Kaasuturbiini

Wikipedia

Kaasuturbiini, jota käytetään lentokoneen moottorina
Suurenna
Kaasuturbiini, jota käytetään lentokoneen moottorina
Kaasuturbiinin monivaiheinen kompressoriosa
Suurenna
Kaasuturbiinin monivaiheinen kompressoriosa
Kaasuturbiini käynnissä, liekki suihkuaa takaosasta ulos
Suurenna
Kaasuturbiini käynnissä, liekki suihkuaa takaosasta ulos
Kaasuturbiinin siipien asennusta
Suurenna
Kaasuturbiinin siipien asennusta

Kaasuturbiini on lämpövoimakone, jossa kaasua tai nestettä polttokammiossa polttamalla käytetään turbiinia, joka on yhdistetty akselilla ilmaa polttokammioon puristavaan ahtimeen.

Teollistumisen alusta lähtien polttoaineella käyvät erityyppiset moottorit ovat yleensä olleet raskaita ja monimutkaisia koneita. Tässä joukossa kaasuturbiini on poikkeus. Sen koneisto koostuu akselilla yhdistetystä ahtimesta ja turbiinista sekä palotilasta näiden välissä. Kaasuturbiini tuottaa kokoonsa ja painoonsa nähden paljon energiaa, mutta sen hyötysuhde on dieselmoottoriiin verrattuna hieman alhaisempi, parhaimmillaan yli 40%.

Kaasuturbiinin toiminta perustuu sisäiseen palamiseen: polttoaine ruiskutetaan suurella paineella moottorin keskellä ja akselin ympärille ryhmitettyihin polttokammioihin. Ahdin puristaa niihin ilmaa, jolloin polttoaine palaa suurella paineella ja pakokaasut purkautuvat taaksepäin turbiinin läpi. Turbiini puolestaan antaa voiman ahtimelle. Kaasuturbiinin ja suihkumoottorin tärkein ero on voiman hyödyntämisen tapa: kaasuturbiinista otetaan akselitehoa, suihkumoottorista halutaan työntövoimaa esimerkiksi lentokoneelle. Potkuriturbiinissa hyödynnetään suihkumoottorin ahtimen imutehoa. Kaasuturbiinin eroaa höyryturbiinista, jonka palaminen tapahtuu moottorin ulkopuolella ja itse moottori toimii välikaasun eli vesihöyryn kautta.

Sisällysluettelo

[muokkaa] Historia

Ensimmäisenä kaasuturbiinin patentoi John Barber jo 1791 käytettäväksi ”hevosettomien vaunujen” voimanlähteenä. Kaasuturbiineja käytettiinkin alkuun pääosin kulkuneuvoissa, tosin vasta toisesta maailmansodasta lähtien ja lähinnä lentokoneen moottorina.

Vuonna 1947 Ison-Britannian laivaston tykkiveneeseen (Motor Gun Boat) MGB 2009:ään asennettiin 1 839 kilowatin (2 500 hv) kaasuturbiini pyörittämään kolmipotkurisen aluksen keskimmäistä akselia. Ensimmäisenä suurena sotalaivana kaasuturbiinia käytti vuonna 1961 palveluskäyttöön otettu fregatti HMS Ashanti (F117), jonka pituus oli 109,7 metriä.

Ensimmäinen kaasuturbiinin voimalla kulkenut kauppalaiva oli säiliöalus Auris, jonka neljästä dieselmoottorista yksi korvattiin kaasuturbiinilla vuonna 1951.

[muokkaa] Kaasuturbiinien käyttökohteita

Monet kaasuturbiinit ovat mekaanisesti kytketyllä alennusvaihteistolla varustettuja suoravirtaussuihkumoottoreita. Esimerkkinä matkustajalautta GTS Finnjetin voimanlähteenä toimivat Pratt & Whitney-tehtaan valmistamat FT-4 -moottorit. Kaasuturbiinia suunniteltiin aikanaan tavallisten autojenkin voimanlähteeksi, mutta suunnitelmat kariutuivat suureen polttoaineenkulutukseen. Varhaisissa T-80-malleissa ja yhdysvaltalaisessa M1 Abrams -panssarivaunuissa käytetään voimanlähteenä kaasuturbiinia. Kaasuturbiini kuluttaa runsaasti polttoainetta myös tyhjäkäynnillä, mutta tehoa saadaan enemmän kuin vastaavan kokoisesta mäntämoottorista. Kaasuturbiinin erinomaisen teho/paino -suhteen ansiosta sitä käytetään kohteissa, joissa pienellä massalla on erityisen tärkeä merkitys, kuten esimerkiksi lentokoneissa. Kaasuturbiini soveltuu myös erinomaisesti sellaisiin kohteisiin, joissa tyhjäkäyntiä ei ole nimeksikään ja silloin kun tehoa tarvitaan, sitä kaivataan runsaasti. Kaasuturbiini on ollut ainakin jonkinlainen ratkaisu toisen maailmansodan aikana nousseiden panssarivaunujen massojen liikuttajaksi. Tosin sen valtava polttoaineen kulutus saattaa koitua sen kohtaloksi huollon pettäessä. Pitkät huoltolinjat ja polttoaineen säännöstely rajoittivat toisessa maailmansodassa lentokoneiden ja panssarivaunujen liikkeitä merkittävästi, joten kaasuturbiinin pohjaton polttoaineenjano estin keksinnön laajamittaisen soveltamisen.

[muokkaa] Toimintaperiaate

Kaasuturbiini tuottaa energiaa kuvassa esitettyä ns. Brayton-prosessia hyödyntäen. Ahdin puristaa ilmaa kuvan pisteiden A ja B välillä. Ilman lämpötila nousee hieman puristuksen takia. Ahdin ajaa ilman polttokammioon, jossa siihen sekoitetaan polttoainetta. Polttoaine palaa pisteiden B ja C välillä. Palamisessa syntyneet kuumat kaasut paisuvat turbiinissa pisteiden C ja D välillä muuntaen palamisessa vapautuneen lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi.
Suurenna
Kaasuturbiini tuottaa energiaa kuvassa esitettyä ns. Brayton-prosessia hyödyntäen. Ahdin puristaa ilmaa kuvan pisteiden A ja B välillä. Ilman lämpötila nousee hieman puristuksen takia. Ahdin ajaa ilman polttokammioon, jossa siihen sekoitetaan polttoainetta. Polttoaine palaa pisteiden B ja C välillä. Palamisessa syntyneet kuumat kaasut paisuvat turbiinissa pisteiden C ja D välillä muuntaen palamisessa vapautuneen lämpöenergian mekaaniseksi energiaksi.
Ahdin (C)

Kaasuturbiineissa käytetään sekä aksiaali- että radiaaliahtimia. Aksiaaliahdin on yleisempi, sillä radiaaliahdin soveltuu parhaiten pienempitehoisempiin kaasuturbiineihin. Aksiaaliahtimessa vuorottelevat pyörivät juoksu- ja liikkumattomat johtosiivet, joita voi olla kymmeniäkin peräkkäin.

Polttokammio (B)

Polttokammiossa osaan ilmaa sekoitetaan polttoainetta, joka syttyy. Jäljelle jäävästä ilmasta osa ohjataan palamisprosessiin myöhemmin ja osa johdetaan jäähdyttämään rakenteita, jotka eivät muuten kestäisi liekin ja pakokaasujen kuumuutta.

Turbiini (T)

Polttokammiosta virtaavat kuumat kaasut ohjautuvat turbiinin johtosiipien läpi. Niiden tehtävänä on nostaa pakokaasujen virtausnopeutta ja suunnata virtaus haluttuun suuntaan. Tällöin kaasun tuntema paine ja lämpötila laskevat termodynamiikan I pääsäännön mukaisesti. Seuraavaksi virtaus kulkee juoksusiivistöön, joka muuntaa kaasun virtausnopeuden turbiinin pyörimisliikkeeksi. Useimmat turbiinit ovat monivaiheisia, jolloin sama toistuu useita kertoja peräkkäin paineen ja lämpötilan laskiessa jatkuvasti. Lopulta – kun kaasujen paine on laskenut niin lähelle ulkopuolista ilmanpainetta, ettei sitä enää ole järkevä hyödyntää – kaasut ohjataan poistoputkeen, diffuusoriin. Suihkumoottorin tapauksessa poistuvia kaasuja ei päästetä paisumaan näin pitkälle, vaan ne johdetaan suihkusuuttimeen, jossa ne muodostavat moottorin työntövoiman.

[muokkaa] Materiaalit

Alkuun turbiinissa käytettiin jonkin verran austeniittisia teräksiä ja Yhdysvalloissa myös kobolttiseoksia, mutta varsin varhaisessa vaiheessa siirryttiin kuitenkin nikkelipohjaisten superseosten käyttöön. Nikkeliseoksia käytettiin 40-luvulla jonkin verran sähkövastuksissa, minkä perusteella niillä tiedettiin olevan erinomainen hapettumisen vastustuskyky korkeissa lämpötiloissa – toivottava ominaisuus kaasuturbiinin siivelle. Nikkeliseosten huono virumiskestävyys osoittautui ongelmaksi, joka kuitenkin pystyttiin suurelta osin ratkaisemaan uusilla seosaineilla. Nikkeliseokset yleistyivät nopeasti ja ovat nykyään ylivoimaisesti yleisin turbiinin siipimateriaali.

60-luvulta lähtien materiaalivalintaan on vaikuttanut merkittävästi siipien jäähdyttäminen, joka toteutetaan ajamalla jäähdytysilmaa säteittäisten kanavien läpi siivissä. Jäähdytyksellä on onnistuttu alentamaan siiven keskilämpötilaa, mutta samalla siipeen syntyy voimakkaita lämpötilaeroja sisä- ja ulkopintojen välille.

Seuraavassa on käsitelty yleisimpiä turbinin siipimateriaaleja.

[muokkaa] Superseokset

Toisen maailmansodan jälkeen alettiin eräitä suuria mekaanisia rasituksia korkeissa lämpötiloissa kestäviä metalliseoksia kutsua superseoksiksi. Superseosten tärkeimmät ominaisuudet ovat hyvä virumislujuus yli 650 °C:n lämpötiloissa sekä kuumakorroosion ja kulumisen kestävyys. Tämä tekee superseoksista hyviä materiaaleja kaasuturbiinin siipiin; suurimpaan osan nykyaikaisista kaasuturbiineista turbiiniosan siivet tehdäänkin nikkelipohjaisista superseoksista.

Nikkelipohjaiset superseokset

Nikkelipohjaisten superseosten hapettumisen kesto ja lujuus korkeissakin lämpötiloissa tekee niistä erinomaisen materiaalin kaasuturbiiniin. Nikkeliseosten lujuus perustuu kiteiden pintakeskeiselle kuutiorakenteelle, joka on tilakeskeistä kuutiorakennetta parempi erityisesti kovassa kuumuudessa. Hapettumisen kesto taas johtuu seosaineista. Nikkeli sinänsä hapettuu varsin herkästi, mutta seoksissa yleensä käytetty kromi muodostaa kuumissa ja hapettavissa olosuhteissa suojaavan Cr2O3-kerroksen materiaalin pinnalle. Myös alumiinia saatetaan käyttää samaan tarkoitukseen. Toisaalta alumiini muodostaa myös yhdistettä Ni3Al, joka lujittaa seosta. Alumiinin ohella samankaltaisen yhdisteen voivat muodostaa myös titaani ja niobi. Koboltin lisäämisellä voidaan vähentää alumiinin ja titaanin liukenemista nikkeliin, mikä lisää Ni3Al:n ja Ni3Ti:n muodostumista. Molybdeenillä ja tungstenilla voidaan parantaa seoksen lujuutta kovassa kuumuudessa.

Nikkeli-rautapohjaiset superseokset

Nikkeli-rautasuperseosten ominaisuudet muistuttavat olennaisesti nikkelipohjaisten superseosten ominaisuuksia. Rautaa käytetään seosaineena lähinnä valmistuskustannusten alentamiseksi, sillä seoksen ominaisuudet heikkenevät rautapitoisuuden kasvaessa.

Kobolttipohjaiset superseokset

Kobolttipohjaisilla superseoksilla on korkeampi sulamispiste kuin nikkelipohjaisilla, mikä tekee niistä oivan materiaalin kaikkein kuumimpiin turbiineihin. Toisaalta alle 1100 °C:n lämpötiloissa nikkelipohjaiset superseokset ovat lujempia ja siten suurimpaan osaan turbiineja parempia materiaaleja. Kobolttiseoksia käytetään jonkun verran johtosiivissä, joissa lujuusominaisuudet eivät ole yhtä kriittisessä asemassa kuin juoksusiivissä. Osaltaan kobolttiseosten käyttöä rajoittaa niiden korkea hinta.

[muokkaa] Pinnoitteet

Superseosten pintaan muodostuu hapettumisen kautta yleensä itsestäänkin korroosiolta suojaava oksidikerros, mutta turbiininsiipiä pinnoitetaan myös valmistuksen yhteydessä. Niiden tarkoitus on lähinnä suojata siipiä hapettumiselta, korroosiolta sekä eroosiolta ja toisaalta – varsinkin kulkuneuvoissa – turbiiniin ajautuvilta partikkeleilta. Yleisimmin pinnoitteet pohjautuvat joko nikkeli- tai kobolttialuminideihin. Pinnoite toimii eräänlaisena alumiinivarastona suojaavaa oksidikerrosta varten. Diffuusiotyypin aluminidipinnoite on halpa asentaa ja huollon yhteydessä helppo poistamisen ja uudelleenpinnoituksen kannalta. Pinnoittaminen tapahtuu useimmiten suojakaasussa upottamalla siivet hienojakoiseen pinnoitejauheeseen ja kuumentamalla 700–1100 °C:een. Kerroksen paksuudeksi tulee yleensä noin 50 μm.

[muokkaa] Turbiininsiipien valmistaminen

Kaasuturbiinin rasitetuin ja suurimmat vaatimukset asettava osa ovat turbiinin siivet. Siksi niiden valmistamisessa tulee laatuun ja kestävyyteen kiinnittää erityistä huomiota.

[muokkaa] Valaminen

Nykyaikaisten turbiinisiipien muotojen ollessa monimutkaisia jo ulkopintojenkin osalta – puhumattakaan mahdollisista sisäisistä jäähdytyskanavista – ei ole ihme että yleisin valmistusmenetelmä on valaminen. Suuri osa valuteollisuuden kapasiteetista tarkkojen ja integriteetiltään korkeatasoisten valujen tuottamiseksi on kaasuturbiiniteollisuuden kysynnän synnyttämää. Tarkka monella ainesosalla seostaminen tekee superseosten valmistuksesta vaativan prosessin. Metallin sulattaminen – yleensä elektronisuihkulla tai valokaarella – tapahtuu tyhjiössä epäpuhtauksien ja ainesosien hapettumisen välttämiseksi. Myös itse valaminen tapahtuu tyhjiössä ilmanpoiston aiheuttamien hankaluuksien ja hapettumisen estämiseksi. Usein jähmettymisprosessi käynnistetään nopealla jäähdyttämisellä yhdeltä sivulta, jolloin tavoitteena on hallittu jähmettyminen siten, että kiteet muodostuvat turbiinin säteen suuntaisiksi. Tämä parantaa siiven virumis- ja väsymiskestävyyttä.

[muokkaa] Takominen

Koska turbiininsiiveltä vaaditaan hyvää väsymiskestävyyttä, valmistetaan turbiininsiipiä takomalla. Muokatuilla kappaleilla on yleensä paremmat säröily- ja väsymislujuudet kuin valetuilla kappaleilla, sillä viat ja suuret kiteet ovat halkeilleet sekä huokoisuus on parantunut kuumamuokkauksen aikana. Varsinkin ennen valutekniikan kehittymistä nykytasolle turbiininsiipien takominen oli hyvin yleistä, mutta nyttemmin se on jäänyt vähemmälle. Tähän on monta syytä. Joillakin superseoksilla on hankalat ominaisuudet takomisen kannalta, esimerkiksi erittäin kapea takomiseen sopivan lämpötilaväli. Toisaalta monimutkaistuvat rakenteet, mm. jäähdytyskanavat ovat äärimmäisen hankalia valmistaa takomalla.

[muokkaa] Kaasuturbiinivoimalaitos

Kaasuturbiinivoimalaitos on sähkön tuotantolaitos, jossa generaattoria pyöritetään kaasuturbiinilla.

[muokkaa] Toimintaperiaate

Kaasuturbiinin kanssa samalla akselilla oleva kompressori paineistaa palamisilman 10–20 baariin ja pumppaa sen polttokammioon. Polttokammiossa poltetaan yleensä maakaasua, joka on liki kokonaan metaania. Korkeapaineiset ja kuumat savukaasut johdetaan kaasuturbiiniin, joka pyörittää generaattoria ja kompressoria.

[muokkaa] Hyötysuhde ja energiantuotanto

Polttokammiossa vapautettavasta energiasta poistuu savukaasujen mukana 65 % savukaasuhäviönä. Turbiinin tehosta yli puolet kuluu kompressorin pyörittämiseen, joten sähköntuotannon hyötysuhde jää parhaimmilaankin 35 %:iin. Pelkästään sähköä tuotettaessa kokonaishyötysuhde on samakuin sähköntuotannon eli enintään 35 %. Tämän vuoksi kaasuturbiinivoimalaitosta käytetään sellaisenaan vain vara- ja huipputuotantoon. Kaasuturbiinivoimalaitosten etu on niiden nopea ja tehokas säädettävyys. Kaasuturbiini voidaan käynnistää tai pysäyttää hyvin nopeasti, ja siten voimalaitoksen tuotantoa voidaan säätää nopeasti vastaamaan sähkön tarvetta.

Yhdistämällä kaasuturbiini lämmöntalteenottokattilaan, jossa kuumista savukaasuista otetaan lämpöenergiaa esim. kaukolämpöveteen, saadaan kokonaishyötysuhde jopa 90 %:iin. Tällaisesta yhdistelmästä käytetään nimitystä vastapainevoimalaitos.

Mikäli kaasuturbiinivoimalaitos yhdistetään höyrykattilavoimalaitokseen (ns. kombivoimalaitos) saadaan sähköntuotannon hyötysuhde jopa lähes 60 %:iin. Kokonaishyötysuhde vastapainetuotannossa saadaan 90 %:iin, kun lauhdetuotannossa se on sama kuin sähköntuotannonhyötysuhde.

[muokkaa] Lähteet

  • Boyce, M.P. Gas Turbine Engineering Handbook, Houston, Texas, USA, 1982, Gulf Publishing Company.
  • Meetham G.W. The Development of Gas Turbine Materials, Derby, UK, Applied Science Publishers.
  • Bradley, E. F. Superalloys - A Technical Guide, Metal Parks, Ohio, USA, 1988, ASM International.
  • Engines 101. NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, USA: NASA Ultra-Efficient Engine Technology Program.

[muokkaa] Aiheesta muualla