טורבינת גז לעומת טורבינת קיטור
טורבינות הן סוג של מכונות טורבו המשמשות להמרת האנרגיה בנוזל זורם לאנרגיה מכנית על ידי שימוש במנגנוני רוטור. טורבינות, באופן כללי, ממירות אנרגיה תרמית או קינטית של הנוזל לעבודה. טורבינות גז וטורבינות קיטור הן מכונות טורבו תרמיות, שבהן העבודה נוצרת משינוי האנטלפיה של נוזל העבודה; כלומר, האנרגיה הפוטנציאלית של הנוזל בצורת לחץ מומרת לאנרגיה מכנית.
בהתבסס על הכיוון של טורבינות זרימת הנוזלים מסווגות לטורבינות זרימה צירית ולטורבינות זרימה רדיאלית.מבחינה טכנית טורבינה היא מרחיב, המספק תפוקת עבודה מכנית על ידי ירידה בלחץ, שהיא הפעולה ההפוכה של המדחס. מאמר זה מתמקד בסוג טורבינת זרימה צירית, הנפוץ יותר ביישומים הנדסיים רבים.
המבנה הבסיסי של טורבינת זרימה צירית נועד לאפשר זרימה רציפה של נוזל תוך מיצוי האנרגיה. בטורבינות תרמיות, נוזל העבודה, בטמפרטורה גבוהה ובלחץ מופנה דרך סדרה של רוטורים המורכבים מלהבים זוויתיים המורכבים על דיסק מסתובב המחובר לציר. בין כל רוטור מותקנים להבים נייחים, הפועלים כחרירים ומנחים לזרימת הנוזל.
עוד על Steam Turbine
למרות שהמושג של שימוש בקיטור לביצוע עבודה מכנית היה בשימוש במשך זמן רב, טורבינת הקיטור המודרנית תוכננה על ידי המהנדס האנגלי סר צ'ארלס פרסונס בשנת 1884.
טורבינת הקיטור משתמשת בקיטור בלחץ מדוד כנוזל העבודה.הקיטור המחומם הנכנס לטורבינה מאבד את הלחץ שלו (אנטלפיה) הנע דרך להבי הרוטורים, והרוטורים מזיזים את הציר שאליו הם מחוברים. טורבינות קיטור מספקות כוח בקצב חלק וקבוע, והיעילות התרמית של טורבינת קיטור גבוהה מזו של מנוע בו-זמנית. פעולת טורבינת הקיטור אופטימלית במצבי סל ד גבוהים יותר.
באופן קפדני, הטורבינה היא רק מרכיב בודד של הפעולה המחזורית המשמשת לייצור חשמל, אשר מעוצבת באופן אידיאלי על ידי מחזור Rankine. הדוודים, מחליפי החום, המשאבות והמעבים הם גם מרכיבי הפעולה אך אינם חלק מהטורבינה.
בימים המודרניים, השימוש העיקרי בטורבינות הקיטור הוא לייצור חשמל, אך בתחילת המאה ה-20 טורבינות קיטור שימשו כתחנת הכוח של ספינות ומנועי קטר. כיוצא מן הכלל, בחלק ממערכות ההנעה הימיות שבהן מנועי הדיזל אינם מעשיים, כגון נושאות מטוסים וצוללות, עדיין משתמשים במנועי הקיטור.
עוד על טורבינת גז
מנוע טורבינת גז או פשוט טורבינת גז הוא מנוע בעירה פנימית, המשתמש בגזים כגון אוויר כנוזל העבודה. ההיבט התרמודינמי של פעולת טורבינת הגז מעוצב באופן אידיאלי על ידי מחזור ה-Brayton.
מנוע טורבינת גז, בניגוד לטורבינת הקיטור, מורכב מכמה מרכיבים מרכזיים; אלה הם המדחס, תא הבעירה והטורבינה, המורכבים לאורך ציר מסתובב, כדי לבצע משימות שונות של מנוע בעירה פנימית. צריכת גז מהכניסה נדחסת תחילה באמצעות מדחס צירי; שמבצעת בדיוק את ההיפך מטורבינה פשוטה. לאחר מכן הגז בלחץ מופנה דרך שלב מפזר (זרבובית מתפצלת), שבו הגז מאבד את מהירותו, אך מגביר את הטמפרטורה והלחץ עוד יותר.
בשלב הבא, גז נכנס לתא הבעירה שם מערבבים דלק עם הגז ומתלקח. כתוצאה מהבעירה, הטמפרטורה והלחץ של הגז עולים לרמה גבוהה להפליא.לאחר מכן, גז זה עובר דרך קטע הטורבינה, וכשהוא עובר דרכו מייצר תנועה סיבובית לפיר. טורבינת גז בגודל ממוצע מייצרת קצבי סיבוב גלים גבוהים כמו 10,000 סל ד, בעוד שטורבינות קטנות יותר עשויות לייצר פי 5 יותר.
ניתן להשתמש בטורבינות גז לייצור מומנט (על ידי הציר המסתובב), דחף (על ידי פליטת גז במהירות גבוהה), או שניהם בשילוב. במקרה הראשון, כמו בטורבינת הקיטור, העבודה המכנית המועברת על ידי הפיר היא רק טרנספורמציה של האנטלפיה (לחץ) של הגז בטמפרטורה גבוהה ובלחץ. חלק מעבודת הפיר משמש להנעת המדחס באמצעות מנגנון פנימי. צורה זו של טורבינת הגז משמשת בעיקר לייצור חשמל וכתחנות כוח לכלי רכב כגון טנקים ואפילו מכוניות. מיכל M1 Abrams האמריקאי משתמש במנוע טורבינת גז כתחנת הכוח.
במקרה השני, הגז בלחץ גבוה מופנה דרך פיה מתכנסת כדי להגביר את המהירות, והדחף נוצר על ידי גז הפליטה.סוג זה של טורבינת גז מכונה לעתים קרובות מנוע סילון או מנוע טורבו, המניע את מטוס הקרב הצבאי. הטורבופאן הוא גרסה מתקדמת של לעיל, והשילוב של דחף ויצירת עבודה כאחד משמש במנועי טורבו-פרופ, שבהם נעשה שימוש בעבודת הציר להנעת מדחף.
קיימים גרסאות רבות של טורבינות הגז המיועדות למשימות ספציפיות. הם מועדפים על פני מנועים אחרים (בעיקר מנועי הדדיות) בשל יחס ההספק הגבוה שלהם למשקל, פחות רעידות, מהירויות פעולה גבוהות ואמינותם. חום הפסולת מתפזר כמעט כולו כמפלט. בייצור חשמל, הפסולת האנרגיה התרמית הזו משמשת להרתחת מים להפעלת טורבינת קיטור. התהליך ידוע בשם ייצור חשמל במחזור משולב.
מה ההבדל בין טורבינת קיטור לטורבינת גז?
• טורבינת קיטור משתמשת בקיטור בלחץ גבוה כנוזל העבודה, בעוד שטורבינת הגז משתמשת באוויר או בגז אחר כנוזל העבודה.
• טורבינת קיטור היא בעצם מרחיב המספק מומנט כתפוקת העבודה, בעוד שטורבינת גז היא מכשיר משולב של מדחס, תא בעירה וטורבינה המבצעת פעולה מחזורית כדי לספק עבודה כמו מומנט או דחף.
• טורבינת קיטור היא רק רכיב המבצע שלב אחד במחזור ה-Rankine, בעוד שמנוע טורבינת הגז מבצע את כל מחזור ה-Brayton.
• טורבינות גז יכולות לספק מומנט או דחף כתפוקת העבודה, בעוד שטורבינות קיטור כמעט כל הזמן מספקות מומנט כתפוקת העבודה.
• היעילות של טורבינות הגז גבוהה בהרבה מטורבינת הקיטור בגלל טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר של טורבינות הגז. (טורבינות גז ~1500 0C וטורבינות קיטור ~550 0C)
• המקום הדרוש לטורבינות הגז קטן בהרבה מהפעלת טורבינת קיטור, מכיוון שטורבינת קיטור דורשת דוודים ומחלפי חום, אותם יש לחבר חיצונית לצורך הוספת חום.
• טורבינות גז מגוונות יותר, מכיוון שניתן להשתמש בדלקים רבים ונוזל עבודה, שיש להזין אותו ברציפות, זמין בכל מקום (אוויר). טורבינות קיטור, לעומת זאת, דורשות כמויות גדולות של מים לצורך הפעולה ונוטות לגרום לבעיות בטמפרטורות נמוכות יותר עקב הקרח.
