Теорія роботи[ред. • ред. Код]
Газові турбіни описуються термодинамічним циклом Брайтона, в якому спочатку відбувається адіабатичне стиснення повітря, потім спалювання при постійному тиску, а після цього здійснюється адіабатичне розширення знову до стартового тиску.
На практиці, тертя і турбулентність викликають:
Неадіабатичне стискання: для даного загального коефіцієнта тиску температура нагнітання компресора вище ідеальної.
Неадіабатичне розширення: хоча температура турбіни падає до рівня, необхідного для роботи, на компресор це не впливає, коефіцієнт тиску вище, в результаті, розширення — не достатнє для забезпечення корисної роботи.
Втрати тиску в повітрозабірнику, камері згоряння і на виході: в результаті, розширення не достатнє для забезпечення корисної роботи.
цикл Брайтона
Лопатка турбіни
Як і у всіх циклічних теплових двигунах, чим вище температура згоряння, тим вище ККД. Стримувальним фактором є здатність сталі, нікелю, кераміки та інших матеріалів, з яких складається двигун, витримувати температуру і тиск. Значна частина інженерних розробок спрямована на те, щоб відводити тепло від частин турбіни. Більшість турбін також намагаються рекуперувати тепло вихлопних газів, яке, у іншому випадку втрачається даремно. Рекуператор — це теплообмінник, який передає тепло вихлопних газів стиснутому повітрі перед згоранням. При комбінованому циклі тепло передається системам парових турбін. При комбінованому виробництві тепла та електроенергії (когенерація) відпрацьоване тепло використовується для виробництва гарячої води.
Механічно газові турбіни можуть бути значно простіші, ніж поршневі двигуни внутрішнього згорання. Прості турбіни можуть мати одну рухливу частину: вал/компресор/турбіна/альтернативний ротор в зборі (див. зображення вище), не враховуючи паливну систему.
Складніші турбіни (ті, які використовуються в сучасних реактивних двигунах), можуть мати декілька валів, сотні турбінних лопаток (рухомих) та статорних лопаток (нерухомих), а також велику систему складних трубопроводів, камер згоряння і теплообмінників.
Як правило, чим менший двигун, тим вищою повинна бути частота обертання вала(ів), що необхідна для підтримки максимальної лінійної швидкості лопаток. Максимальна швидкість турбінних лопаток визначає максимальний тиск, що може бути досягнуто, що призводить до отримання максимальної потужності, незалежно від розміру двигуна. Реактивний двигун обертається з частотою близько 10 000 об/хв а мікро-турбіна — з частотою близько 100 000 об/хв.
Упорні підшипники та радіальні підшипники є критичними елементом розробки. Традиційно вони були гідродинамічними або охолоджуваними маслом шарикопідшипниками. Їх перевершили повітряні підшипники, які успішно використовуються в мікротурбінах і допоміжних силових установках.
У газових турбінах робоча частина обертається під тиском гарячої газової суміші, яка утворюється в самій турбіні. Для цього в газовій турбіні передбачено камеру згоряння. Повітря через вхідне сопло потрапляє в компресор, стискається до 6… 7 атмосфер і надходить в камеру згоряння. До камери також безперервно впорскується рідке паливо. Розжарений і дуже стиснений газ (температура біля 800°С та тиском 0,5…0,8 МПа) подається на лопатки турбіни і обертає її з високою швидкістю. Перевагою газової турбіни є її компактність, оскільки вона не потребує потужних парових котлів, приміщень для них та паропроводів. Сучасні газові турбіни розвивають потужність біля 150 МВт. На основі таких турбін розробляють газотурбінні двигуни, які застосовують, наприклад, в літаках.