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.

Spaľovacia turbína patrí do skupiny spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním pretože spaľovacia komora je jej súčasť.

Princíp práce

Kompresor spaľovacej turbíny väčšinou 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 rovnotlaková. Jej zjednodušený teoretický model opisuje Eriksonov-Braytonov cyklus alebo Jouleov-Braytonov cyklus pri predpoklade izotermickej kompresie a expanzie a úplnej regenerácie tepla.

Konštrukčné riešenia

Termodynamická a celková účinnosť rovnotlakových turbín je v jednoduchom jednohriadeľovom usporiadaní nízka pohybuje sa na úrovni 30 až 50% účinnosti vznetových motorov.

Pre dosiahnutie vhodných vlastností na rôzne účely použitia sa turbíny konštruujú v dvojhriadeľovom prípadne viachriadeľovom usporiadaní. Jednotlivé hriadele spájajú turbínu s kompresorom alebo odvádzajú účinný výkon z turbíny von. Takéto riešenia obsahujú viaceré kompresory a viaceré turbíny 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 rozdeľujú na:

osové (axiálne) – v ktorých vzduch prúdi prevažne v smere osi rotácie rotora.

Bližšie informácie v hlavnom článku: Osový kompresor

odstredivé (radiálne) – v ktorých sa smer prúdenia mení ale na významnej časti dráhy je kolmý na os rotácie rotora.

Bližšie informácie v hlavnom článku: Odstredivý kompresor

Vlastnosti spaľovacích turbín

V porovnaní s piestovými spaľovacími motormi majú turbíny 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 na pohon:

cestných vozidiel – s výkonom 100 – 500 kW
- tankov
rušňov – s výkonom 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 výkonom až do 100 000 kW

Zdroje

Trnka J. Urban J.: Spaľovacie motory. Alfa Bratislava 1992.

Iné projekty

Commons ponúka multimediálne súbory na tému Spaľovacia turbína