Разница между газовой турбиной и паровой турбиной

Газовая турбина против паровой турбины

Турбины представляют собой класс турбомашин, используемых для преобразования энергии текучей среды в механическую энергию с помощью роторных механизмов. Обычно турбины преобразуют тепловую или кинетическую энергию жидкости в работу. Газовые турбины и паровые турбины представляют собой тепловые турбомашины, работа которых генерируется изменением энтальпии рабочего тела; т.е. потенциальная энергия жидкости в форме давления преобразуется в механическую энергию.

На основании направления потока жидкости турбины подразделяются на турбины с осевым потоком и турбины с радиальным потоком. Технически турбина представляет собой расширитель, который выдает механическую работу за счет снижения давления, что является противоположной работой компрессора. Эта статья посвящена типу турбины с осевым потоком, которая чаще встречается во многих инженерных приложениях..

Базовая конструкция турбины с осевым потоком предназначена для обеспечения непрерывного потока жидкости при извлечении энергии. В тепловых турбинах рабочая жидкость при высокой температуре и давлении направляется через ряд роторов, состоящих из угловых лопастей, установленных на вращающемся диске, прикрепленном к валу. Между дисками каждого ротора установлены стационарные лопасти, которые действуют как сопла и направляют поток жидкости..

Подробнее о паровой турбине

Несмотря на то, что концепция использования пара для выполнения механических работ использовалась долгое время, современная паровая турбина была разработана английским инженером сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году..

В качестве рабочей жидкости паровая турбина использует сжатый пар из котла. Перегретый пар, поступающий в турбину, теряет свое давление (энтальпию), перемещаясь через лопасти роторов, и роторы перемещают вал, к которому они подключены. Паровые турбины обеспечивают плавную постоянную мощность, а тепловая эффективность паровой турбины выше, чем у поршневого двигателя. Работа паровой турбины является оптимальной при более высоких оборотах.

Строго говоря, турбина является только одним компонентом циклической операции, используемой для выработки электроэнергии, которая идеально моделируется циклом Ранкина. Котлы, теплообменники, насосы и конденсаторы также являются компонентами работы, но не являются частью турбины..

В наши дни паровые турбины в основном используются для выработки электроэнергии, но в начале 20-го века паровые турбины использовались в качестве силовой установки для кораблей и локомотивов. Как исключение, в некоторых морских силовых установках, где дизельные двигатели нецелесообразны, такие как авианосцы и подводные лодки, паровые двигатели все еще используются.

Подробнее о газовой турбине

Газотурбинный двигатель или просто газовая турбина представляет собой двигатель внутреннего сгорания, использующий газы, такие как воздух, в качестве рабочей жидкости. Термодинамический аспект работы газовой турбины идеально моделируется циклом Брайтона.

Газотурбинный двигатель, в отличие от паровой турбины, состоит из нескольких ключевых компонентов; это компрессор, камера сгорания и турбина, которые собраны вдоль вращающегося вала для выполнения различных задач двигателя внутреннего сгорания. Впуск газа из впускного отверстия сначала сжимается с помощью осевого компрессора; который выполняет полную противоположность простой турбины. Затем сжатый газ направляется через ступень диффузора (расходящегося сопла), на которой газ теряет свою скорость, но дополнительно повышает температуру и давление.

На следующем этапе газ поступает в камеру сгорания, где топливо смешивается с газом и поджигается. В результате сгорания температура и давление газа поднимаются до невероятно высокого уровня. Этот газ затем проходит через секцию турбины и при прохождении через него создает вращательное движение к валу. Газовая турбина среднего размера обеспечивает скорость вращения вала до 10000 об / мин, тогда как турбины меньшего размера могут производить в 5 раз больше.

Газовые турбины могут использоваться для создания крутящего момента (с помощью вращающегося вала), тяги (с помощью высокоскоростного выброса газа) или обоих одновременно. В первом случае, как и в паровой турбине, механическая работа, выполняемая валом, представляет собой просто преобразование энтальпии (давления) газа высокой температуры и давления. Часть работы вала используется для привода компрессора через внутренний механизм. Эта форма газовой турбины используется в основном для выработки электроэнергии и в качестве силовых установок для транспортных средств, таких как цистерны и даже автомобили. Американский танк M1 Abrams использует газотурбинный двигатель в качестве силовой установки.

Во втором случае газ высокого давления направляется через сходящуюся насадку для увеличения скорости, а тяга создается выхлопным газом. Этот тип газовой турбины часто называют реактивным двигателем или турбореактивным двигателем, который питает военные истребители. Турбовентилятор представляет собой усовершенствованный вариант, описанный выше, и комбинация как тяги, так и генерации работы используется в турбовинтовых двигателях, где работа вала используется для привода гребного винта..

Существует множество вариантов газовых турбин, предназначенных для конкретных задач. Они предпочтительнее других двигателей (в основном поршневых) из-за их высокого отношения мощности к весу, меньшей вибрации, высоких скоростей работы и надежности. Отработанное тепло рассеивается почти полностью как выхлоп. В производстве электроэнергии эта отработанная тепловая энергия используется для кипячения воды для запуска паровой турбины. Процесс известен как производство электроэнергии с комбинированным циклом.

В чем разница между паровой турбиной и газовой турбиной?

• Паровая турбина использует пар высокого давления в качестве рабочей жидкости, в то время как газовая турбина использует воздух или какой-либо другой газ в качестве рабочей жидкости.

• Паровая турбина - это, по сути, расширитель, выдающий крутящий момент в качестве выходной мощности, в то время как газовая турбина представляет собой комбинированное устройство компрессора, камеры сгорания и турбины, выполняющее циклическую операцию для выполнения работы в качестве крутящего момента или тяги..

• Паровая турбина является только компонентом, выполняющим один шаг цикла Ранкина, в то время как газотурбинный двигатель выполняет весь цикл Брайтона.

• Газовые турбины могут выдавать крутящий момент или тягу в качестве выходной мощности, в то время как паровые турбины почти все время подают крутящий момент в качестве выходной мощности..

• КПД газовых турбин намного выше, чем у паровых турбин из-за более высоких рабочих температур газовых турбин. (Газовые турбины ~ 1500 0C и паровые турбины ~ 550 0C)

• Пространство, необходимое для газовых турбин, намного меньше, чем для работы паровых турбин, потому что паровая турбина требует котлов и теплообменников, которые должны быть подключены снаружи для добавления тепла.

• Газовые турбины более универсальны, потому что можно использовать много видов топлива, а рабочая жидкость, которая должна подаваться непрерывно, легко доступна везде (воздух). Паровые турбины, с другой стороны, требуют большого количества воды для работы и имеют тенденцию вызывать проблемы при более низких температурах из-за обледенения.