Garo turbinų ir stūmoklinių variklių skirtumai

Garo turbinos ir stūmokliniai varikliai yra du skirtingi būdai, kaip galima paversti energiją mechaniniu darbu. Nors abi technologijos naudojasi energija, norėdamos sukurti judesį, jos skiriasi pagal veikimo principą, konstrukciją ir taikymo sritis.

Pagrindiniai skirtumai

Garo turbinos ir stūmokliniai varikliai skiriasi pagal veikimo principą, konstrukciją ir taikymo sritis. Jų pagrindinis tikslas yra gaminti galią (įvairiems poreikiams), tačiau jų skirtumai daugiausia susiję su veikimo principais, dydžiais ir taikymo scenarijais. Negalima teigti, kad vienas yra geresnis ar blogesnis - jie tiesiog pritaikyti skirtingoms reikmėms.

Veikimo principas

Pagrindinis skirtumas tarp šių dviejų įrenginių yra jų veikimo principas.

• Garo turbinos veikia pagal Rankine’o ciklą, kuriame garas sukuria sukamąjį judesį ir perduoda energiją turbinai. Tai sukamasis įrenginys, kuris paverčia garo energiją į mechaninį darbą, naudodamas garą, praeinantį per įvairių dydžių ir formų turbinos ratukus.
• Stūmoklinis variklis yra įrenginys, kuris paverčia šiluminę energiją į mechaninį darbą naudodamas stūmoklio judesį. Stūmoklio varikliai veikia pagal Otto arba Diesel ciklą, kurie yra pagrįsti degimo proceso ciklu.

Išorinio ir vidinio degimo principas

Variklio pagrindinis veikimo principas yra cheminių medžiagų (anglies, naftos, dujų ir kt.) energijos pavertimas mechanine galia, kuri degimo ir kitais metodais varo apkrovą. Todėl variklis apytiksliai gali būti padalintas į dvi dalis pagal darbo procesą: degimo sistemą ir galios sistemą.

• Jei degimo sistema ir galios sistema yra atskirtos, t. y., cheminė energija pirmiausia sudeginama, o tada terpė naudojama energijai stumti ir generuoti galią, toks variklis gali būti vadinamas „išorinio degimo varikliu“. Išorinio degimo varikliai dažniausiai atlieka sukamąjį judesį, t. y., terpė dideliu greičiu suka turbinos mentes. Prie jų priskiriamos garo turbinos ir dujų turbinos.
• Priešingai, jei energija generuojama tiesiogiai degimo metu, toks variklis gali būti vadinamas „vidinio degimo varikliu“. Vidinio degimo varikliai dažniausiai atlieka grįžtamąjį judesį, t. y., tiesiogiai stumia stūmoklį (įsiurbimas → suspaudimas → galia → išmetimas), kad jis atliktų grįžtamąjį judesį. Prie jų priskiriami dyzeliniai ir benzininiai varikliai. Senų traktorių ir motociklų variklio garsas „kalang, kalang, kalang“ arba „trum, trum, trum“ yra vidinio degimo variklio (dyzelinio ir benzininio) grįžtamojo judesio garsas.

Garo turbinų ir dujų turbinų skirtumai

Pagrindinis skirtumas tarp garo turbinos ir dujų turbinos slypi „garuose“ ir „dujose“, t. y., terpė, kuri dideliu greičiu suka turbinos mentes, yra skirtinga:

• Garo turbinos terpė yra aukšto slėgio garas (vanduo). Garo turbina pirmiausia degina cheminę energiją, kad pagamintų aukštos temperatūros ir aukšto slėgio garą. Po to, kai katilo garas patenka į turbiną, jis praeina per daugybę purkštukų ir kitų sistemų, ir galiausiai purškiamas ant turbinos menčių, todėl turbinos rotorius su menčių eilėmis sukasi dideliu greičiu, taip generuodamas galią.
• Dujų turbinos terpė yra suspaustos dujos (oras). Po cheminės energijos sudeginimo dujų turbina nuolat traukia orą iš atmosferos per kompresorių ir jį suspaudžia. Suspaustas oras patenka į degimo kamerą, susimaišo su įpurkštu kuru ir dega, sudarydamas aukštos temperatūros dujas, kurios patenka į dujų turbiną, kad plėstųsi ir atliktų darbą, stumdamos turbinos mentes ir kompresoriaus sparnuotę suktis dideliu greičiu, taip generuodamos galią. Pažymėtina, kad aukštos temperatūros ir aukšto slėgio dujų gebėjimas atlikti darbą viename vienete žymiai padidėja, todėl mažesnis variklis gali generuoti didesnę galią.

Konstrukcija ir dydis

Konstrukcijos požiūriu, garo turbinos yra sukamieji įrenginiai, kuriuose garas praeina per turbinos ratukus. Stūmokliniai varikliai naudoja stūmoklio judesį, kuris sukurtas dėl degimo proceso. Dujų turbinų varikliai turi mažiau dalių ir mažiau trinties dalių, todėl tai yra vienas iš dujų turbinų variklių privalumų.

Jei suprantate aukščiau nurodytus veikimo principų skirtumus, galite lengvai numanyti, kad nors abu jie pirmiausia degina cheminę energiją, garo turbinos naudojamos aukštos temperatūros ir aukšto slėgio garui gaminti, o dujų turbinos tiesiogiai suspaudžia orą. Akivaizdu, kad garo turbinos yra didesnio dydžio, o dujų turbinos užvedamos greičiau.

Priešingai nei šie du išorinio degimo varikliai, vidaus degimo variklis tiesiogiai generuoja galią per degimo sprogimą aukšto slėgio degimo kameroje cilindro viduje, todėl vidaus degimo variklis yra iš prigimties mažesnis galios įrenginys.

Taigi, apytiksliai kalbant, pagal dydį: garo turbina > dujų turbina > vidaus degimo variklis.

Antrasis neginčijamas dujų turbinų variklių pranašumas yra didelė specifinė galia. Kitaip tariant, su vienoda galia dujų turbinų varikliai yra kelis kartus lengvesni ir kompaktiškesni nei stūmokliniai varikliai. Būtent šis faktas lėmė jų dominavimą orlaivių pramonėje.

Taikymo sritys

Dydžio skirtumas tiesiogiai lemia jų taikymo scenarijų skirtumus.

• Garo turbinos dažniausiai naudojamos elektros gamyboje, laivų inžinerijoje ir naftos perdirbimo įmonėse dėl aukšto efektyvumo ir mažesnio išmetamųjų teršalų kiekio. Garo srautas garo turbinoje yra nepertraukiamas ir didelio greičio, o srauto greitis viename ploto vienete yra didelis, todėl ji gali generuoti daug galios. Kitaip tariant, ji naudojama didesnio masto taikymuose. Didelės galios garo turbinos naudoja aukštesnį garo slėgį ir temperatūrą, todėl šiluminis efektyvumas taip pat yra didesnis. Kitaip tariant, vieneto kaina taip pat yra mažesnė, o tai yra ekonomiškiau apskritai. Todėl garo turbinos pirmiausia naudojamos pramonės šakose, kurios yra didelio masto, fiksuotos vietoje, veikia nepertraukiamai ir yra labai jautrios kainai, tipiškiausia iš jų yra šiluminė elektros gamyba. Garo turbinos taip pat naudojamos mobiliose įrangose, kurioms reikalingi dideli energijos poreikiai (bet nėra jautrios paleidimo laikui), pavyzdžiui, dideliuose laivuose, tokiuose kaip lėktuvnešiai.
• Dujų turbinos tiesiogiai išveda sukamąjį judesį, turi didelę vieneto galią ir greitai užsiveda (nereikia pašildymo, kaip garo turbinoms), todėl jos naudojamos ten, kur reikalingi labai aukšti variklio reikalavimai, atstovaujami reaktyvinių lėktuvų ir didelio našumo laivų. Dujų turbinų varikliai pirmą kartą buvo pradėti naudoti Antrojo pasaulinio karo pabaigoje, aviacijoje, vokiečių „Messerschmitt“ naikintuvuose. Per ateinančius 20 metų jie visiškai pakeitė stūmoklinius vidaus degimo variklius karinėje ir civilinėje aviacijoje, tiesiogine to žodžio prasme - nuleisdami juos iš dangaus ant žemės. Rusų lėktuvų „Tu“ ir „Superjet“, Europos „Airbus“ ir amerikiečių „Boeing“ varikliai yra dujų turbinų varikliai. Didelės dujų turbinos, atstovaujamos lėktuvų variklių, yra 21-ojo amžiaus galios įrangos šerdis ir yra pagrindinės technologijos, žyminčios šalies pramoninės gamybos pažangų lygį.
• Stūmokliniai varikliai plačiai naudojami transporto priemonėse, tokiose kaip automobiliai, motociklai, traktoriai ir sunkvežimiai. Kaip galite įsivaizduoti, vidaus degimo varikliai dažniausiai naudojami namų ūkiuose ir kituose civiliniuose scenarijuose, ypač įvairiuose automobiliuose, dėl savo mažo dydžio ir mažos galios. Vidaus degimo varikliai taip pat plačiai naudojami įvairiose avarinėse situacijose, pavyzdžiui, paskirstytose energijos sistemose, tokiose kaip atsarginiai generatoriai.

Dujų turbinų variklių perspektyvos ir iššūkiai automobilių pramonėje

Šiuolaikinėje hibridinėje-elektrinėje revoliucijoje dujų turbinų varikliai vėl atgimsta, ypač Kinijos automobilių pramonėje.

Koncepciniai automobiliai

Ženevos automobilių parodoje du automobilių gamintojai pristatė koncepcinius automobilius su hibridiniais varikliais, kuriuose baterijos įkraunamos miniatiūriniais dujiniais turbininiais varikliais. Beje, abu automobiliai yra kiniški: tai „Hybrid Kinetic H600“ sedanas su elegantišku „Pininfarina“ dizainu ir „Techrules Ren“ superautomobilis su futuristine Giorgetto Giugiaro išvaizda. Prieš kelerius metus „Jaguar“ parodė hibridinį konceptą C-X75 su tais pačiais dujiniais turbininiais varikliais.

Kodėl būtent dabar?

2011 metais „Opel“ atstovas Christianas Kunstmannas pripažino, kad mikroturbina būtų geriausias variantas hibridiniam automobiliui, tačiau tokių variklių gamyba reikalautų didelių investicijų į gamyklas. Tačiau, jei mikroturbina nėra prijungta prie ratų ar pavarų dėžės, o tik suka generatorių, veikiantį pastoviu traukos režimu, visos problemos, susijusios su didelėmis degalų sąnaudomis trumpalaikiais režimais, išnyksta savaime. Būtent todėl kinai, kurie, skirtingai nei „Opel“, neturi stūmoklinių variklių gamyklų ir turės statyti viską nuo nulio, dabar laikosi šios idėjos.

Iššūkiai ir trūkumai

Deja, degalų sąnaudos nėra vienintelis dujų turbininių variklių trūkumas. Automobilių dizaineriai, bandydami įdiegti tokį variklį po automobilio gaubtu, susidūrė su dideliais trūkumais:

• Aukšta temperatūra. Pirmasis neišspręstas dujų turbinos variklio minusas yra labai aukšta dujų, patenkančių į turbinos mentes, temperatūra. Aviacijoje su tuo kovojama naudojant brangius karščiui atsparius lydinius, tačiau masinėje automobilių pramonėje tai netaikoma dėl didelių išlaidų. 50-aisiais buvo bandyta išspręsti problemą su oro šildytuvu, kuriame suslėgtas oras pašildomas išmetamosiomis dujomis iš turbinos. Tai padidina efektyvumą ir taupo turbiną, tačiau žymiai apsunkina variklio konstrukciją.
• Oro poreikis ir filtrai. Dujų turbinų varikliams reikia žymiai daugiau oro nei stūmokliniams varikliams, ir oras turi būti švarus. Lėktuvai dėl to neturi jokių problemų, o automobiliams tai problematiška. Būtini oro filtrai pasiekia tokį dydį, kad mikroturbinų pranašumas ir kompaktiškumas visiškai pradingsta. Dujų turbinų varikliai buvo išbandyti serijiniuose tankuose (sovietų T-80 ir Amerikos „Abrams“), tačiau tankistai skundėsi, kad reikia nuolat valyti didžiulius oro filtrus.
• Didelės degalų sąnaudos trumpalaikiais režimais. Paaiškėjo, kad toks variklis sunaudoja daug degalų trumpalaikiais režimais: tuščiąja eiga ir greitėjant. Buvo bandymų apsunkinti konstrukciją, naudojant ne vieną, o du velenus: pirmajame buvo kompresorius ir maža turbina, kurių pakako kompresorių pasukti ir užtikrinti darbą tuščiąja eiga, antrajame - pagrindinė turbina ir automatinės pavarų dėžės galios konverteris. Tuščiosios eigos metu dujos nebuvo tiekiamos į antrąją turbiną. O pradedant judėti, atsidarius sklendei, dujų srautas buvo nukreipiamas į traukos turbinos mentes ir automobilis važiuodavo. Beje, ši konstrukcija leido atsisakyti sankabos mechanizmo ar sukimo momento keitiklio - kadangi abu velenai neturėjo mechaninio ryšio vienas su kitu, o automobilio variklis negalėjo užgesti (atsijungti). Tačiau degalų sąnaudos vis dar buvo didesnės nei visų tipų stūmoklinių variklių, išskyrus tolygų judėjimą greitkelyje.
• Toksiškumas. Galiausiai paskutinis trūkumas yra toksiškumas, kuris vėlgi yra padidėjusių degalų sąnaudų tarpiniuose režimuose pasekmė. Nors „Techrules“ koncepto ir ypač „Hybrid Kinetic H600“ kūrėjai teigia, kad jų mikroturbinai varikliai yra ekologiškesni nei stūmokliniai varikliai, tikslūs duomenys kol kas nepateikiami.

Bet kokiu atveju, visi čia aptarti hibridiniai automobiliai, naudojantys šią technologiją, vis dar yra tik koncepcijos, o jų serijinė ateitis yra padengta rūku.

tags: #kuo #is #esmes #skiriasi #garo #turbinos