indirectă.

Injecția directă cu rampă comună (common rail)La vechile motoare diesel o pompă-distribuitor asigura presiunea necesară la injectoare care erau simple duze prin care motorina era pulverizată în camera de ardere.

La sistemele cu rampă comună, distribuitorul este eliminat. O pompă de înaltă presiune menține motorina la o presiune constantă de 1800 bari într-o rampă comună, o conductă unică care alimenteză fiecare injector comandat electromagnetic de mare precizie sau chiar injectoare piezoelectrice (utilizate de Mercedes la motorul diesel cu 6 cilindri în V de 3 L).

Majoritatea constructorilor europeni au în gama lor modele echipate cu motoare diesel common rail, chiar și la vehiculele comerciale. Unii constructori japonezi, precum Toyota, Nissan și, mai recent, Honda, au dezvoltat și ei motoare diesel cu rampă comună.

Diferiți constructori de automobile au denumiri diferite pentru motoarele lor diesel cu rampă comună. Spre exemplu: CDI la DaimlerChrysler, TDCi la Ford, JTD la grupul Fiat, dCi la Renault, CDTi la Opel, CRDila Hyunday, DI-D la Mitsubishi, HDI la grupul PSA, D-4D la Toyota.

Injecția directă cu pompă-injector

Acest tip de sistem injectează, de asemenea, motorina direct în cilindru. Injectorul și pompa formează un corp comun plasat în capătul cilindrului. Fiecare cilindru are propria pompă care alimentează injectorul propriu, fapt ce exclude fluctuațiile de presiune și asigură o injecție consistentă. Acest tip de injecție, dezvoltat de Bosch, este folosit de către autoturismele grupului Volkswagen AG - denumit sistemul pompă-injector - și de către Mercedes Benz și majoritatea fabricanților de motoare diesel mari (CAT, Cummins, Detroit Diesel). Ultimele realizări asigură o presiune de injecție crescută, de până la 2050 bar.

Tipuri de motoare dieselMotoarele diesel timpuriiIntenția lui Rudolph Diesel a fost aceea de a înlocui motorul cu abur ca sursă primară de energie pentru industrie. Motoarele diesel de la sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX foloseau aceeași formă și dispunere ca motoarele cu abur industriale: cilindri cu cursă mare, fără carter, supape exterioare, chiulase pentru fiecare cilindru și arbore cotit cuplat la un volant enorm. Curând, vor apărea motoare mai mici, cu cilindri verticali, în timp ce majoritatea motoarelor industriale de mărime mare și medie aveau tot cilindri orizontali, și întocmai ca motoarele cu abur, aveau mai mulți cilindri. Cele mai mari motoare diesel timpurii erau replici ale celor cu abur, cu lungimi impresionante, de câțiva metri. Acestea funcționau cu viteze foarte mici, în special datorită motorinei injectate cu ajutorul aerului comprimat, dar și pentru că trebuiau să corespundă majorității utilajelor industriale construite pentru motoarele cu abur, unde vitezele normale de operare se încadrau între 100 și 300 rpm. Motoarele erau pornite cu ajutorul aerului comprimat, care era introdus în cilindri și rotea motorul, deși cele mai mici puteau fi pornite și manual.

În primele decenii ale secolului al XX-lea, când marile motoare diesel erau montate pe nave, acestea aveau forma motoarelor cu abur, pistonul împingea o tijă cuplată la o bielă ce rotea arborele motor. Urmând modelul motoarelor cu abur, s-au construit motoare cu dublă acțiune, unde arderea avea loc în ambele părți ale pistonului pentru a mări puterea. Acestea aveau doua rânduri de supape și două sisteme de injecție. Sistemul permitea, de asemenea, modificarea sensului de rotație, prin modificarea timpilor de injecție. Prin urmare, motorul putea fi cuplat direct la axul elicei, fără a mai fi nevoie de o cutie de viteze. Deși aveau o putere mare și erau foarte eficiente, marea problemă a motoarelor cu dublă acțiune era etanșeitatea camerelor de ardere. În anii 1930 s-a descoperit că montarea turbocompresoarelor era o soluție mai ușoară și eficientă.

Motoarele diesel moderneMotoarele diesel sau cu aprindere prin comprimare sunt în doi sau în patru timpi. Majoritatea motoarelor sunt în patru timpi, dar unele motoare mari funcționează în doi timpi, de exemplu cele de pe nave. Majoritatea locomotivelor moderne folosesc motoare diesel în doi timpi, cuplate la

generatoare electrice ce acționează motoare electrice, eliminând nevoia transmisiei. Pentru creșterea presiunii în cilindri s-a folosit supraalimentarea, mai ales la motoarele diesel în doi timpi care au câte o cursă utilă la fiecare rotație a arborelui cotit.

În mod normal, cilindrii sunt multiplu de doi, dar se poate folosi orice număr de cilindri, atât timp cât sunt eliminate vibrațiile excesive. Cea mai folosită configurație este cea de 6 cilindri în linie, dar sunt folosiți și 8 cilindri în V sau 4 în linie. Motoarele de mică capacitate (în special cele sub 5000 cmc) au de obicei 4 (majoritatea lor) sau 6 cilindri, fiind folosite la autoturisme. Există și motoare cu 5 cilindri, un bun compromis între funcționarea lină a unuia de 6 cilindri și dimensiunile reduse ale unuia de 4 cilindri. Motoarele diesel pentru întrebuințări curente (bărci, generatoare, pompe) au 4, 3, 2 sau chiar un singur cilindru pentru capacități mici.

În dorința de a îmbunătății raportul greutate/putere s-au adus inovații privind dispunerea cilindrilor pentru a obține mai multă putere per cilindree. Cel mai cunoscut este motorul Napier Deltic, cu trei cilindri dispuși sub formă de triunghi, fiecare cilindru având 2 pistoane cu acțiune opusă, întregul motor având 3 arbori cotiți. Compania de camioane Commer din Marea Britanie a folosit un motor asemănător pentru vehiculele sale, proiectat de Tillings-Stevens, membru al Grupului Rootes, numit TS3. Motorul TS3 avea 3 cilindri în linie, dispuși orizontal, fiecare cu 2 pistoane cu acțiune opusă conectate la arborele cotit printr-un mecanism de tip culbutor. Deși ambele soluții tehnice produceau o putere mare pentru cilindreea lor, motoarele erau complexe, scumpe de produs și întreținut, iar când tehnica supraalimentarii s-a îmbunătățit în anii 1960, aceasta a rămas o soluție marginală pentru creșterea puterii.

Înainte de 1949, Sulzer a construit, experimental, motoare în doi timpi supraalimentate la 6 bar, presiune obținută cu ajutorul unor turbine acționate de gazele de evacuare. [2]

Avantajele și dezavantajele motorului diesel față de cel cu aprindere prin scânteiePutere și economie de carburantEmisii de gazeEmisiile poluante ale motoarelor cu ardere internă

Legislația privind emisiile poluanteCunoașterea efectelor nocive ale emisiilor poluante emise de motoarele cu ardere internă a impus limitarea lor treptată. Această acțiune a început în anul 1959 în statul american California când s-au stabilit primele standarde de reducere a emisiilor poluante pentru concentrațiile de CO și hidrocarburi. Acțiunea a continuat și în anii următori cu emisiile de evaporare din carburator și rezervorul de combustibil, apoi densitatea fumului și așa mai departe pentru toate gazele ce fac parte din emisiile poluante.

Nocivitatea emisiilorHC – hidrocarburi. Aceste substanțe nu au un efect direct asupra sănătății, cu excepția hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit că aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere internă au un rol important în formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezintă o ceață, caracteristică unor regiuni geografice (California, Tokyo). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine engleză smoke + fog și este produs în atmosferă sub acțiunea razelor solare, în special datorită hidrocarburilor și oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi și mucoase, reduce mult vizibilitatea și este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacții chimice catalizate de prezența razelor solare. Aldehidele Substanțe organice prezente în gazele de evacuare în proporție relativ scăzută pentru combustibili clasici de natură petrolieră, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii proveniți din alcooli. Sunt substanțe iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potențial cancerigen. CO (oxidul de carbon) – are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei în sânge prin care se împiedică alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influență o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecvență mult mai mare.

Oxizii de azot NO și NO2 Oxizii de azot au efecte dăunătoare prin contribuția adusă la formarea smogului, precum și prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei și prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot împreună cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, în special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate în plămâni, unele din ele putând avea și efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta și asupra clădirilor. Particulele de plumb Acțiunea plumbului este foarte dăunătoare asupra omului și este bine cunoscută încă din antichitate. Concentrații scăzute de plumb provoacă tulburarea albuminelor și glucidelor, atacă rinichii și sistemele nervos și central. Intoxicația cronică de Pb se numește saturnism și provoacă colită, insuficiență renală,etc. Plumbul se găsește în combustibilii etilați pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. Bioxidul de carbon este prezent în aerul atmosferic, iar la concentrații de până la 3-4 la mie este util în procesul de fotosinteză. Aspectul îngrijorător al creșterii concentrației de bioxid de carbon este dat de apariția efectului de seră (reducerea cantității de energie radiate de pământ către spațiul cosmic, datotorită reținerii căldurii în unele gaze). Acest efect de seră poate conduce la creșterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere internă au o mare pondere în creșterea concentrației de dioxid de carbon.

Măsurarea produșilor poluanțiLa motoarele cu ardere internă măsurarea produșilor poluanți se poate face în mai multe moduri:

Concentrația gazelor poluante în gazele de evacuare (exprimat în părți pe milion ppm sau procentual)

Concentrația de emisie poluantă a unui motor care echipează un autovehicul raportat la unitatea de distanță parcursă (g/km sau g-milă) pentru a determina mai exact efectul produs de autovehicolul respectiv.

Pentru motoarele diesel staționare de putere mare se poate utiliza o unitate de măsură raportată la energia produsă (g/(CPh) sau g/(kWh))

Legătura care există între cantitatea de emisii evacuată în atmosferă și regimul de funcționare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcționale considerate reprezentative pentru condițiile obișnuite de funcționare. De asemenea sunt standardizate tehnica de măsurare experimentală, metodele de prelevare a probelor de gaz și prelucrarea rezultatelor.

Cicluri standard de funcționare. În Uniunea Europeană se aplică ciclul standard ECE + EUDC pentru autovehiculele și autoutilitarele de până la 3,5 tone. Acest ciclu este definit prin variația vitezei vehiculului în intervalul de probă.

Putere și moment cineticPentru uzul comercial, cum ar fi tractarea, transportul mărfurilor grele sau a altor sarcini care necesita cuplu mare, motoarele diesel au un cuplu mai mare decât cele pe benzină echivalente. Motoarele diesel au, de obicei plaja de cuplu între 1600-2000 de RPM pentru o un motor de capacitate mică( și mai joasă pentru un motor mare, cum ar fi unul de camion). Acesta furnizează un control mai bun pentru încărcăturile mai grele, la demaraj, astfel în mod crucial, dă voie motoarelor diesel să suporte încărcături mai grele la plecare decât un motor pe benzină, iar asta îl face mai economic pentru astfel de sarcini. Această caracteristică nu este dorită la mașini private, astfel, motoarele diesel folosite în mașinile moderne folosesc control electronic, turbine cu geometrie variabile și bătăi mai scurte ale cilindrilor pentru a avea plaje de cuplu mai largi, de obicei atingând cuplul motor cel mai mare, între 2500-3000 de RPM. Deși motoarele diesel au mai mult cuplu motor la turație mai mică de cât cele pe benzină, motoarele diesel aspirate au mai puțini cai-putere de cât echivalentul lor pe benzină. Această plajă de cuplu motor îngustă, este motivul pentru care camioanele au transmisii de aproximativ 18 viteze, pentru a putea valorifica cuplul motor cât mai bine. Turbinele îmbunătățesc cuplu la turații înalte, în timp ce compresoarele mecanice ajută la îmbunătățirea performanțelor motorului la turații joase. Turbina cu geometrie variabilă îmbunătățește cuplul motor pe întreagă plajă de cuplu, fie la turație mică sau mare.

Siguranță în exploatareFlamabilitatea combustibiluluiMotorina are o flamabilitate scăzută, cauzând un risc minor de incendiu datorat unui vehicul care este echipat cu un motor diesel. Pe iahturi, motorul diesel este folosit, pentru că cele pe benzină generează vapori ușori inflamabili, care se pot acumula în partea de jos a navei, încât, câteodată cauzează explozii la bordul lor.Astfel sistemele de ventilare pentru navele care au motoare pe benzină, sunt necesare. Armata Statelor Unite ale Americi și NATO folosesc numai motoare diesel

sau pe turbine pe gaze pentru a limita pericolul de incendiu. Deși nici benzina, nici motorina nu sunt explozive în stare lichidă, ambele pot crea un amestec de vapori și aer explosiv, sub condițiile corecte. Astfel, motorina este mai puțin susceptibilă în a crea aceste amestecuri explozibile, din cauza ratei de emanare a vaporilor, care este o indicare a ratei evaporării. Tancurile armatei americane din timpul celui de al 2-lea război mondial, dotate cu motoare pe benzină erau poreclite Ronson (firmă producătoare de brichete), din cauza probabilității de a exploda mai ușor, atunci când erau lovite de inamic (deși atunci când erau lovite, incendiile de tancuri erau cauzate mai de grabă de exploziile munițiilor, decât de cele de combustibili).

Turbină cu gazeO turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).

Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferăeste admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, care extrage din ele lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.

Istoric

Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât a turbinelor în general, și de dată mai recentă decât a turbinelor cu abur.

În 1791 englezul John Barber a brevetat prima adevărată turbină cu gaze, turbină care avea principalele elemente din turbinele cu gaze moderne.[3] În 1872 Dr. F. Stolger din Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcționat niciodată independent.

În 1903 norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze funcțională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoștințe de aerodinamică a vremii. Turbina sa a reușit să producă o putere de 11 cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina sa s-a inspirat Frank Whittle.

În 1914 Charles Curtis a realizat prima aplicație practică a unei turbine cu gaze.

În 1918 General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își începe producția de turbine cu gaze.

Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.

În 1930 englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reacție). Realizarea practică a acestui proiect s-a făcut însă abia în anul 1937. Compresorul acestui motor era de tip centrifugal, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul Rolls-Royce Welland, care a echipat avionulGloster Meteor.

În 1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție bazat pe un brevet propriu. Compresorul acestui motor era de tip axial, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul Junkers Jumo 004 care a echipat avionul Messersmitt Me 262.

Clasificarea turbinelor cu gazeArticol principal: Turbină cu abur.

În afară de clasificarea turbinelor termice în general, turbinele cu gaze se pot clasifica:

După destinațieturbine de tracțiune pentru aviație (turboreactoare,  turbopropulsoare,  turboventilatoare și turbine pentru antrenarea elicelor elicopterelor);

turbine de tracțiune navale;

turbine de tracțiune terestre (pentru locomotive, autovehicule, motociclete, tancuri etc.);

turbine de supraalimentare a motoarelor cu ardere internă.

turbine energetice (pentru termocentrale cu ciclu cu gaze simplu sau cu ciclu combinat abur-gaz);

După modul de recuperare a căldurii evacuateturbine cu recuperator;

turbine fără recuperator.

După felul ciclului în care lucrează

cu ciclu închis;

cu ciclu deschis.

Principiul de funcționareCiclul Joule

Cea mai simplă turbină cu gaze este formată dintr-un compresor, care este montat pe același ax cu o turbină. Compresorul absoarbe aerul din atmosferă și îl comprimă la presiunea de câțiva bar. Aerul comprimat ajunge într-o cameră de ardere, în care este introdus și un combustibil. Aici are loc arderea la presiune constantă, cu creșterea temperaturii și a volumului gazelor produse prin ardere. Gazele de ardere se destind în turbină, producând lucru mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Ciclul termodinamic al unei astfel de turbine cu gaze este ciclul Joule, cunoscut în literatura engleză de specialitate ca ciclul Brayton.

Transformările termodinamice din ciclu sunt:

1 – 2 compresie izoentropică;

2 - 3 încălzire izobară;

3 - 4 destindere izoentropică;

4 - 1 răcire izobară.

Randamentul termic al ciclului Joule ideal fără recuperator este:

unde   este raportul de compresie = p2 / p1, iar k este exponentul adiabatic al gazului.

Pentru aer, cu k = 1,4 , și pentru un raport de compresie de 15 (valoare uzuală), randamentul termic al ciclului este de 0,539. Randamentul termic al ciclului Joule ideal crește continuu cu creșterea raportului de compresie, însă creșterea acestui raport este limitată de rezistența materialelor și de pierderile din ciclul real.

Randamentul termic al ciclului Joule real fără recuperator, luând în considerare și randamentele interne ale turbinei   și compresorului   este:

Pentru aer, un raport de compresie de 15, T1 = 300 K , T3 = 1500 K,   = 0,85 și   = 0,75 (valori uzuale) randamentul ciclului real este de 0,300 , mult mai mic decât al ciclului ideal. Randamentul termic al ciclului Joule real are un maxim pentru un anumit raport de compresie (pentru exemplul de mai sus, chiar acel 15). În practică, randamentele efective (la cuplă) sunt și mai mici decât cele termice, datorită influenței randamentului mecanic al agregatului.

Ciclul Joule cu recuperator

Ciclul Joule cu recuperarea căldurii evacuate.

Pentru mărirea randamentului termic se folosesc recuperatoare care recuperează o parte din căldura evacuată odată cu gazele arse în atmosferă q4-4' și o reintroduc în ciclu q2-2'. Randamentul termic al ciclului Joule ideal cu recuperator este:

Pentru exemplul de mai sus cu   = 15, din transformarea izoentropică se obțin T2 = 650 K , T4 = 692 K, cu care randamentul ciclului este de 0,567, ceva mai mare decât a ciclului fără recuperator. În exemplul prezentat diferența între T4 și T2 este mică, deci câștigul dat de recuperator este mic. În practică este greu de obținut o diferență de temperaturi mare, din cauza limitărilor date de materiale. În ciclul real influența recuperatorului este ceva mai mare, dar nu cu mult. Expresia matematică a randamentului termic al ciclului Joule real cu recuperator se complică foarte mult.

clu cu fracționarea compresiei sau a destinderii

O altă cale de îmbunătățire a randamentului termic al ciclului este fracționarea compresiei, cu răcirea intermediară a aerului, respectiv fracționarea destinderii în turbină, cu reîncălzirea agentului termic, aspecte detaliate în ciclu termodinamic.

Realizarea practică a răcirii intermediare a aerului comprimat se poate face:

la turbine cu gaze de aviație, unde greutatea agregatului e critică, prin injecție de apă între treptele compresorului;

la celelalte turbine, prin schimbătoare de căldură montate între trepte.

Realizarea practică a reîncălzirii gazelor se poate face:

prin arderea unei cantități suplimentare de combustibil în camere de ardere intermediare între corpurile turbinei;

prin schimbătoare de căldură montate între corpurile turbinei.

Ambele metode măresc mult dimensiunile instalației și nu sunt adecvate pentru turbinele cu gaze de aviație.

Ciclu deschis și închis

La turbinele cu gaze care lucrează cu aer absorbit din atmosferă și evacuează gazele de ardere tot în atmosferă (majoritatea cazurilor), ciclul nu este efectuat complet în instalație, transformarea 4-1 efectuându-se în atmosferă. Se spune că turbina lucrează în ciclu deschis. Dacă însă se folosește un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reținut, caz în care toate transformările din ciclu se realizează în instalație, și se spune că turbina lucrează în ciclu închis. Astfel de cicluri închise se întâlnesc în centrale nucleare, iar agentul termic este uzual dioxidul de carbon sau heliul.

Poluarea cauzată

Poluanții emiși de turbinele cu gaze sunt aceiași ca în oricare alt proces de ardere: dioxizii de carbon (CO2) și de sulf (SO2), monoxidul de carbon (CO) și oxizii de azot (NOx).

Reducerea CO2 este limitată de fenomenul de ardere în sine, cantitățile emise fiind proporționale cu cantitățile de combustibil ars. Reducerea acestor emisii se poate face prin îmbunătățirea randamentului ciclului termic, îmbunătățire care, pentru o putere dată a turbinei, determină un consum de combustibil mai redus.

Reducerea SO2 se poate obține numai folosind un combustibil fără sulf. De aceea este preferat gazul natural. Dacă se folosesc combustibili lichizi (de exemplu la turbinele mobile), este preferabilă desulfurarea prealabilă a combustibilului la rafinărie.

Reducerea CO se poate obține printr-o ardere completă din punct de vedere chimic (ardere perfectă) a combustibilului, lucru care necesită cantități de aer sporite în procesul de ardere, însă acest lucru nu este o problemă la turbinele cu gaze, care oricum funcționează cu cantități de aer mai mari decât strict cele necesare arderii. Eventualele urme pot fi eliminate prin metode SCR - reducere selectivă catalitică (engleză Selective Catalytic Reduction).

Reducerea NOx se poate obține prin scăderea temperaturilor de ardere, ceea ce însă afectează randamentul ciclului, sau prin reducerea chimică a NOx format, de exemplu prin procedee SCR sau SNCR - reducere selectivă necatalitică (engleză Selective Non-Catalytic Reduction). Ambele procedee au dezavantaje, SCR necesită catalizatori scumpi, care se consumă, iar SNCR produce emisii de amoniac(NH3).

Măsurile de reducere ale poluanților sunt costisitoare și se justifică în cazul emisiilor totale mari, în speță pentru țările industrializate.

Descrierea părților componenteCompresorul

Compresorul axial cu 17 trepte al unui turboreactor GE J79.

Rolul compresorului este de a realiza comprimarea agentului termic (de obicei aerul), realizând transformarea 1 – 2 din ciclul Joule. Se folosesc exclusiv compresoare cu palete.

Compresoarele pot fi:

centrifugale;

axiale.

Compresoarele centrifugale au un raport de compresie pe treaptă mai mare, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie mai puține trepte, deci agregatul rezultă mai ușor. Randamentul acestor compresoare este însă mai mic. Compresorul centrifugal s-a folosit la primele motoare cu reacție ale lui Frank Whittle, inclusiv la motorul Rolls-Royce Nene. Actual este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru elicoptere mici, agregate care trebuie să fie cât mai ușoare.

Compresoarele axiale au un raport de compresie pe treaptă mai mic, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie multe trepte, deci agregatul rezultă mai lung, însă de diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este mai bun. Compresorul axial este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru toate turbinele pentru propulsia avioanelor, unde contează diametrul mic și randamentul bun, și toate turbinele energetice, unde contează randamentul bun.

Camera de ardere

Camerele de ardere individuale ale unui turboreactor GE J79.

Rolul camerei de ardere este de a realiza introducerea căldurii în ciclu prin arderea unui combustibil, realizând transformarea 2 – 3 din ciclul Joule. Camerele de ardere au în interior o cămașă răcită cu aerul de diluție, cămașă care ecranează flacăra și protejează astfel corpul exterior al camerei. Aprinderea inițială se face cu o bujie.

Camerele de ardere pot fi:

individuale;

inelare.

Camerele de ardere individuale sunt de formă tubulară și se montează mai multe în jurul axului agregatului. În camerele de ardere individuale este mai ușor de asigurat stabilitatea arderii, adică se evită ruperea flăcării, iar în caz de rupere, ruperea nu se propagă în celelalte camere, ba din contră, acestea, prin canalizații prevăzute special în acest scop ajută la reaprindere. Nu întotdeauna fiecare cameră de ardere are bujie proprie, deoarece, cum s-a spus, camerele comunică între ele și flacăra se transmite.

Camerele de ardere inelare au un spațiu de ardere unic, inelar. În aceste camere este mai greu de stabilizat flacăra, dozajul aer-combustibil, vitezele de introducere a aerului prin diversele secțiuni și geometria camerei fiind critice. Camerele inelare însă au mai puține repere și sunt mai ușoare, fiind din punct de vedere tehnologic mai evoluate.

Combustibilii folosiți la turbinele cu gaze sunt:

combustibili lichizi - nu sunt necesari combustibili cu fracțiuni ușoare, cum ar fi benzina, se pot folosi combustibili mai grei, ca petrol, kerosen (petrol de aviație), gazolină, combustibil lichid folosit la încălziriși, la instalațiile staționare, chiar păcură.

combustibili gazoși - gaz natural, biogaz, gaz de aer, gaz de apă, gaz de gazogen, gaz de sinteză, gaz de furnal, gaz de cocserie și chiar hidrogen (experimental).

Deși camerele de ardere pot arde și combustibili solizi (cărbune sub formă de praf), cenușa conținută de acest tip de combustibili este abrazivă, astfel că ei nu sunt folosiți. Dacă totuși se dorește folosirea lor drept combustibili pentru turbine cu gaze, cea mai bună soluție este gazeificarea lor prealabilă. De asemenea, gazele care conțin praf trebuie în prealabil desprăfuite.

Turbina

Turbina cu 3 trepte a unui turboreactor GE J79.

Rolul turbinei este de a realiza destinderea agentului termic (de obicei gaze de ardere), realizând transformarea 3 – 4 din ciclul Joule. Turbina transformă entalpia a gazelor întâi înenergie cinetică, prin accelerarea prin destindere a agentului termic și transformarea de către palete a acestei energii în lucru mecanic, transmis discurilor turbinei și apoi arborelui.

Paleta unei turbine cu gaze Rolls-Royce/Turbo-Union RB 199. Pe bordul de atac se observă orificiile pentru

obţinerea filmului de aer necesar pentru răcirea paletei.

Piesele esențiale sunt ajutajele turbinei (a nu se confunda cu ajutajul unui turboreactor) și paletele, piese supuse unor solicitări termice și mecanice extreme. De aceea ele trebuie construite din materiale speciale, rezistente la temperaturi cât mai mari și se prevăd cu sisteme de răcire. Actual, temperaturile la intrarea în turbină au depășit în unele cazuri (turbine pentru avioane militare) temperatura de 1800 °C, paletele fiind făcute în acest caz din materiale ceramice poroase, prin porii lor circulând aer provenit de la compresor, relativ rece.

Arborele

Turboreactorul Rolls-RoyceOlympus 593 cu doi arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionuluiConcorde.

Turboventilatorul Rolls-RoyceRB 211 cu trei arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionului Lockheed L-

1011 „TriStar”.

Arborele turbinei asigură transmiterea puterii între turbină, compresor, cuplă, demaror, pompe etc. Un singur arbore nu asigură turațiile optime pentru toate componentele, așa că există construcții pe unul sau pe mai mulți arbori coaxiali.

Schemele cu un arbore sunt specifice primelor turbine cu gaze. Aceste scheme permit antrenarea compresorului la turația turbinei și, printr-un reductor a elicelor, pompelor sau generatoarelor electrice.

Schemele cu doi arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune și compresorul de înaltă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune, compresorul de joasă presiune și eventual acționarea reductorului. Aceste scheme sunt obișnuite la turbinele de aviația actuale.

Schemele cu trei arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune și compresorul de înaltă presiune, pe arborele intermediar turbina de medie presiune și compresorul de joasă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune și acționarea reductorului. La schemele cu trei arbori este foarte dificilă coordonarea lor și foarte puțini producători din lume dispun de tehnologia necesară în aceste caz.

Exemple de utilizări ale turbinelor cu gazeTurbine cu gaze pentru aviație

Turboreactor cu compresor centrifugal.

Turboreactor cu compresor axial.

Turbinele cu gaze pentru aviație sunt cunoscute și sub numele de motoare cu reacție, însă denumirea de motor cu reacție acoperă o arie mai largă, ea cuprinde și agregatele de tracțiune prin reacție care nu au turbine.

Turboreactorul (engleză Turbojet) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la o presiune anume, peste presiunea atmosferică, astfel încât turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesară antrenării compresorului. În continuare, gazele de ardere se destind până la presiunea atmosferică într-un ajutaj plasat după turbină, ajutaj care generează forța de propulsie pentru avion. Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cu numărul Mach peste 0,8 (cca. 900 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).

Turbopropulsor.

Turbopropulsorul (engleză Turboprop) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la presiunea atmosferică, astfel că turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare decât cea necesară antrenării compresorului. Puterea în plus este folosită la antrenarea unei elice plasată în fața motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numărul Mach între 0,5 și 1,0 (cca. 600 – 1200 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 – 1000 km/h la nivelul zborului de croazieră).

Turboventilator.

Turboventilatorul (engleză Turbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată și cu multe pale (numită ventilator), cu funcționare economică și generând un zgomot redus. O parte din fluxul de aer antrenat de ventilator intră în compresor, iar restul curge în jurul carenajului motorului, generând și el o forță de tracțiune.

Turbină de elicopter.

Turbina de elicopter (engleză Turboshaft), zis și motor cu turbină liberă este similară unui turbopropulsor, diferența constând în faptul că puterea nu se transmite în față, unei elice de tracțiune, ci în spate, unui reductor care o distribuie elicelor rotorului principal.

Turbine cu gaze pentru tracțiune terestră

Au existat câteva tentative de realizare a unor autovehicule cu turbină cu gaze, de exemplu Rover - JET1 (1950)  și Chrysler - câteva prototipuri (1950 – 1980). Toate au avut un consum de combustibil inacceptabil de mare, chiar pentru vremurile acelea. În 1993 General Motors a produs primul autovehicul comercial hibrid, acționat de o turbină cu gaze.

Mai mult succes au avut turbinele cu gaze la autovehiculele de competiție și record. Mașini echipate cu turbine cu gaze au participat la cursele de la Le Mans (1963) șiIndianapolis 500 (1967), când s-au situat în fruntea curselor, dar n-au reușit să le câștige din cauza fiabilității reduse a acestor prototipuri. În domeniul vitezei maxime terestre, mașini ca Green Monster, acționată de o turbină General Electric J79 (vezi componentele în figurile de mai sus), condusă de Art Arfons, Spirit of America, acționată tot de o turbină General Electric J79 și condusă de Craig Breedlove au deținut multe recorduri mondiale. Mașina Thrust2 acționată de o turbină Rolls-Royce Avon, condusă de Richard Noble  a fost prima care a depășit viteza de 1000 km/h. Recordul mondial actual a fost

stabilit de mașina ThrustSSC, acționată de două turbine Rolls-Royce Spey (varianta militară), condusă de Andy Greenși este de 1227,99 km/h (Ma = 1,016 – supersonic).

În anul 2000 Marine Turbine Technologies Inc. a produs motocicleta MTT Turbine Superbike, cunoscută și sub numele de Y2K Turbine Superbike, echipată cu o turbină Rolls-Royce Allison 250, cu o putere de 238 kW, care este considerată cea mai puternică motocicletă de serie din lume și care a atins viteza de 365 km/h.

Turbinele cu gaze au fost folosite și pentru tracțiune feroviară la așa-numitele turbotrenuri. Primele locomotive cu turbine de gaze au fost livrate de firma Brown-Boveriînainte de cel de al doilea război mondial. În Anglia, Metropolitan Vickers a produs locomotive acționate de turbine de gaze.  Între anii 1948 și 1970 Union Pacific a folosit pe scară largă locomotive din seria UP, acționate de turbine de gaz de 1800 – 10000 hp fabricate de firma Westinghouse.

Ca aplicații militare, se menționează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate energetice la tancuri. Exemple sunt tancul american M1 Abrams și tancul sovietic/rusesc T-80.

Turbine cu gaze pentru tracțiune navalăDatorită raportului excelent putere/greutate, turbinele cu gaze au fost folosite și la acționarea navelor rapide. Exemple de astfel de nave au fost în Anglia vedetele MGB 2009 și fregatele Type 81, în Suedia vedetele torpiloare din clasa 6 Spica, acționate de turbine Proteus 1282 fabricate de Bristol Siddeley , în Finlanda corvetele din clasa Turunmaa, acționate de turbine Rolls-Royce Olympus TMB3, în Canada distrugătoarele port-elicopter din clasa Canadian Iroquois, iar în SUA cuterele din clasaHamilton ale U.S Coast Guard.

Grupuri de turbosupraalimentare

Grup de turbosupraalimentare

Un grup de turbosupraalimentare este o mică turbină ce gaze, la care rolul de cameră de ardere îl joacă un motor cu combustie internă. Scopul nu este producerea de energie, ci alimentarea motorului cu aer comprimat, ceea ce duce la creșterea puterii și randamentului termic al motorului. Turbina (în figură cu roșu) recuperează energia cinetică a gazelor evacuate din motor și o folosește la antrenarea compresorului (în figură cu albastru).

Turbine cu gaze energeticeLa aceste turbine nu se pune problema greutății sau spațiului, așa că ele pot beneficia de cele mai complexe scheme termice în vederea creșterii randamentului, dispun de obicei atât de răcirea intermediară a aerului în timpul compresiei cât și de arderea fracționată. Scopul principal este producerea energiei electrice și, pentru mărirea economicității se tinde spre puteri tot mai mari. Se remarcă turbinele (în paranteză puterea la bornele generatorului electric):

General Electric PG7241FA (172 MW) și PG9351FA (256 MW);

Alstom GT 24 (188 MW) și GT 26 (288 MW);

Siemens AG Seria SGT5 (168 – 340 MW).

Tot din categoria turbinelor energetice fac parte și microturbinele. Dacă până nu demult prin microturbină se înțelegeau turbinele de câțiva kW sau câțiva zeci de kW, destinația lor fiind alimentarea cu energie a unei locuințe individuale, actual se discută de microturbine de siliciu cu diametrul de câțiva mm, fabricația lor fiind bazată pe tehnologia fabricării semiconductorilor. Aceste microturbine sunt destinate înlocuirii acumulatorilor din aparatele electronice, de exemplu computerele portabile, deoarece la dimensiuni comparabile cu alebateriilor (incluzând și rezervorul de combustibil) pot furniza cantități de energie mult mai mari.

Turbine cu gaze fabricate în România

În 1975 Turbomecanica începe fabricația turbinelor cu gaze pentru tracțiune. Aici s-au fabricat sub licență motoarele Viper MK 632-41 (licență Rolls-Royce) Artouste III-B și Turmo IV CA (licențe Turbomeca).

Turbina cu gaze Viper MK 632-41 este un turboreactor care echipează avioanele IAR 93 (câte două agregate pe un avion) și IAR 99 „Șoim” (un agregat pe un avion). Este o turbină cu un singur arbore, compresorul având 8 trepte, iar turbina 2 trepte. Camera de ardere este inelară. Masa sa este de 378 kg, iar turația este de 230 rot/s. Realizează o tracțiune la punct fix de 17,60 kN (4000 lbs) în acord cu limitările NATO privind aplicațiile militare pentru țările care la vremea respectivă nu făceau parte din această organizație.

Turbina cu gaze Artouste III-B.

Turbina cu gaze Artouste III-B este un agregat care propulsează elicopterul IAR 316 B (Alouette III). Este o turbină cu greutatea de 178 kg, turația de 558 rot/s și care produce o putere la cuplă de 405 kW.

Turbina cu gaze Turmo IV CA este un agregat care propulsează elicopterul IAR 330 „Puma” (câte două agregate pe un elicopter). Este o turbină cu greutatea de 227 kg, care produce o putere la cuplă de 1115 kW.

De asemenea, la Hidromecanica Brașov s-au fabricat grupuri de turbosupraalimentare pentru motoarele cu combustie internă fabricate în România, exemple fiind grupurile VTR-200 și VTR-250, care fac parte din seria TR.

În 1980 Tehnoimportexport a obținut de la Rolls-Royce licența de fabricație a turboventilatorului Spey 512-14 DW civil, pentru echiparea avionului ROMBAC 1-11-500.

Avantaje, dezavantaje și perspectiveAvantajele turbinelor cu gaze

foarte bun raport putere/greutate;

dimensiuni reduse;

timp de pornire scurt (5 ... 30 min);

mișcare de rotație uniformă (nu alternativă), echilibrare foarte bună;

vibrații reduse;

la ITG energetice, costul investiției și timpul de dare în funcțiune sunt mult mai mici în comparație cu instalațiile cu turbine cu abur;

pot funcționa fără apă de răcire, important în zone unde apa este deficitară, de exemplu în deșert.

Dezavantajele turbinelor cu gaze

randament termic nu prea ridicat;

scăderea pronunțată a randamentului și performanțelor în regimuri diferite de regimul pentru care au fost proiectate, (la sarcini parțiale);

o oarecare inerție la modificarea turației;

fabricație dificilă, necesită tehnologii înalte;

materiale speciale, rezistente la temperaturi înalte, scumpe;

întreținere pretențioasă, reparații planificate dese.

Perspective

O comparație cu competitorii săi se poate face doar pe domenii.

La autovehicule, dimensiunile motorului nu sunt chiar critice, iar vibrațiile motoarelor cu piston sunt acceptabile, ca urmare dezavantajele turbinelor se manifestă din plin. În acest domeniu turbinele cu gaze își găsesc însă aplicabilitatea ca grupuri de turbosupraalimentare.

La tancuri, randamentul termic mai scăzut nu este un impediment, costurile sunt acceptate de statele dezvoltate, iar puterea imensă dezvoltată de turbine asigură mobilitatea pe câmpul de luptă, avantaj care poate fi decisiv.

În domeniul feroviar, greutatea nu contează, deoarece pentru a avea forță la cârlig sarcina pe osie a locomotivelor trebuie să fie apropiată de cea maximă admisă. Aici randamentul termic scăzut și costurile își spun cuvântul, fiind preferate motoarele cu piston sau cele electrice.

În domeniul naval civil situația este similară cu cea din domeniul feroviar. În domeniul naval militar situația este similară cu cea de la tancuri.

În domeniul aviației sunt două situații. În aviația comercială și militară raportul putere/greutate primează asupra oricăror alte considerente, așa că dominația turbinelor cu gaze este totală. În domeniul aviației utilitare, sportive și de agrement, costurile limitează folosirea turbinelor cu gaze, fiind preferate motoarele cu piston, mult mai ieftine și cu întreținere simplă.

În domeniul energetic randamentul termic mai scăzut limitează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate independente în regim de bază, fiind preferate turbinele cu abur. Totuși, pornirea de la rece (dinrezervă rece) a unui agregat energetic cu turbine cu gaze se poate face în timpi de ordinul minutelor, față de timpi de ordinul orelor la turbinele cu abur, ceea ce face ca agregatele cu turbine cu gaze să fie de neînlocuit ca unități de vârf în sistemele energetice care nu dispun de hidrocentrale cu lac de acumulare. Tot în domeniul energetic turbinele cu gaze lucrând în cicluri combinate abur-gaz (în serie cu turbine cu abur) fac ca randamentul termic al termocentralelor de acest tip să fie foarte ridicat, de 55 – 58%, ceea ce face ca ele să aibă în acest domeniu un mare viitor.