UNIVERSITATEA DIN PITETIFACULTATEA DE MECANIC I TEHNOLOGIE

Tem Turbina cu gaze

Secia: Autovehicule RutiereAnul de studiu: IVStudent: Corbu Alexandru - Georgendrumtor: Conf. Univ. Dr. Marinescu Dnu-Gabriel

-Piteti- 2015

Turbina cu gaze

I. IntroducereOturbin cu gazeeste turbintermic, care utilizeaz cderea deentalpiea unuigazsau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc n jurul unui ax o cantitate deenergie mecanicdisponibil la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscut i sub denumirea de instalaie de turbin cu gaze(ITG).

Fig.1.Turbin cu gaze cu compresor axial principiul de funcionare

Din punct de vederetermodinamico turbin cu gaze funcioneaz destul de asemntor cumotorulunui automobil. Aerul dinatmosfereste admis ntr-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmeaz introducerea unuicombustibil, aprinderea i arderea lui ntr-o camer de ardere. Gazele de ardere se destind ntr-oturbin, care extrage din elelucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate n atmosfer. Procesul este continuu, iar piesele execut doar micri de rotaie, ceea ce pentru oputeredat conduce la omastotal a instalaiei mai mic. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat n special ca motoare deaviaie, ns i gsesc aplicaii n multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiindtermocentralelecu cicluri combinate abur-gaz.

II. IstoricDezvoltarea turbinelor cu gaze este de dat mult mai recent dect aturbinelorn general, i de dat mai recent dect aturbinelor cu abur.n1791englezulJohn Barber a brevetat prima adevrat turbin cu gaze, turbin care avea principalele elemente din turbinele cu gaze moderne. n1872Dr. F. Stolger dinGermaniaa construit prima turbin cu gaze, care ns n-a funcionat niciodat independent.n1903norvegianulgidius Elling a construit prima turbin cu gaze funcional, care a produs lucru mecanic, eveniment important, lund n considerare lipsa de cunotine deaerodinamica vremii. Turbina sa a reuit s produc oputerede 11cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina sa s-a inspirat Frank Whittle.n1914Charles Curtisa realizat prima aplicaie practic a unei turbine cu gaze.n1918General Electric, unul din cei mai mari productori, inclusiv din zilele noastre, i ncepe producia de turbine cu gaze.n1930englezulFrank Whittlebreveteaz proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reacie). Realizarea practic a acestui proiect s-a fcut ns abia n anul1937. Compresorul acestui motor era de tipcentrifugal, i pe baza lui s-a dezvoltat motorulRolls-RoyceWelland, care a echipat avionulGloster Meteor.

Fig.2.Turboreactor RD-500, clon a Rolls-Royce Nene, fabricat n URSS

n1936Hans von Ohain i Max Hahn dezvolt n Germania un motor cu reacie bazat pe un brevet propriu.Compresorul acestui motor era de tipaxial, i pe baza lui s-a dezvoltat motorul JunkersJumo 004care a echipat avionulMessersmitt Me 262.

III. Clasificarea turbinelor cu gazen afar de clasificarea turbinelor termice n general, turbinele cu gaze se pot clasifica:

Dup destinaie: Turbine de traciune pentru aviaie; Turbine de traciunenavale; Turbine de traciune terestre; Turbine desupraalimentareamotoarelor cu ardere intern. Turbine energetice (pentrutermocentralecuciclucu gaze simplu sau cu ciclu combinatabur-gaz);

Dup modul de recuperare a cldurii evacuate: Turbine cu recuperator; Turbine fr recuperator;

Dup felul ciclului n care lucreaz: Cu ciclu nchis; Cu ciclu deschis;

IV. Principiul de funcionare

Ciclul JouleCea mai simpl turbin cu gaze este format dintr-uncompresor, care este montat pe acelai ax cu o turbin. Compresorul absoarbeaeruldinatmosferi l comprim lapresiuneade civa bar. Aerul comprimat ajunge ntr-o camer deardere, n care este introdus i uncombustibil. Aici are loc arderea la presiune constant, cu cretereatemperaturiii avolumuluigazelor produse prin ardere. Gazele de ardere se destind n turbin, producndlucru mecanic, iar apoi sunt evacuate n atmosfer. Ciclul termodinamic al unei astfel de turbine cu gaze esteciclul Joule,cunoscut n literatura englez de specialitate caciclul Brayton.

Fig.3.Transformrile care au loc n diferite pri componente ale unei turbine cu gaze

Transformrile termodinamicedin ciclu sunt: 1 2 compresie izoentropic; 2 - 3 nclzire izobar; 3 - 4 destindere izoentropic; 4 - 1 rcire izobar.Randamentul termic alciclului Joule idealfr recuperator este:

unde:esteraportul de compresie=p2/p1, iarkesteexponentul adiabatical gazului.Pentru aer, cuk= 1,4 , i pentru un raport de compresie de 15 (valoare uzual), randamentul termic al ciclului este de 0,539. Randamentul termic al ciclului Joule ideal crete continuu cu creterea raportului de compresie, ns creterea acestui raport este limitat de rezistena materialelor i de pierderile din ciclul real.Ciclul Joule cu recuperatorPentru mrirea randamentului termic se folosescrecuperatoarecare recupereaz o parte dinclduraevacuat odat cu gazele arse n atmosferq4-4'i o reintroduc n cicluq2-2'. Randamentul termic al ciclului Joule ideal cu recuperator este:

Fig.4.Ciclul Joule cu recuperarea cldurii evacuate

Ciclul cu fracionarea destinderii sau a compresieiO alt cale de mbuntire a randamentului termic al ciclului este fracionarea compresiei, cu rcirea intermediar a aerului, respectiv fracionarea destinderii n turbin, cu renclzirea agentului termic, aspecte detaliate nciclu termodinamic.Realizarea practic a rcirii intermediare a aerului comprimat se poate face: la turbine cu gaze de aviaie, undegreutateaagregatului e critic, prin injecie deapntre treptele compresorului; la celelalte turbine, prinschimbtoare de cldurmontate ntre trepte.

Realizarea practic a renclzirii gazelor se poate face: prin arderea unei cantiti suplimentare de combustibil n camere de ardere intermediare ntre corpurile turbinei; prin schimbtoare de cldur montate ntre corpurile turbinei.Ambele metode mresc mult dimensiunile instalaiei i nu sunt adecvate pentru turbinele cu gaze de aviaie.

Ciclul deschis i ciclul nchisLa turbinele cu gaze care lucreaz cu aer absorbit din atmosfer i evacueaz gazele de ardere tot n atmosfer (majoritatea cazurilor), ciclul nu este efectuat complet n instalaie, transformarea4-1efectundu-se n atmosfer. Se spune c turbina lucreazn ciclu deschis. Dac ns se folosete un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reinut, caz n care toate transformrile din ciclu se realizeaz n instalaie, i se spune c turbina lucreazn ciclu nchis. Astfel de cicluri nchise se ntlnesc ncentrale nucleare, iar agentul termic este uzualdioxidul de carbonsauheliul.

V. Descrierea prilor componente

CompresorulRolulcompresoruluieste de a realiza comprimarea agentului termic (de obicei aerul), realiznd transformarea1 2din ciclul Joule. Se folosesc exclusiv compresoare cu palete.Compresoarele pot fi: centrifugale; axiale.Compresoarele centrifugaleau un raport de compresie pe treapt mai mare, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie mai puine trepte, deci agregatul rezult mai uor. Randamentul acestor compresoare este ns mai mic. Compresorul centrifugal s-a folosit la primele motoare cu reacie ale lui Frank Whittle, inclusiv la motorul Rolls-RoyceNene. Actual este folosit pe scar larg la turbinele cu gaze pentru elicoptere mici, agregate care trebuie s fie ct mai uoare.Compresoarele axialeau un raport de compresie pe treapt mai mic, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie multe trepte, deci agregatul rezult mai lung, ns de diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este mai bun. Compresorul axial este folosit pe scar larg la turbinele cu gaze pentru toate turbinele pentru propulsia avioanelor, unde conteaz diametrul mic i randamentul bun, i toate turbinele energetice, unde conteaz randamentul bun.

Fig.5.Compresorul axial cu 17 trepte al unui turboreactor GE J79.Camera de ardereRolulcamerei de ardereeste de a realiza introducerea cldurii n ciclu prin arderea unui combustibil, realiznd transformarea2 3din ciclul Joule. Camerele de ardere au n interior o cma rcit cu aerul de diluie, cma care ecraneazflacrai protejeaz astfel corpul exterior al camerei. Aprinderea iniial se face cu obujie.Camerele de ardere pot fi: individuale; inelare.Camerele de ardere individualesunt de form tubular i se monteaz mai multe n jurul axului agregatului. n camerele de ardere individuale este mai uor de asigurat stabilitatea arderii, adic se evit ruperea flcrii, iar n caz de rupere, ruperea nu se propag n celelalte camere, ba din contr, acestea, prin canalizaii prevzute special n acest scop ajut la reaprindere. Nu ntotdeauna fiecare camer de ardere are bujie proprie, deoarece, cum s-a spus, camerele comunic ntre ele i flacra se transmite.Camerele de ardere inelareau un spaiu de ardere unic, inelar. n aceste camere este mai greu de stabilizat flacra, dozajul aer-combustibil, vitezele de introducere a aerului prin diversele seciuni i geometria camerei fiind critice. Camerele inelare ns au mai puine repere i sunt mai uoare, fiind din punct de vedere tehnologic mai evoluate.

Fig.6.Camerele de ardere individuale ale unui turboreactor GE J79.Combustibiliifolosii la turbinele cu gaze sunt: combustibili lichizi- nu sunt necesari combustibili cu fraciuni uoare, cum ar fibenzina, se pot folosi combustibili mai grei, capetrol,kerosen(petrol de aviaie),gazolin,combustibil lichid folosit la nclzirii, la instalaiile staionare, chiarpcur. combustibili gazoi-gaz natural,biogaz,gaz de aer,gaz de ap,gaz de gazogen,gaz de sintez,gaz de furnal,gaz de cocseriei chiarhidrogen(experimental).Dei camerele de ardere pot arde i combustibili solizi (crbunesub form de praf),cenuaconinut de acest tip de combustibili este abraziv, astfel c ei nu sunt folosii. Dac totui se dorete folosirea lor drept combustibili pentru turbine cu gaze, cea mai bun soluie estegazeificarealor prealabil. De asemenea, gazele care conin praf trebuie n prealabil desprfuite.

TurbinaRolulturbineieste de a realiza destinderea agentului termic (de obicei gaze de ardere), realiznd transformarea3 4din ciclul Joule.

Fig.7.Turbina cu 3 trepte a unui turboreactor GE J79.Turbina transformentalpiaa gazelor nti nenergie cinetic, prin accelerarea prin destindere a agentului termic i transformarea de ctre palete a acestei energii n lucru mecanic, transmis discurilor turbinei i apoi arborelui.

Fig.8.Paleta unei turbine cu gaze Rolls-Royce

Piesele eseniale suntajutajele turbinei(a nu se confunda cu ajutajul unui turboreactor) ipaletele, piese supuse unor solicitri termice i mecanice extreme. De aceea ele trebuie construite din materiale speciale, rezistente la temperaturi ct mai mari i se prevd cu sisteme de rcire. Actual, temperaturile la intrarea n turbin au depit n unele cazuri (turbine pentru avioane militare) temperatura de 1800C, paletele fiind fcute n acest caz din materiale ceramice poroase, prin porii lor circulnd aer provenit de la compresor, relativ rece.ArboreleArborele turbinei asigur transmiterea puterii ntre turbin, compresor, cupl, demaror, pompe etc. Un singur arbore nu asigur turaiile optime pentru toate componentele, aa c exist construcii pe unul sau pe mai muli arbori coaxiali. Schemelecu un arboresunt specifice primelor turbine cu gaze. Aceste scheme permit antrenarea compresorului la turaia turbinei i, printr-unreductora elicelor,pompelorsaugeneratoarelor electrice. Schemelecu doi arboriau pe arborele exterior turbina de nalt presiune i compresorul de nalt presiune, iar pe arborele interior turbina de joas presiune, compresorul de joas presiune i eventual acionarea reductorului. Aceste scheme sunt obinuite la turbinele de aviaia actuale. Schemelecu trei arboriau pe arborele exterior turbina de nalt presiune i compresorul de nalt presiune, pe arborele intermediar turbina de medie presiune i compresorul de joas presiune, iar pe arborele interior turbina de joas presiune i acionarea reductorului. La schemele cu trei arbori este foarte dificil coordonarea lor i foarte puini productori din lume dispun de tehnologia necesar n aceste caz.

Fig.9.Turboreactorul Rolls-Royce Olympus 593 cu doi arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionului Concorde.

Fig.10.Turboventilatorul Rolls-Royce RB 211 cu trei arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionului Lockheed L-1011.

VI. Exemple ale utilizrilor turbinelor cu gaze

Turbine cu gaze pentru aviaieTurbinele cu gaze pentru aviaie sunt cunoscute i sub numele demotoare cu reacie, ns denumirea de motor cu reacie acoper o arie mai larg, ea cuprinde i agregatele de traciune prin reacie care nu au turbine.Turboreactorul(englezTurbojet) este o turbin cu gaze la care destinderea n turbin se face pn la o presiune anume, peste presiunea atmosferic, astfel nct turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesar antrenrii compresorului. n continuare, gazele de ardere se destind pn la presiunea atmosferic ntr-un ajutaj plasat dup turbin, ajutaj care genereaz fora de propulsie pentru avion. Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cunumrul Machpeste 0,8 (cca. 900km/hla nivelul solului, respectiv cca. 800km/h la nivelul zborului de croazier).

Fig.11.Turboreactor cu compresor centrifugal

Fig.12.Turboreactor cu compresor axialTurbopropulsorul(englezTurboprop) este o turbin cu gaze la care destinderea n turbin se face pn la presiunea atmosferic, astfel c turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare dect cea necesar antrenrii compresorului. Puterea n plus este folosit la antrenarea unei elice plasat n faa motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numrul Mach ntre 0,5 i 1,0 (cca. 600 1200km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 1000km/h la nivelul zborului de croazier).

Fig.13.Turbopropulsor

Turbine cu gaze pentru traciune terestrAu existat cteva tentative de realizare a unorautovehiculecu turbin cu gaze, de exempluRover- JET1 (1950)iChrysler- cteva prototipuri (1950 1980). Toate au avut un consum de combustibil inacceptabil de mare, chiar pentru vremurile acelea. n 1993General Motorsa produs primul autovehicul comercial hibrid, acionat de o turbin cu gaze.Mai mult succes au avut turbinele cu gaze la autovehiculele de competiie. Mainile echipate cu turbine cu gaze au participat la cursele de laLe Mans(1963)iIndianapolis 500(1967),unde s-au situat n fruntea curselor, dar n-au reuit s le ctige din cauza fiabilitii reduse a acestor prototipuri. n domeniul vitezei maxime terestre, maini caGreen Monster,acionat de o turbin General Electric J79, condus deArt Arfons,Spirit of America,acionat tot de o turbin General Electric J79 i condus deCraig Breedloveau deinut multe recorduri mondiale. MainaThrust2acionat de o turbin Rolls-Royce Avon, condus deRichard Noblea fost prima care a depit viteza de 1000km/h. Recordul mondial actual a fost stabilit de mainaThrustSSC,acionat de dou turbine Rolls-Royce Spey (varianta militar), condus deAndy Greeni este de 1227,99km/h (Ma = 1,016 supersonic).n anul2000Marine Turbine Technologies Inc. a produsmotocicletaMTT Turbine Superbike,cunoscut i sub numele deY2K Turbine Superbike, echipat cu o turbin Rolls-Royce Allison 250, cu o putere de 238kW, care este considerat cea mai puternic motociclet de serie din lume i care a atins viteza de 365km/h.Turbinele cu gaze au fost folosite i pentrutraciune feroviarla aa-numiteleturbotrenuri. Primele locomotive cu turbine de gaze au fost livrate de firmaBrown-Boverinainte de cel de al doilea rzboi mondial. n Anglia,Metropolitan Vickersa produs locomotive acionate de turbine de gaze.ntre anii1948i1970Union Pacifica folosit pe scar larg locomotive din seria UP, acionate de turbine de gaz de 1800 10000hp fabricate de firmaWestinghouse. Ca aplicaii militare, se menioneaz utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate energetice la tancuri. Exemple sunt tanculamericanM1 Abrams[31]i tanculsovietic/rusescT-80.

Grupuri de turbosupraalimentareUn grup de turbosupraalimentare este o mic turbin ce gaze, la care rolul de camer de ardere l joac un motor cu combustie intern. Scopul nu este producerea de energie, ci alimentarea motorului cu aer comprimat, ceea ce duce la creterea puterii i randamentului termic al motorului. Turbina (n figur cu rou) recupereaz energia cinetic a gazelor evacuate din motor i o folosete la antrenarea compresorului (n figur cu albastru).

Fig.14.Grup de turbosupraalimentare

VII. Avantaje i dezavantaje

Avantajele turbinelor cu gaze foarte bun raport putere/greutate; dimensiuni reduse; timp de pornire scurt (5 ... 30 min); micare de rotaie uniform (nu alternativ), echilibrare foarte bun;] vibraii reduse; la ITG energetice, costul investiiei i timpul de dare n funciune sunt mult mai mici n comparaie cu instalaiile cu turbine cu abur; pot funciona fr ap de rcire, important n zone unde apa este deficitar, de exemplu n deert.

Dezavantajele turbinelor cu gaze randament termic nu prea ridicat; scderea pronunat a randamentului i performanelor n regimuri diferite de regimul pentru care au fost proiectate, (la sarcini pariale); o oarecare inerie la modificarea turaiei; fabricaie dificil, necesit tehnologii nalte; materiale speciale, rezistente la temperaturi nalte, scumpe; ntreinere pretenioas, reparaii planificate dese.

Bibliografie:https://ro.wikipedia.org/wiki/Turbin%C4%83_cu_gaze