Spaľovacia turbína
Spaľovacia turbína je tepelný stroj, ktorého pracovnou látkou sú spaliny vzniknuté spaľovaním paliva v spaľovacej komore. Vstreknuté palivo sa spaľuje so vzduchom, ktorý sa predtým stláča v kompresore. Spaliny pri prechode turbínou odovzdávajú jej lopatkám svoju kinetickú energiu.
1 – Vstup
2 – Nízkotlaká časť kompresora
3 – Vysokotlaká časť kompresora
4 – Spaľovanie
5 – Výstup spalín
6 – Horúca časť
7 – Turbína
8 – Spaľovacia komora
9 – Studená časť
10 – Vstup vzduchu
Spaľovacia turbína patrí do skupiny spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním, pretože spaľovacia komora je jej súčasť.
Princíp práce
Kompresor spaľovacej turbíny, váčšinou riešený ako lopatkový turbokompresor nasáva atmosférický vzduch ktorý stláča na vyšší tlak sprevádzaný vzostupom teploty. Stlačený vzduch sa vedie do spaľovacej komory, kam sa priebežne vstrekuje palivo, ktoré sa v stlačenom vzduchu spaľuje. Pretože spaľovacia komora nie je uzavretá, ale vedie spaliny na lopatky turbíny, dochádza len k miernemu nárastu tlaku spalín. Energia získaná spálením paliva sa premení hlavne na tepelnú a kinetickú energiu spalín. Na lopatkách turbíny sa časť energie spalín premieňa na mechanickú tým, že roztáča rotor turbíny. Časť vytvorenej mechanickej energie sa odvedie hriadeľom, časť sa použije na pohon turbokompresora. Zvyšná časť ostáva vo forme tepelnej a kinetickej energie spalín.
Pretože spaľovanie prebieha pri približne konštantnom tlaku, takáto turbína sa nazýva aj izobarická, alebo rovnotlaká. Jej zjednodušený teoretický model popisuje Eriksonov-Braytonov cyklus, alebo Jouleov-Braytonov cyklus pri predpoklade izotermickej kompresie a expanzie a úplnej regenerácie tepla.
Konštrukčné riešenia
Termodynamická a celková účinnosť rovnotlakých turbín je v jednoduchom jednohriadeľovom usporiadaní nízka, pohybuje sa na úrovni 30 až 50% účinnosti vznetových motorov.
Pre dosiahnutie vhodných vlastností pre rôzne účely použitia sa turbíny konštruujú v dvojhriadeľovom, prípadne viachriadeľovom usporiadaní. Jednotlivé hriadele spájajú turbínu s kompresorom, alebo odvádzajú efektívny výkon z turbíny von. Takéto riešenia obsahujú viacero kompresorov a viacero turbín, ktoré sú pneumaticky zapojené do série. To znamená že vzduch alebo spaliny prechádzajú postupne dvoma a viac obežnými kolesami a v každom sa zväčšuje kompresia, alebo expanzia. Pre ďalšie zlepšenie účinnosti môže byť do cesty zaradený aj výmenník tepla, v ktorom odchádzajúce spaliny ohrievajú prichádzajúci vzduch.
Kompresor
Kompresory spaľovacej turbíny sa podľa prevažujúceho prúdenia vzduchu delia na:
- axiálne – v ktorých vzduch prúdi prevažne v smere osi rotácie rotora.
- radiálne – v ktorých sa smer prúdenia mení, ale na významej časti dráhy je kolmý na os rotácie rotora.
Vlastnosti spaľovacích turbín
V porovaní s piestovými spaľovacími motormi majú turbiny výhody:
- nižší obsah škodlivín v spalinách
- malé nároky na kvalitu paliva
- vysoká pravidelnosť chodu a malá nevyváženosť
- ľahká štartovateľnosť
- nízka výkonová hmotnosť
- lepší priebeh točivého momentu z hľadiska trakčných požiadaviek
- schopnosť spracovávať nízke teplotné a tlakové spády, často inak nevyužiteľné,
ale aj nevýhody:
- vysoká merná spotreba paliva z dôvodu nízkych teplotných spádov – 700 °C, krátkodobo 1 400 °C
- z toho vyplývajúca nízka účinnosť
- malé akceleračné schopnosti
- vysoké tepelné namáhanie lopatiek a z toho vyplývajúca nízka životnosť
- vyššia hlučnosť
Využitie spaľovacích turbín
Spaľovacie turbíny našli uplatnenie pre pohon:
- cestných vozidiel – s výkonmi 100 – 500 kW
- rušňov – s výkonmi 1 300 – 3 550 kW, rôzne riešenia s 15 až 23 stupňovým kompresorom a 4 až 11 stupňovou turbínou
- lietadiel
- v turbovrtuľových jednotkách – využívajúcich prácu turbíny na pohon vrtule
- ako turbokompresorové prúdové motory – využívajúcich väčšiu časť energie spalín na vyvodenie reaktívnych síl
- ako náporové motory – bez kompresora, stlačenie vzduchu sa dosahuje rýchlosťou letu
- lodí – s výkonmi až do 100 000 kW
Zdroje
- Trnka J., Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava, 1992.
