Στροβίλου αερίου εναντίον ατμοστρόβιλου
Οι τουρμπίνες είναι μια κατηγορία στροβιλομηχανών που χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή της ενέργειας ενός ρέοντος ρευστού σε μηχανική ενέργεια με τη χρήση μηχανισμών ρότορα. Οι τουρμπίνες, γενικά, μετατρέπουν είτε τη θερμική είτε την κινητική ενέργεια του ρευστού σε έργο. Οι αεριοστρόβιλοι και οι ατμοστρόβιλοι είναι θερμικά στροβιλομηχανήματα, όπου το έργο παράγεται από την αλλαγή της ενθαλπίας του ρευστού εργασίας. δηλ. η δυναμική ενέργεια του ρευστού υπό μορφή πίεσης μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια.
Με βάση την κατεύθυνση της ροής του ρευστού, οι στρόβιλοι κατηγοριοποιούνται σε στροβίλους αξονικής ροής και στροβίλους ακτινικής ροής. Τεχνικά ένας στρόβιλος είναι ένας διαστολέας, ο οποίος παρέχει μηχανική απόδοση εργασίας με τη μείωση της πίεσης, η οποία είναι η αντίθετη λειτουργία του συμπιεστή. Αυτό το άρθρο εστιάζει στον τύπο του στροβίλου αξονικής ροής, ο οποίος είναι πιο κοινός σε πολλές εφαρμογές μηχανικής.
Η βασική δομή ενός στροβίλου αξονικής ροής έχει σχεδιαστεί για να επιτρέπει τη συνεχή ροή ρευστού κατά την εξαγωγή της ενέργειας. Στους θερμικούς στρόβιλους, το λειτουργικό ρευστό, σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, κατευθύνεται μέσω μιας σειράς ρότορες που αποτελούνται από γωνιακά πτερύγια τοποθετημένα σε έναν περιστρεφόμενο δίσκο προσαρτημένο στον άξονα. Ανάμεσα σε κάθε δίσκο ρότορα είναι τοποθετημένα σταθερά πτερύγια, τα οποία λειτουργούν ως ακροφύσια και οδηγοί στη ροή του υγρού.
Περισσότερα για το Steam Turbine
Αν και η έννοια της χρήσης ατμού για την εκτέλεση μηχανικών εργασιών χρησιμοποιήθηκε για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο σύγχρονος ατμοστρόβιλος σχεδιάστηκε από τον Άγγλο μηχανικό Sir Charles Parsons το 1884.
Ο ατμοστρόβιλος χρησιμοποιεί ατμό υπό πίεση από λέβητα ως υγρό λειτουργίας. Ο υπέρθερμος ατμός που εισέρχεται στον στρόβιλο χάνει την πίεσή του (ενθαλπία) κινούμενος μέσα από τα πτερύγια των ρότορες και οι ρότορες μετακινούν τον άξονα στον οποίο συνδέονται. Οι ατμοστρόβιλοι παρέχουν ισχύ με ομαλό, σταθερό ρυθμό και η θερμική απόδοση ενός ατμοστρόβιλου είναι υψηλότερη από αυτή ενός παλινδρομικού κινητήρα. Η λειτουργία του ατμοστρόβιλου είναι βέλτιστη σε υψηλότερες καταστάσεις στροφών ανά λεπτό.
Αυστηρά, ο στρόβιλος είναι μόνο ένα μόνο στοιχείο της κυκλικής λειτουργίας που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ενέργειας, η οποία διαμορφώνεται ιδανικά από τον κύκλο Rankine. Οι λέβητες, οι εναλλάκτες θερμότητας, οι αντλίες και οι συμπυκνωτές είναι επίσης στοιχεία της λειτουργίας, αλλά δεν αποτελούν μέρη του στροβίλου.
Στις σύγχρονες μέρες, η κύρια χρήση των ατμοστρόβιλων είναι για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά στις αρχές του 20ου αιώνα οι ατμοστρόβιλοι χρησιμοποιούνταν ως μονάδα παραγωγής ενέργειας για πλοία και μηχανές ατμομηχανών. Κατ' εξαίρεση, σε ορισμένα συστήματα θαλάσσιας πρόωσης όπου οι κινητήρες ντίζελ δεν είναι πρακτικοί, όπως τα αεροπλανοφόρα και τα υποβρύχια, εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται οι ατμομηχανές.
Περισσότερα για τον αεριοστρόβιλο
Ο κινητήρας αεριοστροβίλου ή απλά ένας αεριοστρόβιλος είναι ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης, που χρησιμοποιεί αέρια όπως ο αέρας ως ρευστό εργασίας. Η θερμοδυναμική πτυχή της λειτουργίας του αεριοστρόβιλου μοντελοποιείται ιδανικά από τον κύκλο Brayton.
Ο κινητήρας αεριοστροβίλου, σε αντίθεση με τον ατμοστρόβιλο, αποτελείται από πολλά βασικά εξαρτήματα. Αυτά είναι ο συμπιεστής, ο θάλαμος καύσης και ο στρόβιλος, που συναρμολογούνται κατά μήκος ενός περιστρεφόμενου άξονα, για να εκτελούν διαφορετικές εργασίες μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Η εισαγωγή αερίου από την είσοδο συμπιέζεται πρώτα χρησιμοποιώντας έναν αξονικό συμπιεστή. που εκτελεί ακριβώς το αντίθετο από μια απλή τουρμπίνα. Το πεπιεσμένο αέριο στη συνέχεια κατευθύνεται μέσω μιας βαθμίδας διαχύτη (αποκλίνον ακροφύσιο), στην οποία το αέριο χάνει την ταχύτητά του, αλλά αυξάνει περαιτέρω τη θερμοκρασία και την πίεση.
Στο επόμενο στάδιο, το αέριο εισέρχεται στον θάλαμο καύσης όπου ένα καύσιμο αναμειγνύεται με το αέριο και αναφλέγεται. Ως αποτέλεσμα της καύσης, η θερμοκρασία και η πίεση του αερίου ανεβαίνουν σε απίστευτα υψηλό επίπεδο. Αυτό το αέριο στη συνέχεια περνά μέσα από το τμήμα του στροβίλου και όταν το διέρχεται παράγει περιστροφική κίνηση προς τον άξονα. Ένας αεριοστρόβιλος μέσου μεγέθους παράγει ρυθμούς περιστροφής άξονα έως και 10.000 σ.α.λ., ενώ οι μικρότεροι στρόβιλοι μπορεί να παράγουν 5 φορές περισσότερους.
Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ροπής (από τον περιστρεφόμενο άξονα), ώθησης (με εξαγωγή αερίου υψηλής ταχύτητας) ή και τα δύο σε συνδυασμό. Στην πρώτη περίπτωση, όπως και στον ατμοστρόβιλο, το μηχανικό έργο που παρέχεται από τον άξονα είναι απλώς ένας μετασχηματισμός της ενθαλπίας (πίεσης) του αερίου υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Μέρος της εργασίας του άξονα χρησιμοποιείται για την κίνηση του συμπιεστή μέσω ενός εσωτερικού μηχανισμού. Αυτή η μορφή του αεριοστρόβιλου χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και ως μονάδες παραγωγής ενέργειας για οχήματα όπως δεξαμενές και ακόμη και αυτοκίνητα. Η δεξαμενή M1 Abrams των ΗΠΑ χρησιμοποιεί έναν κινητήρα αεριοστροβίλου ως μονάδα παραγωγής ενέργειας.
Στη δεύτερη περίπτωση, το αέριο υψηλής πίεσης κατευθύνεται μέσω ενός συγκλίνοντος ακροφυσίου για να αυξήσει την ταχύτητα και η ώθηση δημιουργείται από τα καυσαέρια. Αυτός ο τύπος αεριοστροβίλου ονομάζεται συχνά Jet Engine ή Turbojet Engine, ο οποίος τροφοδοτεί το στρατιωτικό μαχητικό αεροσκάφος. Ο στροβιλοανεμιστήρας είναι μια προηγμένη παραλλαγή της παραπάνω και ο συνδυασμός ώσης και παραγωγής εργασίας χρησιμοποιείται σε κινητήρες στροβιλοκινητήρα, όπου η εργασία άξονα χρησιμοποιείται για την κίνηση μιας προπέλας.
Υπάρχουν πολλές παραλλαγές των αεριοστροβίλων που έχουν σχεδιαστεί για συγκεκριμένες εργασίες. Προτιμώνται έναντι άλλων κινητήρων (κυρίως παλινδρομικών κινητήρων) λόγω της υψηλής αναλογίας ισχύος προς βάρος, των λιγότερων κραδασμών, των υψηλών ταχυτήτων λειτουργίας και της αξιοπιστίας τους. Η απορριπτόμενη θερμότητα διαχέεται σχεδόν εξ ολοκλήρου ως εξάτμιση. Στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αυτή η σπατάλη θερμικής ενέργειας χρησιμοποιείται για να βράσει το νερό για να λειτουργήσει μια τουρμπίνα ατμού. Η διαδικασία είναι γνωστή ως παραγωγή ενέργειας συνδυασμένου κύκλου.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ τουρμπίνας ατμού και αεριοστροβίλου;
• Ο ατμοστρόβιλος χρησιμοποιεί ατμό υψηλής πίεσης ως ρευστό εργασίας, ενώ ο αεριοστρόβιλος χρησιμοποιεί αέρα ή κάποιο άλλο αέριο ως ρευστό εργασίας.
• Ο ατμοστρόβιλος είναι βασικά ένας διαστολέας που παρέχει ροπή ως έξοδο εργασίας, ενώ ένας αεριοστρόβιλος είναι μια συνδυασμένη συσκευή συμπιεστή, θαλάμου καύσης και στροβίλου που εκτελεί μια κυκλική λειτουργία για την παροχή έργου είτε ως ροπή είτε ως ώθηση.
• Ο ατμοστρόβιλος είναι μόνο ένα εξάρτημα που εκτελεί ένα βήμα του κύκλου Rankine, ενώ ο κινητήρας αεριοστροβίλου εκτελεί ολόκληρο τον κύκλο Brayton.
• Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να αποδώσουν είτε ροπή είτε ώθηση ως απόδοση εργασίας, ενώ οι ατμοστρόβιλοι σχεδόν όλη την ώρα παρέχουν ροπή ως έξοδο εργασίας.
• Η απόδοση των αεριοστροβίλων είναι πολύ υψηλότερη από την ατμοστρόβιλο λόγω των υψηλότερων θερμοκρασιών λειτουργίας των αεριοστροβίλων. (Αεριοστρόβιλοι ~1500 0C και ατμοστρόβιλοι ~550 0C)
• Ο χώρος που απαιτείται για τους αεριοστρόβιλους είναι πολύ μικρότερος από τη λειτουργία του ατμοστρόβιλου, επειδή ο ατμοστρόβιλος απαιτεί λέβητες και εναλλάκτες θερμότητας, οι οποίοι θα πρέπει να συνδέονται εξωτερικά για προσθήκη θερμότητας.
• Οι αεριοστρόβιλοι είναι πιο ευέλικτοι, επειδή μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλά καύσιμα και το λειτουργικό υγρό, το οποίο πρέπει να τροφοδοτείται συνεχώς, είναι άμεσα διαθέσιμο παντού (αέρας). Οι ατμοστρόβιλοι, από την άλλη πλευρά, απαιτούν μεγάλες ποσότητες νερού για τη λειτουργία τους και τείνουν να προκαλούν προβλήματα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λόγω παγοποίησης.
