Gasturbine versus stoomturbine
Turbines zijn een klasse turbomachines die worden gebruikt om de energie in een stromende vloeistof om te zetten in mechanische energie door middel van rotormechanismen. Turbines zetten in het algemeen thermische of kinetische energie van de vloeistof om in arbeid. Gasturbines en stoomturbines zijn thermische turbomachines, waarbij het werk wordt gegenereerd door de enthalpieverandering van de werkvloeistof; d.w.z. de potentiële energie van de vloeistof in de vorm van druk wordt omgezet in mechanische energie.
Op basis van de richting van de vloeistofstroom worden turbines onderverdeeld in axiale stromingsturbines en radiale stromingsturbines. Technisch gezien is een turbine een expander, die mechanisch werk levert door de drukverlaging, wat de tegenovergestelde werking is van de compressor. Dit artikel richt zich op het type axiale turbine, dat vaker voorkomt in veel technische toepassingen.
De basisstructuur van een axiale turbine is ontworpen om een continue vloeistofstroom mogelijk te maken terwijl de energie wordt geëxtraheerd. In thermische turbines wordt de werkvloeistof bij een hoge temperatuur en onder druk door een reeks rotoren geleid die bestaan uit schuine bladen die zijn gemonteerd op een roterende schijf die aan de as is bevestigd. Tussen elke rotorschijven zijn stationaire bladen gemonteerd, die fungeren als mondstukken en geleiders voor de vloeistofstroom.
Meer over Stoomturbine
Hoewel het concept van het gebruik van stoom om mechanisch werk te doen lange tijd werd gebruikt, werd de moderne stoomturbine in 1884 ontworpen door de Engelse ingenieur Sir Charles Parsons.
De stoomturbine gebruikt stoom onder druk van een ketel als werkvloeistof. De oververhitte stoom die de turbine binnenkomt, verliest zijn druk (enthalpie) die door de rotorbladen beweegt, en de rotors bewegen de as waarmee ze zijn verbonden. Stoomturbines leveren vermogen met een gelijkmatige, constante snelheid en het thermisch rendement van een stoomturbine is hoger dan dat van een zuigermotor. De werking van de stoomturbine is optimaal bij hogere toerentallen.
Strikt genomen is de turbine slechts een enkel onderdeel van de cyclische werking die wordt gebruikt voor stroomopwekking, die idealiter wordt gemodelleerd door de Rankine-cyclus. De ketels, warmtewisselaars, pompen en condensors zijn ook onderdelen van de operatie, maar zijn geen onderdelen van de turbine.
In moderne dagen worden de stoomturbines voornamelijk gebruikt voor de opwekking van elektrische energie, maar aan het begin van de 20e eeuw werden stoomturbines gebruikt als energiecentrale voor schepen en locomotieven. Bij wijze van uitzondering worden in sommige scheepsvoortstuwingssystemen waar de dieselmotoren onpraktisch zijn, zoals vliegdekschepen en onderzeeërs, nog steeds de stoommachines gebruikt.
Meer over gasturbine
Gasturbinemotor of gewoon een gasturbine is een verbrandingsmotor die gassen zoals lucht als werkvloeistof gebruikt. Het thermodynamische aspect van de werking van de gasturbine wordt idealiter gemodelleerd door de Brayton-cyclus.
Een gasturbinemotor bestaat, in tegenstelling tot de stoomturbine, uit verschillende hoofdcomponenten; dat zijn de compressor, verbrandingskamer en turbine, die langs een roterende as zijn gemonteerd om verschillende taken van een verbrandingsmotor uit te voeren. Gasinlaat uit de inlaat wordt eerst gecomprimeerd met behulp van een axiale compressor; die precies het tegenovergestelde doet van een eenvoudige turbine. Het gas onder druk wordt vervolgens door een diffusor (een divergerende straalpijp) geleid, waarin het gas zijn snelheid verliest, maar de temperatuur en de druk verder verhoogt.
In de volgende fase komt gas de verbrandingskamer binnen waar een brandstof wordt gemengd met het gas en wordt ontstoken. Door de verbranding stijgen de temperatuur en druk van het gas tot een ongekend hoog niveau. Dit gas gaat vervolgens door het turbinegedeelte en produceert bij het passeren een roterende beweging naar de as. Een gasturbine van gemiddelde grootte produceert asrotatiesnelheden van wel 10.000 tpm, terwijl kleinere turbines 5 keer zoveel kunnen produceren.
Gasturbines kunnen worden gebruikt om koppel te produceren (door de roterende as), stuwkracht (door gasuitlaat met hoge snelheid) of beide in combinatie. In het eerste geval, zoals in de stoomturbine, is het mechanische werk dat door de as wordt geleverd slechts een transformatie van enthalpie (druk) van het hoge temperatuur- en drukgas. Een deel van het aswerk wordt gebruikt om de compressor door een intern mechanisme aan te drijven. Deze vorm van de gasturbine wordt voornamelijk gebruikt voor de opwekking van elektriciteit en als energiecentrale voor voertuigen zoals tanks en zelfs auto's. De Amerikaanse M1 Abrams-tank gebruikt een gasturbinemotor als energiecentrale.
In het tweede geval wordt het hogedrukgas door een convergerend mondstuk geleid om de snelheid te verhogen, en wordt de stuwkracht gegenereerd door het uitlaatgas. Dit type gasturbine wordt vaak straalmotor of turbojetmotor genoemd, die de militaire jachtvliegtuigen aandrijft. De turbofan is een geavanceerde variant van het bovenstaande, en de combinatie van zowel stuwkracht als arbeid wordt gebruikt in turbopropmotoren, waarbij aswerk wordt gebruikt om een propeller aan te drijven.
Er bestaan veel varianten van de gasturbines die zijn ontworpen voor specifieke taken. Ze hebben de voorkeur boven andere motoren (voornamelijk zuigermotoren) vanwege hun hoge vermogen-gewichtsverhouding, minder trillingen, hoge werksnelheden en betrouwbaarheid. De restwarmte wordt bijna volledig afgevoerd als uitlaat. Bij de opwekking van elektrische energie wordt deze afvalwarmte gebruikt om water te koken om een stoomturbine te laten draaien. Het proces staat bekend als gecombineerde energieopwekking.
Wat is het verschil tussen stoomturbine en gasturbine?
• Stoomturbine gebruikt stoom onder hoge druk als werkvloeistof, terwijl de gasturbine lucht of een ander gas als werkvloeistof gebruikt.
• Stoomturbine is in feite een expander die koppel levert als werkoutput, terwijl een gasturbine een gecombineerd apparaat is van compressor, verbrandingskamer en turbine die een cyclische bewerking uitvoert om werk te leveren als koppel of stuwkracht.
• Stoomturbine is slechts een onderdeel dat één stap van de Rankine-cyclus uitvoert, terwijl de gasturbinemotor de hele Brayton-cyclus uitvoert.
• Gasturbines kunnen koppel of stuwkracht leveren als werkoutput, terwijl stoomturbines bijna altijd koppel leveren als werkoutput.
• Het rendement van de gasturbines is veel hoger dan dat van de stoomturbine vanwege de hogere bedrijfstemperaturen van de gasturbines. (Gasturbines ~1500 0C en stoomturbines ~550 0C)
• De benodigde ruimte voor de gasturbines is veel minder dan bij het gebruik van een stoomturbine, omdat stoomturbines ketels en warmtewisselaars nodig hebben, die extern moeten worden aangesloten voor warmtetoevoeging.
• Gasturbines zijn veelzijdiger, omdat er veel brandstoffen kunnen worden gebruikt en werkvloeistof, die continu moet worden gevoed, overal gemakkelijk beschikbaar is (lucht). Stoomturbines, aan de andere kant, hebben grote hoeveelheden water nodig voor de werking en hebben de neiging om problemen te veroorzaken bij lagere temperaturen als gevolg van ijsvorming.
