Fizica și automobilul viitorului

Turbina cu gaze

O 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 a unei cantităti de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei. Turbina cu gaze mai este cunoscută si sub denumirea de instalatie de turbină cu gaze (ITG).

Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze functionează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea si 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 miscări de rotatie, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalatiei mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviatie, însă îsi găsesc aplicatii în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur-gaz.

Schema funcţionării unei turbine cu gaze cu compresor axial.

1.Istoric

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

- În 1872 Dr. F. Stolger din Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a functionat niciodată independent.

- În 1903 norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze functională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunostinte de aerodinamică a vremii. Turbina sa a reusit 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 aplicatie practică a unei turbine cu gaze.

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

- În 1930 englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reactie).[4][5] Realizarea practică a acestui proiect s-a făcut însă abia în anul 1937. Compresorul acestui motor era de tip centrifugal, si pe baza lui s-a dezvoltat motorul Rolls-Royce Welland, care a echipat avionul Gloster Meteor.

- În 1936 Hans von Ohain si Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reactie bazat pe un brevet propriu.[6][5] Compresorul acestui motor era de tip axial, si pe baza lui s-a dezvoltat motorul Junkers Jumo 004 care a echipat avionul Messersmitt Me 262.

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

2.Clasificarea turbineleor cu gaze

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

2.1 După destinatie:

- turbine de tractiune pentru aviatie ( turboreactoare, turbopropulsoare, turboventilatoare si turbine pentru antrenarea elicelor elicopterelor);

- turbine de tractiune navale;

- turbine de tractiune 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);

2.2 După modul de recuperare a căldurii evacuate:

- turbine cu recuperator;

- turbine fără recuperator.

2.3După felul ciclului în care lucrează:

- cu ciclu închis;

- cu ciclu deschis.

3Principiul de functionare

3.1 Ciclul Joule

Cea mai simplă turbină cu gaze este formată dintr-un compresor, care este montat pe acelasi ax cu o turbină. Compresorul absoarbe aerul din atmosferă si îl comprimă la presiunea de câtiva bar. Aerul comprimat ajunge într-o cameră de ardere, în care este introdus si un combustibil. Aici are loc arderea la presiune constantă, cu cresterea temperaturii si a volumului gazelor produse prin ardere. Gazele de ardere se destind în turbină, producând lucru mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă.[1][7] Ciclul termodinamic al unei astfel de turbine cu gaze este ciclul Joule, cunoscut în literatura engleză de specialitate ca ciclul Brayton.

Transformările care au loc în diferitele părţi componente ale unei turbine cu gaze.

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

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