ZT Hiztegi Berria

gas-turbina

1. Teknol.

Erregai baten errekuntzaren emaitza diren gas beroen energia zinetikoa biratze-energia mekaniko bihurtzen duen turbina.

en combustion turbine, gas turbine
es turbina de gas
fr turbine à gaz

Ardatz bakarreko gas-turbina industrial baten ebakidura

1. Teknol.

Ardatz bakarreko gas-turbina industrial baten ebakidura
Gas-turbina baten eskema eta Braytonen zikloaren P-v eta T-s diagramak kasu idealerako

1. Teknol.: Erregai baten errekuntzaren emaitza diren gas beroen energia zinetikoa biratze-energia mekaniko bihurtzen duen turbina.

Gas-turbina Edit

Egilea: Aitor Erkoreka

GAS-TURBINA

Barne-errekuntzako motor tradizionalek bolumen txiki batean potentzia handia emateko dituzten mugek gas-turbinak deritzen makina termikoak garatzera bultzatu dute. XX. mendearen hasieran hasi zen turbomakina hauen garapena, eta euren erabilera industria-alor askotan areagotu egin da etengabe.

Gaur egun, gas-turbinen erabilera industrial garrantzitsuenen artean honako hauek nabarmendu ditzakegu:

Hegazkinen propultsioa.
Sorgailu elektrikoen eragintza.
Hainbat makinaren eta garraiobideren eragintza.
Prozesu kimiko konplexuetan integratzea.

Ondorengo lerroetan gas-turbina baten oinarrizko funtzionamendua deskribatu, dituen zikloak eta errendimendua aztertu eta osagairik garrantzitsuenak aipatuko ditugu.

Ziklo bakarreko gas-turbinaren funtzionamendua

Ondoko irudian ziklo bakarreko gas-turbina baten oinarrizko osagaiak ageri dira eskematikoki. Konpresoreak atmosferako airea xurgatu eta konprimitu egiten du. Airea errekuntza-ganberara doa, eta hor, oxigenoak, injektatu den erregaiarekin erreakzionatzen du. Prozesu hori presio konstantean gertatzen dela suposa daiteke eta, horrela, tenperatura handiko errekuntza-produktuak sortzen dira. Produktu hauek turbinan hedatu ondoren, aireratu egiten dira. Turbinak, hartara, konpresoreari eragiteko eta instalaziora akoplatutako mekanismoa (karga) mugiarazteko behar duen potentzia lortzen du. Hurrengo irudian ikus daitekeenez, ez da prozesu itxia, sarreratik airea eta injektoretik erregaia etengabe sartzen ari baitira eta, bestetik, errekuntza-gasak irteeratik kanporatzen baitira. Horrenbestez, zikloa behin eta berriro errepikatzen da. Normalean, gas-turbina esaten denean, konpresorea, errekuntza-ganbera eta turbina bera hartzen dira kontuan.

Gas-turbinaren oinarrizko zikloaren eta honen errendimenduaren kalkulua

Gas-turbinaren ziklo ideala Braytonen zikloa da. Hurrengo irudian, ziklo honen P-v (Presio [Pa] - bolumen espezifiko [m3 /kg]) eta T-s (Tenperatura [K] - entropia espezifiko [J/kg·K]) diagramak daude.

Irudian ageri denez, ziklo honek urrats hauek ditu:

1-2 konpresorea: konpresio adiabatiko itzulgarria (isoentropikoa), non jariakinaren (normalean, airea) presioa eta tenperatura igo egiten diren. Kontsumitutako lana (1) ekuazioak ematen digu, non h egoera bakoitzeko entalpia espezifikoa den.

W_{1 - 2} = (h_{2} - h_{1})

(1)

2-3 errekuntza-ganbera: jariakinaren tenperatura nabarmen igotzea presio konstantepeko errekuntza bati esker edo bero-trukaketa bati esker gertatzen da. Jariakinak jaso duen energia (2) ekuazioaz kalkulatu daiteke, non $C_{p}$ jariakinaren presio konstanteko bero espezifikoa den.

q_{2 - 3} = C_{p} \cdot (T_{3} - T_{2})

(2)

3-4 turbina: turbinan zeharreko hedapen adiabatiko itzulgarria (isoentropikoa). Sistemaren presioa eta tenperatura jaitsi egiten dira. Honako ekuazioak emango digu lortzen den lana:

W_{3 - 4} = (h_{3} - h_{4})

(3)

4-1 airea kanporatzea: turbinatik irteten den jariakinak erabilgarria litekeen beroa darama berarekin. Bero hau (4) ekuazioaz kalkula daiteke, batzuetan erabili egiten da gas-turbina birsortzearekin, ziklo konbinatu batean edo baterako sorkuntzan. Beste batzuetan, kaleratu egiten da zuzenean.

q_{4 - 1} = C_{p} \cdot (T_{4} - T_{1})

(4)

Errendimendu termikoa, lortzen den lan erabilgarria zati kontsumitutako energia da. Lortzen den lan erabilgarria, turbinak lortutako lana ken konpresoreak kontsumitutakoa izango da. Azken hau, termodinamikaren lehen printzipioa erabiliz kalkula daiteke (5) espresioa aplikatuz.

W_{1 - 2} + q_{2 - 3} = W_{3 - 4} + q_{4 - 1} \to W_{ERABILGARRIA} = W_{3 - 4} - W_{1 - 2} = q_{2 - 3} - q_{4 - 1}

(5)

Gas-turbinak kontsumitutako energia guztia $q_{2 - 3}$ beroa da, hori baita kanpotik datorren energia bakarra. Konpresorean kontsumitzen dena barne-kontsumo bat da eta ez dator gas-turbinaz kanpotik, beraz $q_{2 - 3}$ -ren parte bat da.

η_{t} = \frac{W_{ERABILGARRIA}}{q_{2 - 3}} = \frac{q_{2 - 3} - q_{4 - 1}}{q_{2 - 3}} = 1 - \frac{q_{4 - 1}}{q_{2 - 3}} = 1 - \frac{T_{4} - T_{1}}{T_{3} - T_{2}}

(6)

Gas ideal batean prozesu politropikoen erlazioak aplikatuz eta hauek (6) ekuazioan ordezkatuz, gas-turbinaren errendimendu termikoa presioen erlazioaren menpe adieraz dezakegu:

η_{t} = 1 - \frac{1}{{(\frac{P_{2}}{P_{1}})}^{\frac{γ - 1}{γ}}}

(7)

non $γ = \frac{C_{p}}{C_{v}}$ airearen indize adiabatikoa den eta $C_{v}$ jariakinaren bero espezifikoa bolumen konstantepean. (7) espresioan argi ikusten da ziklo idealaren errendimendua presio erlazioen eta $γ$ -ren menpekoa dela soilik.

Gas-turbina baten eskema eta Braytonen zikloaren P-v eta T-s diagramak kasu idealerako

Gas-turbina erreala eta hobekuntzak

Gas-turbina ideal eta errealaren artean badaude desberdintasun nabariak. 1-2 konpresioa ez da inoiz isoentropikoa, ezta 3-4 hedakuntza ere, horretarako makina idealak behar bailirateke. Horrez gain, errekuntza-ganberan presio-galerak gertatzen direla eta, erregaiak masa daukala kontuan hartu beharko litzateke. Faktore horiek garrantzi handia daukate errendimendu errealak kalkulatzeko orduan.

Azaldutako gas-turbinaren oinarrizko zikloari aldaketa batzuk eginez, hobekuntza nabariak lor daitezke errendimenduan. Honako kasu hauek dira aipagarriak:

Birsortze-zikloa: 4 puntuan irteten diren gasek duten energiaren parte bat 2 puntuan dugun aireari eman ahal zaio bero-trukagailu baten bitartez. Honela, erregaiaren kontsumoa gutxitzen da, eta potentzia berdina lortzen da.
Ziklo konbinatua: 4 puntuan irteten diren gasak ur-lurruna produzitzeko erabil daitezke, eta hau lurrun-turbina batean hedatuz energia elektriko gehiago sor daiteke.
Baterako sorkuntza: 4 puntuan irteten diren gasak ur beroa edo prozesu industrial baten bero-beharrak asetzeko erabil daiteke.
Bitarteko hozketa: konpresio-prozesua etapa bi edo gehiagotan eginez, eta etapen artean jariakina hozten bada, konpresio-prozesuan energia gutxiago gastatuko da, eta, horrela, errendimendu hobeak lor daitezke.

Hauetaz aparte, badaude gas-turbinen funtzionamendua hobetzeko beste hainbat aldaketa posible ere.

Gas-turbinaren osagai nagusiak

Aire-sarreraren hodia

Helburua atmosferako airea hartu eta konpresoreko sarrera-ahora eramatea da, ahalik eta egoera onenean. Iragazkiak izaten ditu atmosferako airearen ezpurutasunek gas-turbina kaltetu ez dezaten.

Konpresorea

Gas-turbinan gertatzen den prozesu termodinamikoak, errekuntzaren errendimendua onargarria izango bada, presiopeko airea behar du. Hauek dira konpresorearen funtsezko osagaiak: errotorea, aire-masa bat mugiarazten duena, eta estatorea, energia zinetikoa presio bihurtzen duena. Bi konpresore-mota daude: zentrifugoa eta axiala.

Konpresore axialetan zentrifugoetan baino askoz emari handiagoak erabil daitezke, sarrera-guneak ia aurrealde osoa betetzen baitu.

Errekuntza-ganbera

Gas-turbinan gertatzen den errekuntza-prozesua jarraitua da, galdara batean gertatzen denaren antzekoa, eta desberdintasun bakarra presio eta tenperatura handian eta leku txikiagoan gertatzea da.

Diseinatzean, honakoak hartu behar dira kontuan: garraren egonkortasuna eta homogeneotasuna, pizte eraginkorra eta funtzionamendu-erregimen desberdinetan eragiketa segurua izatea, hau da, hainbat emari eta kanpo-kondiziotan segurua izatea.

Turbina

Konpresoreetan bezalatsu, funtsezko bi turbina-mota daude: fluxu axialekoak eta fluxu erradialekoak. Lehenengoak dira hedatuenak eta, funtsean, konpresorearen aurkako funtzionamendua dute; orain gasak mugitzen du errotorea eta estatoreak gasaren presioa energia zinetiko bilakatzen du.

Sistema laguntzaileak

Gas-turbinak era egoki batean funtziona dezan, hainbat sistema laguntzaile behar ditu:

Erregaiaren elikatze-sistema.
Kontrol- eta aginte-sistema.
Lubrifikatze-sistema.
Pizte-sistema.
Hozte- eta zigilatze-sistema.
Turbinaren inguratzailea eta segurtasun-sistemak.

Ardatz bakarreko gas-turbina industrial baten ebakidura (iturria: Press Picture Siemens AG, Energy Sector)