Essentiële Feiten Over Gasturbines: Definitie, Gebruik & Componenten

De gasturbine wordt sinds 1939 gebruikt voor elektriciteitsopwekking. Vandaag is het een van de meest gebruikte vermogensopwekkingstechnologieën. Gasturbines zijn interne verbrandingsmotoren (IV-motoren) die lucht-brandstofmengsels toestaan om hete gassen te produceren die een turbine laten draaien om vermogen te produceren. Het proces is gangbaar in straalmotoren, auto-interne verbrandingsmotoren, schepen, locomotieven, etc.

Vandaag leer je de definitie, toepassingen, functie, componenten, diagram, typen en werkprincipes van een gasturbine kennen. Je leert ook de voor- en nadelen van deze gasturbine.

Wat is een gasturbine?

Een gasturbine is een mechanisch apparaat dat de chemische energie van een brandstof, nl. aardgas of vergelijkbare brandstof, omzet in mechanische energie. De mechanische energie die door de turbine-as wordt gegenereerd, wordt vervolgens via een tandwielkast overgedragen op de generator-as. Zo wordt elektrisch vermogen gegenereerd. Gasturbines heten niet zo vanwege de brandstof, maar vanwege de productie van het gas tijdens de verbranding. Verschillende brandstoffen inclusief brandstoffoliën, aardgas en synthetische brandstoffen kunnen gebruikt worden. In het proces vindt verbranding discontinu plaats, dat wil zeggen, het is een continu proces.

Een gasturbine wordt ook een verbrandingsturbine genoemd en is een type continu en interne verbrandingsmotor. De belangrijkste functionele elementen omvatten een upstream roterende gascompressor, een verbrandingskamer, een downstream turbine op dezelfde as als de compressor. Een component wordt vaak in gasturbines gebruikt om de efficiëntie te verhogen en vermogen om te zetten in mechanische of elektrische vorm. Het helpt ook om een grotere duwkracht-gewichtsverhouding in een afterburner-motor te bereiken.

Daarnaast kan een gasturbine gezegd worden een interne verbrandingsmotor te zijn die gas als werkvloeistof gebruikt om een turbine te laten draaien. Het eindvermogen kan gebruikt worden om een generator, pomp, schroef aan te drijven, of in het geval van een zuivere straalvliegtuigmotor.

Toepassingen van een gasturbine

Een gasturbine kan gebruikt worden om vliegtuigen, treinen, schepen, elektrische generatoren, pompen, gascompressoren, tanks, etc. aan te drijven. Laten we nu dieper ingaan op de diverse toepassingen van een gasturbine.

• Elektrische energieopwekking – Naast de luchtvaart, maakt de elektriciteitsindustrie ruim gebruik van gasturbines. Hoewel stoomturbines ook gebruikt kunnen worden.
• Industriële toepassingen
• Maritieme voortstuwing
• Locomotief voortstuwing
• Automobiele voortstuwing

Gasturbinemotoren worden gebruikt als middelgrote "pieklast" centrales om intermittend te draaien tijdens korte periodes van hoge energievraag op een elektrisch systeem.

Gasturbines worden gebruikt voor het pompen van aardgas door pijpleidingen, waarbij een klein deel van het gepompte gas als turbinebrandstof dient.

Het olieraffinageproces maakt ook gebruik van dit systeem. Kleine draagbare gasturbines met centrifugale compressoren worden gebruikt om pompen te bedienen.

Let op: de primaire functie van een gasturbine is het produceren van mechanisch en elektrisch vermogen.

Componenten van gasturbine

Hieronder de componenten van een gasturbine:

Compressor:

De compressor die als gasturbinecomponent wordt gebruikt, is van verschillende typen. De vroege versies gebruikten centrifugale compressoren. Hun ontwerp is relatief eenvoudig en goedkoop. Ze zijn beperkt tot lage drukverhoudingen en kunnen niet vergeleken worden met moderne axiale compressoren wat betreft efficiëntie. Centrifugale compressoren worden vandaag nog steeds gebruikt in kleine industriële units.

Verbrandingskamer (Combustion chamber):

In dit systeem zijn er twee stromen lucht die van de compressor komen. De kleinere stroom wordt centraal in een gebied gevoerd waar geatomiseerde brandstof wordt geïnjecteerd en verbrand met een vlam die op zijn plaats wordt gehouden door een turbulentie-gegenereerende obstructie. De andere stroom, bekend als de koelstroom, wordt vervolgens via gaten in de kamer gevoerd samen met een "verbrandingsliner" (een soort schil). Dit helpt de algehele temperatuur te verlagen tot een niveau dat geschikt is voor de turbine-inlaat.

Turbine:

Deze gasturbinecomponenten zijn normaal gebaseerd op het reactieprincipe met de hete gassen die door maximaal acht trappen expanderen. Het gebruikt een- of twee-spoel turbines. In deze turbine wordt de externe last aangedreven, een deel van de expansie vindt plaats in een hoge-drukturbine. Deze hoge-drukturbine drijft alleen de compressor aan terwijl de overige expansie plaatsvindt in een afzonderlijke, vrije turbine die verbonden is met de last.

Regeling en opstart (Control and start-up):

Bij een gasturbinemotor die een elektrische generator aandrijft, moet de snelheid geregeeld worden en constant blijven ongeacht de elektrische last. Het verminderen van de brandstofstroom in dit systeem zal de uittreedtemperatuur van de verbrandingskamer verlagen. Hierdoor daalt de beschikbare entalpiedaling voor de turbine, zelfs als de turbine-efficiëntie licht wordt verminderd. Regeling in luchtvaart-gasturbinemotoren is moeilijker te controleren.

Overige ontwerpoverwegingen:

Met de ontwerpen van moderne gasturbinemotoren kunnen extra functionele onderdelen worden toegevoegd om hun efficiëntie te verbeteren.

Diagram van gasturbinemotor:

Typen gasturbines

Hieronder de diverse typen gasturbines:

Turbojet:

Deze typen gasturbines zijn minder complex dan alle vliegtuigturbinemotoren. In de werking worden vier secties bereikt: compressor, verbrandingskamer, turbinesectie en uitlaat. Turbojets zijn al decennia beschikbaar, ontwikkeld in Duitsland en Engeland voor de Tweede Wereldoorlog. In turbojet typen gasturbine wordt lucht met een hoge snelheid in de verbrandingskamer gevoerd. Deze kamer laat brandstof toe en bevat een ontsteker. De turbine wordt aangedreven door expanderende lucht, die duwkracht levert door versnelde uitlaatgassen.

Turboprop:

In turboprop typen gasturbinemotoren worden schroeven aangedreven door een reductieverzilvering, die optimale schroefprestaties bij lagere toer/min biedt. Dit helpt om grotere brandstofefficiëntie en prestaties bij lagere luchtsnelheden te bereiken, wat turboprops een betere keuze maakt voor vliegtuigmotoren inclusief kleine, commuter vliegtuigen, vrachtvliegtuigen en landbouwgebruik. Let op, de schroeven zijn minder efficiënt naarmate de vliegtuigsnelheid toeneemt, wat ze geschikt maakt voor vliegtuigen die niet met hoge snelheden reizen.

Turbofan:

Turbofan is een vliegtuigturbinemotor die een secundaire luchtstroom om de verbrandingskamer afleidt, waardoor extra duwkracht wordt gecreëerd. Turbofan typen gasturbinemotoren zijn moderne versies die op hoge-snelheidstransport en jachtvliegtuigen te vinden zijn.

Turboshaft (afterburning turbojet):

Deze typen gasturbinemotoren worden voornamelijk in jachtvliegtuigen gebruikt. Het omvat een afterburner in een kern turbojet zodat een deel van de energie van de uitlaat kan worden gebruikt om de turbine te laten draaien. Extra brandstof wordt in de uitlaatstroom geïnjecteerd wanneer de afterburner aanstaat, wat extra duwkracht produceert. Dit produceert geen extra snelheid voor het vliegtuig en het verbruikt meer brandstof dan traditionele turbojet vliegtuigen.

Werkprincipe van gasturbine

De werking van een gasturbine is minder complex en gemakkelijk te begrijpen. Het werkt met inlaat, compressie, expansie en uitlaat cyclus. Normaal wordt in elke gasturbine de lucht gecomprimeerd door een compressor en vervolgens door een verbrandingskamer gedreven. Brandstof wordt continu verbrand voor hoge-temperatuur en hoge-druk gasverwerking. Het lucht/brandstofgas wordt ontbrand (ontstoken) en expansie vindt plaats, waardoor rotatie-energie wordt gegenereerd die door de compressor op de voorgaande trap wordt gebruikt. De overige energie wordt gebruikt door een uitvoeras.

Bekijk de onderstaande video voor meer over de werking van gasturbine:

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

In een paar stappen laat ik uitleggen hoe gasturbines elektriciteit produceren. Wel, het ondergaat hetzelfde proces zoals hierboven vermeld maar moet nog verduidelijken hoe elektriciteit wordt gecreëerd. Voor elektriciteit te genereren, verhit de gasturbine het lucht/brandstofmengsel bij zeer hoge temperaturen, waardoor de turbineschaufels gaan draaien. De draaiende turbine drijft een generator aan die de energie omzet in elektriciteit. Gasturbines kunnen gecombineerd worden met stoomturbines, in een gecombineerde cyclus centrale om extreem efficiënt vermogen te genereren. Makkelijk toch! Hier zijn de stappen:

• Lucht-brandstofmengsel ontbrandt.
• Hete gas doet turbineschaufels draaien.
• Turbinerotatie drijft de generator aan.
• Generator magneet zorgt ervoor dat elektronen bewegen en elektriciteit creëren.

Voordelen en nadelen van gasturbine

Voordelen:

Hieronder de voordelen van de gasturbinemotor in hun diverse toepassingen:

• Het vermogen-gewichtsverhouding is erg hoog vergeleken met zuigermotoren.
• Kleiner dan de meeste zuigermotoren met dezelfde vermogenswaarde.
• Minder bewegende delen
• Gladde rotatie van de hoofdas
• Minder trillingen dan zuigermotoren.
• Afvalwarmte wordt vrijwel volledig in de uitlaat gedissipeerd.
• Lage piekverbrandingsdrukken vergeleken met zuigermotoren.
• Lage smeringsoliekosten en -verbruik.
• Een verscheidenheid aan brandstoffen kan voor de werking gebruikt worden.
• Opwarmen is niet vereist na het starten.
• De initiële kosten zijn lager.
• Vereist minder ruimte.

Nadelen:

Ondanks de goede voordelen van gasturbinemotoren, blijven enkele beperkingen bestaan. Hieronder de nadelen van een gasturbine in haar diverse toepassingen.

• Motorkosten zijn hoog door exotische materialen.
• Langere opstart
• Minder responsief op veranderingen in energievraag.
• Inherent efficiëntie is lager.

Conclusie

Gasturbinemotoren zijn breed bekend voor luchtvaarttoepassingen, feitelijk worden de verschillende typen turbines die hierboven zijn vermeld in de luchtvaart gebruikt. Gasturbine biedt goede voordelen in de meeste situaties en gebruikt chemische energie voor zijn werking. Dit was het artikel waarin we de definitie, toepassingen, functie, componenten, diagram, typen en werking van een gasturbine uitlegden. We bespraken ook de voor- en nadelen.

Ik hoop dat je de lezing genoten hebt. Deel dit graag met anderen. Dank voor het lezen, tot de volgende keer!