Turbină 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 cantităţi de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei.[1][2] Turbina cu gaze mai este cunoscută şi sub denumirea de instalaţie de turbină cu gaze (ITG).

Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcţionează 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 şi 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 mişcări de rotaţie, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalaţiei mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviaţie, însă îşi găsesc aplicaţii 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.

Istoric

Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât a turbinelor în general, şi 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.[3]
  • În 1872 Dr. F. Stolger din Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcţionat niciodată independent.[3]
  • În 1903 norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze funcţională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoştinţe de aerodinamică a vremii. Turbina sa a reuşit 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 aplicaţie practică a unei turbine cu gaze.
  • În 1918 General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, îşi începe producţia de turbine cu gaze.
Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.
  • În 1930 englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reacţie).[4][5] Realizarea practică a acestui proiect s-a făcut însă abia în anul 1937. Compresorul acestui motor era de tip centrifugal, şi pe baza lui s-a dezvoltat motorul Rolls-Royce Welland, care a echipat avionul Gloster Meteor.
  • În 1936 Hans von Ohain şi Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacţie bazat pe un brevet propriu.[6][5] Compresorul acestui motor era de tip axial, şi pe baza lui s-a dezvoltat motorul Junkers Jumo 004 care a echipat avionul Messersmitt Me 262.

Clasificarea turbinelor cu gaze

În afară de clasificarea turbinelor termice în general, turbinele cu gaze se pot clasifica:[1] [2]

După destinaţie:

După modul de recuperare a căldurii evacuate

  • turbine cu recuperator;
  • turbine fără recuperator.

După felul ciclului în care lucrează

  • cu ciclu închis;
  • cu ciclu deschis.

Principiul de funcţionare

Ciclul Joule

Cea mai simplă turbină cu gaze este formată dintr-un compresor, care este montat pe acelaşi ax cu o turbină. Compresorul absoarbe aerul din atmosferă şi îl comprimă la presiunea de câţiva bar. Aerul comprimat ajunge într-o cameră de ardere, în care este introdus şi un combustibil. Aici are loc arderea la presiune constantă, cu creşterea temperaturii şi 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,[8] 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:[9][10]

unde este raportul de compresiep2 / p1, iar k este exponentul adiabatic al gazului.

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

Ciclul Joule real ( cu albastru), faţă de ciclul Joule ideal (cu negru).

Randamentul termic al ciclului Joule real fără recuperator, luând în considerare şi randamentele interne ale turbinei şi compresorului este: [11]

Pentru aer, un raport de compresie de 15, T1 = 300 K , T3 = 1500 K, = 0,85 şi = 0,75 (valori uzuale) randamentul ciclului real este de 0,300 , mult mai mic decât al ciclului ideal. Randamentul termic al ciclului Joule real are un maxim pentru un anumit raport de compresie (pentru exemplul de mai sus, chiar acel 15). În practică, randamentele efective (la cuplă) sunt şi mai mici decât cele termice, datorită influenţei randamentului mecanic al agregatului.

Ciclul Joule cu recuperator

Ciclul Joule cu recuperarea căldurii evacuate.

Pentru mărirea randamentului termic se folosesc recuperatoare care recuperează o parte din căldura evacuată odată cu gazele arse în atmosferă q4-4' şi o reintroduc în ciclu q2-2'. Randamentul termic al ciclului Joule ideal cu recuperator este: [12]

Pentru exemplul de mai sus cu = 15, din transformarea izoentropică se obţin T2 = 650 K , T4 = 692 K, cu care randamentul ciclului este de 0,567, ceva mai mare decât a ciclului fără recuperator. În exemplul prezentat diferenţa între T4 şi T2 este mică, deci câştigul dat de recuperator este mic. În practică este greu de obţinut o diferenţă de temperaturi mare, din cauza limitărilor date de materiale. În ciclul real influenţa recuperatorului este ceva mai mare, dar nu cu mult. Expresia matematică a randamentului termic al ciclului Joule real cu recuperator se complică foarte mult.

Ciclu cu fracţionarea compresiei sau a destinderii

O altă cale de îmbunătăţire a randamentului termic al ciclului este fracţionarea compresiei, cu răcirea intermediară a aerului, respectiv fracţionarea destinderii în turbină, cu reîncălzirea agentului termic, aspecte detaliate în ciclu termodinamic.

Realizarea practică a răcirii intermediare a aerului comprimat se poate face:

  • la turbine cu gaze de aviaţie, unde greutatea agregatului e critică, prin injecţie de apă între treptele compresorului;
  • la celelalte turbine, prin schimbătoare de căldură montate între trepte.

Realizarea practică a reîncălzirii gazelor se poate face:

  • prin arderea unei cantităţi suplimentare de combustibil în camere de ardere intermediare între corpurile turbinei;
  • prin schimbătoare de căldură montate între corpurile turbinei.

Ambele metode măresc mult dimensiunile instalaţiei şi nu sunt adecvate pentru turbinele cu gaze de aviaţie.

Ciclu deschis şi închis

La turbinele cu gaze care lucrează cu aer absorbit din atmosferă şi evacuează gazele de ardere tot în atmosferă (majoritatea cazurilor), ciclul nu este efectuat complet în instalaţie, transformarea 4-1 efectuându-se în atmosferă. Se spune că turbina lucrează în ciclu deschis. Dacă însă se foloseşte un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reţinut, caz în care toate transformările din ciclu se realizează în instalaţie, şi se spune că turbina lucrează în ciclu închis. Astfel de cicluri închise se întâlnesc în centrale nucleare, iar agentul termic este uzual dioxidul de carbon sau heliul.

Poluarea cauzată

Poluanţii emişi de turbinele cu gaze sunt aceiaşi ca în oricare alt proces de ardere: dioxizii de carbon (CO2) şi de sulf (SO2), monoxidul de carbon (CO) şi oxizii de azot (NOx).

Reducerea CO2 este limitată de fenomenul de ardere în sine, cantităţile emise fiind proporţionale cu cantităţile de combustibil ars. Reducerea acestor emisii se poate face prin îmbunătăţirea randamentului ciclului termic, îmbunătăţire care, pentru o putere dată a turbinei, determină un consum de combustibil mai redus.

Reducerea SO2 se poate obţine numai folosind un combustibil fără sulf. De aceea este preferat gazul natural. Dacă se folosesc combustibili lichizi (de exemplu la turbinele mobile), este preferabilă desulfurarea prealabilă a combustibilului la rafinărie.[13]

Reducerea CO se poate obţine printr-o ardere completă din punct de vedere chimic (ardere perfectă) a combustibilului, lucru care necesită cantităţi de aer sporite în procesul de ardere, însă acest lucru nu este o problemă la turbinele cu gaze, care oricum funcţionează cu cantităţi de aer mai mari decât strict cele necesare arderii. Eventualele urme pot fi eliminate prin metode SCR - reducere selectivă catalitică (engleză Selective Catalytic Reduction).[14]

Reducerea NOx se poate obţine prin scăderea temperaturilor de ardere, ceea ce însă afectează randamentul ciclului, sau prin reducerea chimică a NOx format, de exemplu prin procedee SCR sau SNCR - reducere selectivă necatalitică (engleză Selective Non-Catalytic Reduction). Ambele procedee au dezavantaje, SCR necesită catalizatori scumpi, care se consumă, iar SNCR produce emisii de amoniac (NH3).[14]

Măsurile de reducere ale poluanţilor sunt costisitoare şi se justifică în cazul emisiilor totale mari, în speţă pentru ţările industrializate.

Descrierea părţilor componente

Compresorul

Compresorul axial cu 17 trepte al unui turboreactor GE J79.

Rolul compresorului este de a realiza comprimarea agentului termic (de obicei aerul), realizând transformarea 1 – 2 din ciclul Joule. Se folosesc exclusiv compresoare cu palete.

Compresoarele pot fi:

Compresoarele centrifugale au un raport de compresie pe treaptă mai mare, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie mai puţine trepte, deci agregatul rezultă mai uşor. Randamentul acestor compresoare este însă mai mic. Compresorul centrifugal s-a folosit la primele motoare cu reacţie ale lui Frank Whittle, inclusiv la motorul Rolls-Royce Nene. Actual este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru elicoptere mici, agregate care trebuie să fie cât mai uşoare.

Compresoarele axiale au un raport de compresie pe treaptă mai mic, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie multe trepte, deci agregatul rezultă mai lung, însă de diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este mai bun. Compresorul axial este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru toate turbinele pentru propulsia avioanelor, unde contează diametrul mic şi randamentul bun, şi toate turbinele energetice, unde contează randamentul bun.

Camera de ardere

Camerele de ardere individuale ale unui turboreactor GE J79.

Rolul camerei de ardere este de a realiza introducerea căldurii în ciclu prin arderea unui combustibil, realizând transformarea 2 – 3 din ciclul Joule. Camerele de ardere au în interior o cămaşă răcită cu aerul de diluţie, cămaşă care ecranează flacăra şi protejează astfel corpul exterior al camerei. Aprinderea iniţială se face cu o bujie.

Camerele de ardere pot fi:

  • individuale;
  • inelare.

Camerele de ardere individuale sunt de formă tubulară şi se montează mai multe în jurul axului agregatului. În camerele de ardere individuale este mai uşor de asigurat stabilitatea arderii, adică se evită ruperea flăcării, iar în caz de rupere, ruperea nu se propagă în celelalte camere, ba din contră, acestea, prin canalizaţii prevăzute special în acest scop ajută la reaprindere. Nu întotdeauna fiecare cameră de ardere are bujie proprie, deoarece, cum s-a spus, camerele comunică între ele şi flacăra se transmite.

Camerele de ardere inelare au un spaţiu de ardere unic, inelar. În aceste camere este mai greu de stabilizat flacăra, dozajul aer-combustibil, vitezele de introducere a aerului prin diversele secţiuni şi geometria camerei fiind critice. Camerele inelare însă au mai puţine repere şi sunt mai uşoare, fiind din punct de vedere tehnologic mai evoluate.

Combustibilii folosiţi la turbinele cu gaze sunt:

Deşi camerele de ardere pot arde şi combustibili solizi (cărbune sub formă de praf), cenuşa conţinută de acest tip de combustibili este abrazivă, astfel că ei nu sunt folosiţi. Dacă totuşi se doreşte folosirea lor drept combustibili pentru turbine cu gaze, cea mai bună soluţie este gazeificarea lor prealabilă. De asemenea, gazele care conţin praf trebuie în prealabil desprăfuite.

Turbina

Turbina cu 3 trepte a unui turboreactor GE J79.

Rolul turbinei este de a realiza destinderea agentului termic (de obicei gaze de ardere), realizând transformarea 3 – 4 din ciclul Joule. Turbina transformă entalpia a gazelor întâi în energie cinetică, prin accelerarea prin destindere a agentului termic şi transformarea de către palete a acestei energii în lucru mecanic, transmis discurilor turbinei şi apoi arborelui.

Paleta unei turbine cu gaze Rolls-Royce/Turbo-Union RB 199. Pe bordul de atac se observă orificiile pentru obţinerea filmului de aer necesar pentru răcirea paletei.

Piesele esenţiale sunt ajutajele turbinei (a nu se confunda cu ajutajul unui turboreactor) şi paletele, piese supuse unor solicitări termice şi mecanice extreme. De aceea ele trebuie construite din materiale speciale, rezistente la temperaturi cât mai mari şi se prevăd cu sisteme de răcire. Actual, temperaturile la intrarea în turbină au depăşit în unele cazuri (turbine pentru avioane militare) temperatura de 1800 °C, paletele fiind făcute în acest caz din materiale ceramice poroase, prin porii lor circulând aer provenit de la compresor, relativ rece.

Arborele

Turboreactorul Rolls-Royce Olympus 593 cu doi arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionului Concorde.
Turboventilatorul Rolls-Royce RB 211 cu trei arbori coaxiali, folosit la motorizarea avionului Lockheed L-1011 „TriStar”.

Arborele turbinei asigură transmiterea puterii între turbină, compresor, cuplă, demaror, pompe etc. Un singur arbore nu asigură turaţiile optime pentru toate componentele, aşa că există construcţii pe unul sau pe mai mulţi arbori coaxiali.

  • Schemele cu un arbore sunt specifice primelor turbine cu gaze. Aceste scheme permit antrenarea compresorului la turaţia turbinei şi, printr-un reductor a elicelor, pompelor sau generatoarelor electrice.
  • Schemele cu doi arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune şi compresorul de înaltă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune, compresorul de joasă presiune şi eventual acţionarea reductorului. Aceste scheme sunt obişnuite la turbinele de aviaţia actuale.
  • Schemele cu trei arbori au pe arborele exterior turbina de înaltă presiune şi compresorul de înaltă presiune, pe arborele intermediar turbina de medie presiune şi compresorul de joasă presiune, iar pe arborele interior turbina de joasă presiune şi acţionarea reductorului. La schemele cu trei arbori este foarte dificilă coordonarea lor şi foarte puţini producători din lume dispun de tehnologia necesară în aceste caz.

Exemple de utilizări ale turbinelor cu gaze

Turbine cu gaze pentru aviaţie

Turboreactor cu compresor centrifugal.
Turboreactor cu compresor axial.

Turbinele cu gaze pentru aviaţie sunt cunoscute şi sub numele de motoare cu reacţie, însă denumirea de motor cu reacţie acoperă o arie mai largă, ea cuprinde şi agregatele de tracţiune prin reacţie care nu au turbine.

Turboreactorul[15] (engleză Turbojet) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la o presiune anume, peste presiunea atmosferică, astfel încât turbina extrage din fluxul de gaze arse doar puterea necesară antrenării compresorului. În continuare, gazele de ardere se destind până la presiunea atmosferică într-un ajutaj plasat după turbină, ajutaj care generează forţa de propulsie pentru avion. Turboreactoarele sunt eficiente la viteze de zbor relativ mari, cu numărul Mach peste 0,8 (cca. 900 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 800 km/h la nivelul zborului de croazieră).

Turbopropulsor.

Turbopropulsorul[15] (engleză Turboprop) este o turbină cu gaze la care destinderea în turbină se face până la presiunea atmosferică, astfel că turbina extrage din fluxul de gaze arse o putere mai mare decât cea necesară antrenării compresorului. Puterea în plus este folosită la antrenarea unei elice plasată în faţa motorului. Turbopropulsoarele sunt eficiente la viteze de zbor mai mici, cu numărul Mach între 0,5 şi 1,0 (cca. 600 – 1200 km/h la nivelul solului, respectiv cca. 500 – 1000 km/h la nivelul zborului de croazieră).

Turboventilator.

Turboventilatorul[15] (engleză Turbofan) este un turbopropulsor cu o elice carenată şi cu multe pale (numită ventilator), cu funcţionare economică şi generând un zgomot redus. O parte din fluxul de aer antrenat de ventilator intră în compresor, iar restul curge în jurul carenajului motorului, generând şi el o forţă de tracţiune.

Turbină de elicopter.

Turbina de elicopter[15] (engleză Turboshaft), zis şi motor cu turbină liberă[16] este similară unui turbopropulsor, diferenţa constând în faptul că puterea nu se transmite în faţă, unei elice de tracţiune, ci în spate, unui reductor care o distribuie elicelor rotorului principal.

Turbine cu gaze pentru tracţiune terestră

Au existat câteva tentative de realizare a unor autovehicule cu turbină cu gaze, de exemplu Rover - JET1 (1950) [17] şi Chrysler - câteva prototipuri (1950 – 1980). Toate au avut un consum de combustibil inacceptabil de mare, chiar pentru vremurile acelea. În 1993 General Motors a produs primul autovehicul comercial hibrid, acţionat de o turbină cu gaze.

Mai mult succes au avut turbinele cu gaze la autovehiculele de competiţie şi record. Maşini echipate cu turbine cu gaze au participat la cursele de la Le Mans (1963)[18] şi Indianapolis 500 (1967),[19] când s-au situat în fruntea curselor, dar n-au reuşit să le câştige din cauza fiabilităţii reduse a acestor prototipuri. În domeniul vitezei maxime terestre, maşini ca Green Monster,[20] acţionată de o turbină General Electric J79 (vezi componentele în figurile de mai sus), condusă de Art Arfons[21], Spirit of America,[22] acţionată tot de o turbină General Electric J79 şi condusă de Craig Breedlove[23] au deţinut multe recorduri mondiale. Maşina Thrust2[24] acţionată de o turbină Rolls-Royce Avon, condusă de Richard Noble [25] a fost prima care a depăşit viteza de 1000 km/h. Recordul mondial actual a fost stabilit de maşina ThrustSSC,[26] acţionată de două turbine Rolls-Royce Spey (varianta militară), condusă de Andy Green[27] şi este de 1227,99 km/h (Ma = 1,016 – supersonic).

În anul 2000 Marine Turbine Technologies Inc. a produs motocicleta MTT Turbine Superbike,[28] cunoscută şi sub numele de Y2K Turbine Superbike, echipată cu o turbină Rolls-Royce Allison 250, cu o putere de 238 kW, care este considerată cea mai puternică motocicletă de serie din lume şi care a atins viteza de 365 km/h.

Fișier:Gas Turbine Metropolitan Vickers 3000hp.jpg
Turbină pentru tracţiune feroviară fabricată de Metropolitan Vickers.[29]

Turbinele cu gaze au fost folosite şi pentru tracţiune feroviară la aşa-numitele turbotrenuri. Primele locomotive cu turbine de gaze au fost livrate de firma Brown-Boveri înainte de cel de al doilea război mondial. În Anglia, Metropolitan Vickers[29] a produs locomotive acţionate de turbine de gaze. Între anii 1948 şi 1970 Union Pacific a folosit pe scară largă locomotive din seria UP, acţionate de turbine de gaz de 1800 – 10000 hp fabricate de firma Westinghouse.[30]

Ca aplicaţii militare, se menţionează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate energetice la tancuri. Exemple sunt tancul american M1 Abrams[31] şi tancul sovietic/ rusesc T-80.[32]

Turbine cu gaze pentru tracţiune navală

Datorită raportului excelent putere/greutate, turbinele cu gaze au fost folosite şi la acţionarea navelor rapide. Exemple de astfel de nave au fost în Anglia vedetele MGB 2009 şi fregatele Type 81, în Suedia vedetele torpiloare din clasa 6 Spica, acţionate de turbine Proteus 1282 fabricate de Bristol Siddeley [33], în Finlanda corvetele din clasa Turunmaa, acţionate de turbine Rolls-Royce Olympus TMB3,[34] în Canada distrugătoarele port-elicopter din clasa Canadian Iroquois,[35] iar în SUA cuterele din clasa Hamilton ale U.S Coast Guard.[36]

Grupuri de turbosupraalimentare

Grup de turbosupraalimentare

Un grup de turbosupraalimentare este o mică turbină ce gaze, la care rolul de cameră de ardere îl joacă un motor cu combustie internă. Scopul nu este producerea de energie, ci alimentarea motorului cu aer comprimat, ceea ce duce la creşterea puterii şi randamentului termic al motorului. Turbina (în figură cu roşu) recuperează energia cinetică a gazelor evacuate din motor şi o foloseşte la antrenarea compresorului (în figură cu albastru).

Turbine cu gaze energetice

Fișier:Gas Turbine Sulzer 7500kW.jpg
Turbină energetică de 7,5 MW fabricată de Sulzer.[29]
Fișier:Gas Turbine Westinghouse 5000kW.jpg
Turbină energetică de 5 MW fabricată de Westinghouse.[29]

La aceste turbine nu se pune problema greutăţii sau spaţiului, aşa că ele pot beneficia de cele mai complexe scheme termice în vederea creşterii randamentului, dispun de obicei atât de răcirea intermediară a aerului în timpul compresiei cât şi de arderea fracţionată. Scopul principal este producerea energiei electrice şi, pentru mărirea economicităţii se tinde spre puteri tot mai mari. Se remarcă turbinele (în paranteză puterea la bornele generatorului electric):

Tot din categoria turbinelor energetice fac parte şi microturbinele. Dacă până nu demult prin microturbină se înţelegeau turbinele de câţiva kW sau câţiva zeci de kW, destinaţia lor fiind alimentarea cu energie a unei locuinţe individuale, actual se discută de microturbine de siliciu cu diametrul de câţiva mm, fabricaţia lor fiind bazată pe tehnologia fabricării semiconductorilor.[41] Aceste microturbine sunt destinate înlocuirii acumulatorilor din aparatele electronice, de exemplu computerele portabile, deoarece la dimensiuni comparabile cu ale bateriilor (incluzând şi rezervorul de combustibil) pot furniza cantităţi de energie mult mai mari.

Turbine cu gaze fabricate în România

În 1975 Turbomecanica începe fabricaţia turbinelor cu gaze pentru tracţiune. Aici s-au fabricat sub licenţă motoarele Viper MK 632-41 (licenţă Rolls-Royce) Artouste III-B şi Turmo IV CA (licenţe Turbomeca).[42]

  • Turbina cu gaze Viper MK 632-41[43] este un turboreactor care echipează avioanele IAR 93 (câte două agregate pe un avion) şi IAR 99 „Şoim” (un agregat pe un avion). Este o turbină cu un singur arbore, compresorul având 8 trepte, iar turbina 2 trepte. Camera de ardere este inelară. Masa sa este de 378 kg, iar turaţia este de 230 rot/s. Realizează o tracţiune la punct fix de 17,60 kN (4000 lbs) în acord cu limitările NATO privind aplicaţiile militare pentru ţările care la vremea respectivă nu făceau parte din această organizaţie.
Turbina cu gaze Artouste III-B.
  • Turbina cu gaze Artouste III-B[43] este un agregat care propulsează elicopterul IAR 316 B (Alouette III). Este o turbină cu greutatea de 178 kg, turaţia de 558 rot/s şi care produce o putere la cuplă de 405 kW.
  • Turbina cu gaze Turmo IV CA[43] este un agregat care propulsează elicopterul IAR 330 „Puma” (câte două agregate pe un elicopter). Este o turbină cu greutatea de 227 kg, care produce o putere la cuplă de 1115 kW.

De asemenea, la Hidromecanica Braşov s-au fabricat (şi se mai fabrică) grupuri de turbosupraalimentare pentru motoarele cu combustie internă fabricate în România,[44] exemple fiind grupurile VTR-200 şi VTR-250,[45] care fac parte din seria TR.

În 1980 Tehnoimportexport a obţinut de la Rolls-Royce licenţa de fabricaţie a turboventilatorului Spey 512-14 DW civil, pentru echiparea avionului ROMBAC 1-11-500.[42]

Avantaje, dezavantaje şi perspective

Avantajele turbinelor cu gaze
  • foarte bun raport putere/greutate;[46]
  • dimensiuni reduse;[46]
  • timp de pornire scurt (5 ... 30 min);[47]
  • mişcare de rotaţie uniformă (nu alternativă), echilibrare foarte bună;[46]
  • vibraţii reduse;[46]
  • la ITG energetice, costul investiţiei şi timpul de dare în funcţiune sunt mult mai mici în comparaţie cu instalaţiile cu turbine cu abur;[48]
  • pot funcţiona fără apă de răcire, important în zone unde apa este deficitară, de exemplu în deşert.[47]
Dezavantajele turbinelor cu gaze
  • randament termic nu prea ridicat;
  • scăderea pronunţată a randamentului şi performanţelor în regimuri diferite de regimul pentru care au fost proiectate, (la sarcini parţiale);
  • o oarecare inerţie la modificarea turaţiei;
  • fabricaţie dificilă, necesită tehnologii înalte;
  • materiale speciale, rezistente la temperaturi înalte, scumpe;
  • întreţinere pretenţioasă, reparaţii planificate dese.
Perspective

O comparaţie cu competitorii săi se poate face doar pe domenii.

  • La autovehicule, dimensiunile motorului nu sunt chiar critice, iar vibraţiile motoarelor cu piston sunt acceptabile, ca urmare dezavantajele turbinelor se manifestă din plin. În acest domeniu turbinele cu gaze îşi găsesc însă aplicabilitatea ca grupuri de turbosupraalimentare.
  • La tancuri, randamentul termic mai scăzut nu este un impediment, costurile sunt acceptate de statele dezvoltate, iar puterea imensă dezvoltată de turbine asigură mobilitatea pe câmpul de luptă, avantaj care poate fi decisiv.
  • În domeniul feroviar, greutatea nu contează, deoarece pentru a avea forţă la cârlig sarcina pe osie a locomotivelor trebuie să fie apropiată de cea maximă admisă. Aici randamentul termic scăzut şi costurile îşi spun cuvântul, fiind preferate motoarele cu piston sau cele electrice.
  • În domeniul naval civil situaţia este similară cu cea din domeniul feroviar. În domeniul naval militar situaţia este similară cu cea de la tancuri.
  • În domeniul aviaţiei sunt două situaţii. În aviaţia comercială şi militară raportul putere/greutate primează asupra oricăror alte considerente, aşa că dominaţia turbinelor cu gaze este totală. În domeniul aviaţiei utilitare, sportive şi de agrement, costurile limitează folosirea turbinelor cu gaze, fiind preferate motoarele cu piston, mult mai ieftine şi cu întreţinere simplă.
  • În domeniul energetic randamentul termic mai scăzut limitează utilizarea turbinelor cu gaze ca agregate independente în regim de bază, fiind preferate turbinele cu abur. Totuşi, pornirea de la rece (din rezervă rece) a unui agregat energetic cu turbine cu gaze se poate face în timpi de ordinul minutelor, faţă de timpi de ordinul orelor la turbinele cu abur, ceea ce face ca agregatele cu turbine cu gaze să fie de neînlocuit ca unităţi de vârf[47] în sistemele energetice care nu dispun de hidrocentrale cu lac de acumulare. Tot în domeniul energetic turbinele cu gaze lucrând în cicluri combinate abur-gaz (în serie cu turbine cu abur) fac ca randamentul termic al termocentralelor de acest tip să fie foarte ridicat, de 55 – 58 %, ceea ce face ca ele să aibă în acest domeniu un mare viitor.[47]

Note

  1. ^ a b c MIT, op. cit. p.105
  2. ^ a b LTR, Turbină cu gaze"
  3. ^ a b Creţa, op. cit. p.35
  4. ^ Ispas, op. cit. p.42
  5. ^ a b Creţa, op. cit. p.40
  6. ^ Ispas, op. cit. p.43
  7. ^ Theil, op. cit. p.359
  8. ^ MIT, op. cit. p.116
  9. ^ MIT, op. cit. p.118
  10. ^ Theil, op. cit. p.361
  11. ^ Theil, op. cit. p.362
  12. ^ Theil, op. cit. p.365
  13. ^ en Ultra-Low Sulfur Diesel Washington State University Extension Energy Program
  14. ^ a b en Rajat Kapoor, Keith C. Kaufman Reducing Gas Turbine Emissions Pollution Engineering, 8 octombrie 2006
  15. ^ a b c d Ispas, op. cit. p.79
  16. ^ Ispas, op. cit. p.81
  17. ^ Creţa, op. cit. p.41
  18. ^ en Rover BRM Gas Turbine Le Mans 1963
  19. ^ en 1967 INDY Gas Turbine Car
  20. ^ en Art Arfons and His Green Monster (1967)
  21. ^ en Art Arfons
  22. ^ en Spirit Of America driven by Craig Breedlove
  23. ^ en Craig Breedlove
  24. ^ en Richard Noble and Thrust 2
  25. ^ en Richard Noble Obe - Thrust 2 & SSC
  26. ^ en Supersonic Race Status - Wednesday 9th July 2003
  27. ^ en Andy Green and Thrust SSC
  28. ^ en MTT Turbine Superbike
  29. ^ a b c d Şubenko-Şubin, op. cit.
  30. ^ en Gas Turbine Locomotives
  31. ^ en M1 Abrams Main Battle Tank
  32. ^ ru Основной танк Т-80
  33. ^ en T 121 Spica
  34. ^ en Turunmaa
  35. ^ en Meet the IROQUOIS
  36. ^ en WHEC 378' Hamilton class
  37. ^ en MS7001FA Gas Turbines
  38. ^ en MS9001FA Gas Turbines
  39. ^ en GT24 and GT26 Gas Turbines
  40. ^ en Siemens - Large Scale 50 Hz
  41. ^ en Allan Epstein – microturbine
  42. ^ a b en The age of jet engines
  43. ^ a b c Creţa, op. cit. p.45
  44. ^ Creţa, op. cit. p.46
  45. ^ Creţa, op. cit. p.720
  46. ^ a b c d MIT, op. cit. p.106
  47. ^ a b c d Creţa, op. cit. p.38
  48. ^ Creţa, op. cit. p.37

Bibliografie

  • Răduleţ, R. şi colab. Lexiconul Tehnic Român (LTR), Editura Tehnică, Bucureşti, 1957-1966.
  • Popa, Bazil (). Manualul inginerului termotehnician, (MIT), vol 2 (ed. Ed. a 2-a). Bucureşti: Editura Tehnică. 
  • Creţa, Gavril (). Turbine cu abur şi cu gaze (ed. Ed. a 2-a). Bucureşti: Editura Tehnică. ISBN 973-31-0965-7. 
  • Ispas, Ştefan (). Motorul turboreactor – istorie, prezent, perspective. Bucureşti: Editura Tehnică. ISBN 973-31-0273-3. 
  • Theil, Helmut (). Termothnică şi maşini termice. Timişoara: Litografia Univ. „Politehnica”. 
  • Şubenko-Şubin, L. A. (). Atlas - Konstrukţii i shem gazoturbinîh ustanovok. Kiev: Moskva. 

Bibliografie adiţională

Alte lucrări pe profil care se găsesc în bibliotecile din România:

  • it Momi Bartorelli Le moderne Turbine a gas, Ed Ulrico Hoepli, Milano, 1949
  • G. S. Jiriţki Turbine cu gaze pentru aviaţie, (traducere din limba rusă), Editura Tehnică, Bucureşti, 1952.
  • V. Pimsner ş.a. Procese în maşini termice cu palete - aplicaţii şi probleme, Editura Tehnică, Bucureşti, 1986.

Vezi şi

Legături externe