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Halbquerschnitt einer Gasturbine

GE H-Serie Industriegasturbine: in STEG Konfiguration, Leistung 480 MW, Wirkungsgrad 60%

EIN Gasturbine ist eine kontinuierliche Verbrennungsmotor in welchem Energieumwandlungen zur Erzeugung chemischer Energie (Treibstoff) in eine andere nutzbare Energieform, wie z kinetische Energie (Bewegung), Wärme oder (indirekt) Elektrizität. Gasturbinen werden auch als Flugzeugtriebwerke/Düsentriebwerk.

Struktur und Namen

Eine Gasturbine besteht aus drei Hauptteilen, dem Kompressor, das Brennkammer und der Turbine. Der Kompressor soll die Ansaugluft verdichten. Der in die Druckluft eingespritzte Kraftstoff wird in der Brennkammer verbrannt. Das entstehende Heißgas entspannt sich in der Turbine. Die Turbine treibt den Kompressor und den Überschuss an Leistung wird der Abtriebswelle zugeführt. Manchmal ist der Kompressor in zwei Teilen konstruiert: Niederdruck- und Hochdruckkompressor. Die Turbine kann auch aus zwei Teilen bestehen: Hochdruck- und Niederdruckturbine. In diesem Fall wird die Niederdruckturbine auch als Arbeitsturbine bezeichnet. Kraftturbine). Die Gesamtheit des/der Verdichter(s), der Brennkammer und der Turbine(n) wird als Gasturbine bezeichnet. Der Teil der Gasturbine, der die heißen Gase an die Arbeitsturbine liefert, wird als bezeichnet Gasgenerator erwähnt. Dieser Abschnitt besteht aus dem Verdichter, der Brennkammer und der Hochdruckturbine.

Energie

Die Energieflüsse in einer Gasturbine sind wie folgt. Die chemische Energie (im Kraftstoff) wird im Brennraum in potentielle Energie (Temperatur und Druck) umgewandelt. Diese potentielle Energie ist im Düse der Turbine, in kinetische Energie umgewandelt. Da die Richtung des Gases in der Turbine ständig geändert wird, drückt das Gas die Turbinenschaufeln nach vorne. Dies bewirkt mechanische Energie. Der Rotor der Turbine wird gedreht. Ungefähr 60 % der Rotation des Rotors (die mechanische Energie) wird verwendet, um den Kompressor anzutreiben. Im Kompressor wird die mechanische Energie in potentielle Energie der Luft umgewandelt. Die Luft wird komprimiert, wodurch sie unter Druck durch die Brennkammer strömt. Die restlichen 40% werden verwendet für Arbeit. Diese Arbeit kann verwendet werden, um zum Beispiel a Generator oder ein Pumpe. Die nach der Entspannung in der Turbine noch in den Rauchgasen enthaltene thermische Energie kann zur Dampferzeugung genutzt werden. Optional kann der Dampfkessel zusätzlich befeuert werden, um die Dampfproduktion zu erhöhen. Wird dieser Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine mit eventuell dahinterliegendem Generator verwendet, spricht man von a STEGInstallation. Wird der Dampf (Wärme) für andere Zwecke genutzt, beispielsweise zum Heizen, oder in einem Raffinationsprozess, spricht man von einem Kraft-Wärme-Kopplungsprozess oder Kraft-Wärme-Kopplung.

Umgebung

Eine Gasturbine ist ursprünglich eine recht umweltfreundliche Energiequelle, da Brennstoffe verwendet werden können, die relativ niedrige Kohlenstoffgehalte enthalten, wie zum Beispiel:

1. Erdgas: Verbrennung erzeugt mehr Wasserdampf als Kohlendioxid
2. Kerosin: Dies ist der Kraftstoff, der in Flugzeugen verwendet wird und dessen Emissionen irgendwo zwischen Benzin- und Dieselverbrennungsverbranding liegen
3. Wasserstoff: hier entsteht nur Wasserdampf (2 H₂ Ö₂ → 2 H₂Ö)
4. Synthesegas

Außerdem enthalten die meisten für den Einsatz in Gasturbinen geeigneten Brennstoffe fast keine Schwefel was brennt Schwefeldioxid: SO₂, eine der Hauptursachen für saurer Regen.

Aufgrund der hohen Flammentemperaturen in den Brennkammern der Gasturbine und des Vorhandenseins großer Mengen an Sauerstoff und Stickstoff- Hier können viele Stickoxide entstehen. Stickoxide wirken je nach Zusammensetzung versauernd oder treibhausanregend auf die Umwelt und können eine der Ursachen für Smog. Die Bildung von Stickoxiden kann durch eine Absenkung der Flammentemperatur, beispielsweise durch Dampfeindüsung, oder durch eine Verkürzung der Verweilzeit des Gasgemisches in der Flamme verhindert werden. Dies kann erreicht werden, indem man statt einer oder zweier Brennkammern mit einer großen Flamme einen Ring aus vielen kurzen Brennkammern mit mehreren Flammen baut. Eine Reduzierung der Stickoxid-Emissionen ist auch durch eine selektive katalytische Reduktion oder ein selektive nicht-katalytische Reduktion. Eine andere Möglichkeit ist die gestufte Verbrennung, bei der Brennstoff und Luft intensiv vorgemischt werden. Dieses Verfahren verhindert auch die Bildung von CO (Kohlenmonoxid), das bei einer Absenkung der Flammentemperatur erhöht wird.

Entwicklung der Gasturbine

Seit 1940 ist die Entwicklung der Gasturbine rasant. Dies ist vor allem auf die Ergebnisse der kontinuierlichen Forschung im Bereich der hitzebeständigen Werkstoffe zurückzuführen. Die höchste in der Maschine auftretende Temperatur ist von großer Bedeutung für ein gutes a Effizienz.

Ein starker Impuls für die Entwicklung von Gasturbinen kam von der Flugzeugindustrie. Die Gasturbine erwies sich als besonders geeignet als Ersatz für die bisher verwendeten komplizierten und anfälligen Kolbenmotoren auf Flugzeugen. Die Gasturbine ist zuverlässig, sie hat wenige bewegliche Teile und die Leistung pro kg Masse ist hoch.

Die Entwicklung stationärer Gasturbinen zum Antrieb von beispielsweise Generatoren zur Stromerzeugung hat zwei Wege beschritten. Einige Hersteller haben dafür besonders geeignete Gasturbinen konstruiert, also relativ schwere Maschinen, die unterschiedliche Brennstoffe verbrennen können. Andere Hersteller haben ihr ursprüngliches Flugzeugturbinendesign beibehalten (Düsentriebwerk) so angepasst, dass diese Maschine auch für den stationären Einsatz geeignet ist. Beide Typen stationärer Gasturbinen sind heute weit verbreitet.

Nahezu alle Flugzeuge werden von Gasturbinen in Form von Propellertriebwerken (Turboprop) oder Düsentriebwerke (Turbojet, Turbowelle oder Turbolüfter), angetrieben. Die aus diesen Strahltriebwerken entwickelten Landversionen von Gasturbinen werden in Kleinkraftwerken, auf Ölförderplattformen und auf Schiffen eingesetzt. Die für die Landnutzung entwickelten schweren Gasturbinen werden häufig in STEG(Dampf und Gas), eine Kombination von Dampfturbinen mit Gasturbinen. Darüber hinaus gibt es viele Unternehmen und Institutionen, die mit einer Kombianlage Strom und Wärme selbst erzeugen für kombiniert Wärme und Kraft (BHKW), bei dem eine oder mehrere Gasturbinen eine unverzichtbare Rolle spielen. In Frankreich wurde der Prototyp des TGV von Gasturbinen angetrieben. Auch eine Reihe von Zügen, die RTG (Rame à Turbine à Gaz, ebenfalls Turbozug) wurde von einer Gasturbine angetrieben.

Auf Handelsschiffen ist im Allgemeinen Dieselmotoren anstelle von Gasturbinen eingebaut, aufgrund der Möglichkeit des Einsatzes in Dieselmotoren Heizöl und wegen des günstigeren Wirkungsgrades des Diesels in diesen relativ kleinen Anlagen. Gasturbinen finden sich jedoch auf Marine- und Fährschiffen, da für diese Anwendungen die Vorteile der Gasturbine gegenüber dem Dieselmotor (kompakte Bauweise, vibrationsfreier Betrieb, schnell auf volle Leistung gebracht werden können).

Stationäre Gasturbine

Der Arbeitsprozess

Die Skizze zeigt eine Gasturbine, die nach dem elementaren Arbeitsprozess arbeitet. Im Prinzip eine Gasturbine, genau wie ein Dieselmotor oder ein Gemischmotor (Otto-Motor), eine Maschine mit Verbrennungsmotor. Der der Maschine nachfolgende Arbeitsprozess umfasst wie bei den oben genannten Motoren die Stufen Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (oder Erwärmen), Expansion und Ausstoßen. Somit ist es ohne Zweifel möglich, den Arbeitsprozess der Gasturbine mit dem Arbeitsprozess einer Brennkraftmaschine zu vergleichen. Es gibt jedoch charakteristische Unterschiede zwischen dem Kreisprozess einer Gasturbine und dem eines Verbrennungsmotors.

p-V- und T-s-Diagramm des Brayton-Zyklus

Arbeitsprozesse eines Verbrennungsmotors und einer Gasturbine können Druck-Volumen (p-V) und in Temperatur-Entropie (T-s) Diagramme werden sichtbar gemacht. In der nebenstehenden Abbildung erfolgt dies für den Gasturbinenprozess. Das Volumen wird in m³/kg ausgedrückt, die bestimmtes Volumen, nicht in m³ wie bei einer Kolbenmaschine. Dieser Vorgang wird als bezeichnet Brayton- oder Joule-Zyklus erwähnt. Der Brayton-Zyklus besteht aus folgenden Zustandsänderungen:

1 bis 2 Verdichtung der Ansaugluft durch einen mehrstufigen Verdichter, teilweise aufgeteilt in einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter. Ausgangsbedingungen: Atmosphärendruck und Temperatur. Endbedingungen: 6 bis 30 bar und 240 bis 500 °C.

2 bis 3 Weitere Erwärmung der Luft durch Verbrennung von Brennstoff bei praktisch gleichem Druck. Endbedingungen: 6 bis 30 bar und 900 bis 1200 °C.

3 bis 4 Entspannung der Heißgase in der Turbinensektion auf Atmosphärendruck. Manchmal gibt es zwei Turbinen hintereinander: die Hochdruck- und die Niederdruckturbine. Endbedingungen: Atmosphärendruck und ca. 500 °C.

4 zu 1 Abkühlung der Gase in der Atmosphäre auf Umgebungstemperatur (dies geschieht außerhalb der Gasturbine). An Punkt 4 werden die Gase, die immer noch eine hohe Temperatur aufweisen, in die Atmosphäre abgelassen. Die Abgase kehren nicht zum Verdichtereinlass zurück. Im Diagramm gibt es also keine Verbindung zwischen Punkt 4 und Punkt 1, a offener Kreislauf, dh Luft, die den Prozess durchlaufen hat, kehrt nicht in den Kreislauf zurück.

Eigenschaften des Gasturbinenprozesses:

• Nur etwa ein Viertel der angesaugten und verdichteten Luft wird für die Verbrennung verwendet. Der Rest der Luft wird durch diese Verbrennung erhitzt. Beim Verlassen der Brennkammer enthält das Gemisch aus Luft und Verbrennungsgasen noch 15 bis 16 % Sauerstoff. Vergleichen Sie dies beispielsweise mit dem Dieselverfahren, bei dem fast die gesamte angesaugte Luft zur Verbrennung verwendet wird.
• Die Erwärmung der Luft (2 bis 3 im p-V-Diagramm) erfolgt theoretisch bei konstantem Druck. In der Praxis wird der Druck jedoch aufgrund der Strömungsverluste in der Brennkammer leicht abfallen. (Vergleichen Sie dies mit einem Verbrennungsmotor, bei dem der Druck im Allgemeinen während der Verbrennung ansteigt).
• Die Expansion der Luft (3 bis 4 im Diagramm) setzt sich fort, bis Atmosphärendruck erreicht ist. Bei einem Verbrennungsmotor wird die Expansion früher unterbrochen, weil zum Abführen der Verbrennungsgase über Anschlüsse oder Ventile ein gewisser Überdruck erforderlich ist.
• Der Gasturbinenprozess läuft kontinuierlich ab. Es ist also kein unterbrochener Prozess wie bei Zweitakt oder Viertakt Kolbenmotoren, sondern ein kontinuierlicher Einlass, Kompression, Erwärmung, Expansion und Auslass. Dies bedeutet, dass die Gasturbine auf der Abtriebswelle eine Konstante Paar Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber dem ungleichmäßigen Drehmoment, das eine Kolbenmaschine liefert.
• Der Brayton/Joule-Arbeitsprozess lässt sich in relativ großen Maschinen realisieren, sodass problemlos Leistungen bis 300 MW in einer Maschine erzeugt werden können.
• Die Gasturbine muss wie ein Verbrennungsmotor mit Hilfe eines Anlassers gestartet werden. Der Anlasser ist ein Dieselmotor, a Dampfturbine, ein Gasexpansionsturbine, ein Hydromotor oder ein Elektromotor. Die Startmaschine bringt die Gasturbine auf eine solche Drehzahl, dass der Arbeitsprozess der Gasturbine beginnen kann.

Theoretischer und praktischer Gasturbinenzyklus

Als Zusammenfassung des Vorstehenden zeigt die Figur die Form des praktischen p-V- und T-s-Diagramms (1' - 2' - 3' - 4') relativ zum theoretischen Brayton-Zyklus (1 - 2 - 3 - 4). Zwischen dem theoretischen Prozess und dem tatsächlichen Prozess treten folgende Unterschiede (Verluste) auf:

1. Aufgrund des Widerstands im Luftversorgungssystem saugt der Kompressor Luft mit einem etwas niedrigeren Druck als Atmosphärendruck (1 bis 1') an. Dies senkt auch den Verdichterenddruck.
2. Die Kompression geht mit Verlusten einher (2 bis 2'), die Entropie nimmt zu.
3. Beim Aufheizen in der Brennkammer (3 bis 3') fällt der Druck leicht ab.
4. Die Expansion ist mit Verlusten verbunden (die Entropie nimmt zu)
5. Aufgrund des Widerstands im Abgaskanal ist der Abgasdruck etwas höher als atmosphärisch (4 bis 4').

Arbeit und Macht

Arbeit

Die verschiedenen Teile der Gasturbine liefern oder verbrauchen eine Arbeitsmenge pro kg strömendem Medium, die gegeben ist durch:

${Anzeigestil W = Cpi imes Delta T}$ [kJ/kg Luft)

Darin ist:

W = Arbeit pro kg Luft [kJ]

cp = spezifische Wärme des strömenden Mediums [kJ/kg K]

ΔT = Temperaturanstieg oder -abfall über den entsprechenden Teil [°C oder K]

Bestimmung von Cp und k für eine Gasturbine

ΔT ist für den Kompressor (T2 - T1), für die Brennkammer (T3 - T2), für die Turbine (T3 - T4) und für den Auspuff (T4 - T1). Die Berechnung wird dadurch erschwert, dass für jedes Teil die spezifische Wärme des durchströmenden Mediums ermittelt werden muss. Für den Verdichter ist das Luft, aber für die Brennkammer, die Turbine und das Abgas ist es Luft, vermischt mit Verbrennungsgasen. Das cp-Wert hängt von zwei Größen ab:

• die durchschnittliche Temperatur über das Teil
• die Menge der Verbrennungsgase in der Luft. Letzterer wird als Prozentsatz des in der Luft verbrannten Kraftstoffs angegeben. Bei einer Gasturbine sind dies bei Volllast etwa 2%.

Eine ähnliche Argumentation gilt für die Suche nach dem kWert, der adiabatische Exponent, der sich auch je nach Teil der Gasturbine unterscheidet. Das kWert wird in thermodynamischen Berechnungen benötigt.

Die Abbildung zeigt, wie die cp-Wert und die kWert gefunden werden kann. Zwei Beispiele:

(Blaue Linien) Der Kompressor arbeitet mit Luft, daher sind die Leitungen für cp und k mit einem Kraftstoffanteil von 0 gelten.

Annehmen: T1 = 15 °C, T2' = 300°C.

Die mittlere Temperatur im Kompressor beträgt (15 300)/2 = 157,5 °C.

Bestimmen Sie aus dem Graphen die cpc und der kc Werte: cpc = 1,02 [kJ/kgK], kc = 1,39 [dimensionslos]

(Rote Linien) Die Brennkammer arbeitet mit Luft gemischt mit Verbrennungsgasen. Dazu muss man zunächst wissen, wie hoch der Kraftstoffanteil in der Luft ist. Angenommen, dies sind 2%, dann sind die Linien für cp und k wobei Kraftstoffprozentsatz 2 angezeigt wird.

Annehmen: T2' = 300°C, T3 = 1000°C.

Die durchschnittliche Temperatur in der Brennkammer beträgt: (300 1000)/2 = 650 °C.

Bestimmen Sie die Cpv- und die kv-Werte aus dem Diagramm: cpv = 1,16 [kJ/kgK], kv = 1,33 [dimensionslos]

Leistung

Es Leistung die jeder Teil der Gasturbine liefert oder aufnimmt, wird berechnet mit:

Leistung = Arbeit × Massenstrom Gase [kW = kJ/kg × kg/s]

Arbeit in einer Gasturbine

Die Rückkehr

Eine wichtige Frage für jeden Verbrennungsmotor ist, welcher Wirkungsgrad erreicht werden kann, also wie viel Prozent der zugeführten Energie (Kraftstoff) als Nutzarbeit an der Abtriebswelle zur Verfügung stehen? Der Wirkungsgrad lässt sich mit den verfügbaren Formeln aus der Thermodynamik berechnen. Im Allgemeinen wird die Effizienz eines Prozesses ausgedrückt als:

Wirkungsgrad = hierfür benötigte Nutzarbeit / Brennstoffenergie

Beim Brayton-Zyklus ist die gewonnene Nutzenergie die mechanische Arbeit, die die Turbine an die Abtriebswelle liefert (Was). Der Kompressor nimmt einen Teil davon auf: Toilette. Es gilt also:

${displaystyle W_{as}=W_{t}-W_{c}}$ [kJ/kg]

Die an der Welle verrichtete Arbeit entspricht aber auch der Differenz der zugeführten Wärme Q1 (Brennstoff) und die Abwärme Q2 (Auspuff). So:

${displaystyle W_{as}=Q_{1}-Q_{2}}$ [kJ/kg]

Der Wirkungsgrad ηgt kann somit auf zwei Arten bestimmt werden:

${displaystyle eta _{gt}={frac {W_{t}-W_{c}}{Q_{1}}} imes 100 }$ oder: ${displaystyle eta _{gt}={frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}} imes 100 }$[%]

Sankey-Diagramm der Energieströme in einer Gasturbine, einschließlich der Kreisarbeit

In einem Sankey-Diagramm zeigt die Energieflüsse in der Gasturbine inklusive der zum Antrieb des Verdichters erforderlichen Arbeit. Auch diese Arbeit wird von der Turbine geleistet. Die erforderliche Arbeit pro kg Luft vom Kompressor kann grob auf das 1- bis 1,5-fache der Nutzarbeit an der Abtriebswelle pro kg Luft eingestellt werden. Dies ist ein erheblicher Arbeitsaufwand. Glücklicherweise kommt diese Arbeit größtenteils wieder der Turbine zugute. Nach dem Passieren der Brennkammer treibt die Druckluft des Verdichters auch die Turbine an. Diese Kreisarbeit stellt das beiliegende Sankey-Diagramm dar. Die Abbildung zeigt die der zugeführten Brennstoffenergie:

• 25 bis 43 % wenn Nutzarbeit an der Welle geleistet wird (also: Gasturbinenwirkungsgrad 25 bis 43 %)
• 55 bis 73 %, wenn Wärme in den Auspuff gelangt
• 2% gehen als Strahlung und mechanische Verluste verloren

Die Zahlen unterscheiden sich stark je nach Gasturbinentyp. Mit der Energie in den Abgasen, kombiniert Wärme und Kraft (BHKW) wird viel Energie in Form von Heißwasser, Dampf oder Prozessenergie für ein petrochemisches Unternehmen zurückgewonnen. Als die Wärmeenergie für das Unternehmen, in dem die Gasturbine arbeitet, ist ebenso wichtig wie die erzeugte mechanische Energie, dann wird bewusst eine Gasturbine mit geringerem Wirkungsgrad gewählt, die relativ mehr Wärmeenergie in das Abgas liefert.

Siehe auch

• Expansionsturbine
• Turbojet
• Turboprop
• Turbofan
• Axialkompressor
• Radialverdichter
• Brennkammer (Gasturbine)
• Turbine (Gasturbine)

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