Gaasiturbiin

Avatud tsükliga gaasiturbiini tööpõhimõte

Gaasiturbiin on soojusmootor, milles kütuse põlemisel saadud soojusenergia muudetakse algul kineetiliseks ja siis pöörleva labadega tööratta (rootori) abil mehhaaniliseks tööks. Gaasiturbiini kasutatakse jõuallikana soojuselektrijaamades, autodel, laevadel, veduritel ning lennukitel. Ehituselt sarnaneb gaasiturbiin auruturbiiniga.

Ajalugu

Gaasiturbiini tööpõhimõte patenteeriti juba 1791.aastal, kuid tolleaegne teadmiste ja loodusteaduste tase ei võimaldanud seda ideed teoks teha. Esimese kasulikku võimsust arendava gaasiturbiini (32,8 kW, 20 000 p/min) valmistas Norra insener E. Elling 1903.aastal. Järgnevatel aastakümnetel arendati gaasiturbiine edasi, kuid erilist rakendust need madala kasuteguri ja piiratud tööressursside tõttu ei leidnud.

Huvi gaasiturbiinide tootmise vastu tõusis järsult Teise maailmasõja eel ja järel seoses lennukite kiiruse 700...800 km/h saavutamisega, sest seni lennukikäiturina kasutataud propeller osutus nendel kiirustel mittesobivaks. Selle tulemusel kujundati Saksamaal, Inglismaal ja USA-s lühikese aja jooksul välja gaasiturbiinide aerodünaamilised ja konstruktsioonilised alused ning loodi rahuldava kasuteguri ja tööressursiga turboreaktiivmootorid. Lennukimootorite kõrval loodi ka tõõstuslikke gaasiturbiine, mille põhiline erinevus on põlemisgaaside kasutusviisis. Lennuki reaktiivmootoris kasutatakse kütuse põlemisgaase vaid gaasiturbiini ja kompressori käivitamiseks ning reaktiivjõu tekitamiseks, tööstuslikud gaasiturbiinid varustatakse eraldi jõuturbiiniga või lisatakse kompressorit käitavale turbiinile lisaastmeid gaaside jääkenergia ärakasutamiseks.

Gaasiturbiini tööpõhimõte

Eristatakse avatud tsükliga, gaasil või vedelkütusel töötavaid sisemise põlemisega gaasiturbiine, kus kütuse põlemiseks vajalik õhk võetakse atmosfäärist ja äratöötanud gaasid suunatakse taas atmosfääri, ja suletud tsükliga gaasiturbiine, kus välise põlemisega gaasiturbiinseadmetes kasutatakse kinnises kontuuris ringlevat töökeha (õhku, lämmastikku, inertgaase jm), mida jahutatakse enne kompressorit ja kuumutatakse soojusvahetis enne turbiini suunamist. Suletud tsükkel võimaldab kasutada tahkeid kütuseid ja muid, suvalisi soojusallikaid.

Teadaolevatel andmetel seni suletud tsükliga gaasiturbiinseadmeid praktikas ei kasutata, on tehtud vaid katseseadmeid.

Avatud ringprotsessiga gaasiturbiini tööpõhimõte selgub lisatud jooniselt. Kompressorisse 2 atmosfäärist läbi sissevooluava 6 imetav õhk surutakse kokku ülerõhuni 0,2–2 MPa ning suunatakse välimisest 4 ja sisemisest kestast 5 koosnevasse põlemiskambrisse. Kütuse põlemine toimub põlemiskambri sisemises kestas 5, kuhu pihustatakse kütus pihusti 3 abil ja läbi kesta seintes olevate avade siseneb põlemiseks vajalik õhk. Osa kokkusurutud õhust liigub läbi põlemiskambri sisemise ja välimise kesta vaheruumi, jahutades põlemiskambrit, ja seguneb seejärel kuumade põlemisgaasidega. Põlemiskambrist väljuvad põlemisgaasid temperatuuriga kuni 850°C (kui ei kasutata düüside ja töölabade jahutust) või kuni 1200°C (kasutatakse düüside ja töölabade jahutust) juhitakse turbiini 1, kus nende paisumisel saadud kineetiline energia muundub rootori töölabadel mehaaniliseks tööks. Äratöötanud gaasid suunatakse väljavooluavaga 7 ühendatud torustiku kaudu atmosfääri. Suurem osa (u 70%) saadud mehaanilisest tööst kulub turbiini 1 rootoriga ühele võllile rakendatud kompressori 2 käitamiseks, ülejäänud (vaid u 30%) realiseeritakse kasulikuks tööks läbi reduktori 9 ja sõuvõlli 10 laeva sõukruvi 11 või elektrigeneraatori käitamisel.

Kasuliku töö selline jaotus on põhjustatud vajadusest anda põlemiskambrisse 4...7 korda rohkem õhku, kui kütuse põlemiseks vaja, et tagada gaaside temperatuur lubatud piirides (850...1200 °C). Diiselmootorite puhul on sama näitaja 1,8...2, mis seletab ka, miks gaasiturbiinide kasutegurid on võrreldes diiselmootoritega oluliselt madalamad. Tänapäevast turbiiniehituses kasutatavate materjalide puhul, mis võimaldavad kestvatel koormustel taluda temperatuure 850....1200 °C, aerodünaamiliselt hästiviimistletud komponentidega ja erinevaid kasuteguri suurendamise meetodeid kasutades on avatud tsükliga gaasiturbiinide kasutegurite väärtus 0,25–0,35.

Gaasiturbiini käivitamiseks on elektriline käivitusmootor 8.

Gaasiturbiinide kasutamine laevadel

Laevadel praktiliselt kasutatavad gaasiturbiinid töötavad avatud tsükliga. Gaasiturbiinide kasutamine tsiviilotstarbelistel laevadel algas pärast II maailmasõda katseseadmete paigaldamisega olemasolevatele laevadele st. asendati katseliselt mitmetel laevadel vananenud diiselgeneraatorid, sõuelektrimootorid ja aurumasinad gaasiturbiinjõuseadmega ning alustati ka eraldiseisvate gaasigeneraatoritega gaasturbiinide kasutamist, mis kujutab endast kombineeritud jõuseadet, kus gaasi toodetakse kolbsisepõlemismootoris, nn vabakolb-gaasigeneraatoris. Vabakolb-gaasigeneraator on vastaskolbidega väntvõllita diiselmootor, mis ei tee kasulikku tööd, vaid toodab läbipuhkeks ja ülelaadimiseks vajalikku suruõhku, väljuvad heitgaasid suunatakse gaasiturbiini. Esialgsed kogemused gaasiturbiinide kasutamisel laevadel tõid esile nii nende tugevad kui nõrgad küljed. Gaasiturbiinid tõestasid perspektiivikust jõuallikatena, sh kaug- ja automaatjuhtimise suuremaid võimalusi, võrreldes traditsiooniliste jõuseadmetega, paindlikumaid paigutusvõimalusi ja suurepäraseid manööverdamisomadusi – nt aeg turbiini käivitamisest täisvõimsuseni viimiseks on vaid mõned minutid.

Rääkides puudustest tuleb märkida, et esimestes katseseadmetes kasutati tööstuslikke raskeid, sageli auruturbiinide eeskujul kujundatud turbiine ning keerulisi ja suure massi ning mõõtmetega lisaseadmeteid (regeneraatorid, õhu vahejahutid, õhu-gaasitrakti osad), mis ei võimaldanud realiseerida gaasiturbiini eeliseid täielikult. Ilmnes ka, et gaasiturbiinid on kütuse kvaliteedi suhtes tundlikumad kui diiselmootorid või aurujõuseadmed – rangelt on piiratud väävli-, naatriumi-, vanaadiumi- ja mõnede teiste lisandite sisaldus, mis põhjustavad turbiinilabade korrosiooni ja gaasitrakti saastumist. Seejuures põhiline oli see, et gaasiturbiinide kasutegurid jäid samasse suurusjärku auruturbiinjõuseadmetega, kuid madalamaks diiseljõuseadmete näitajatest. Tuldi järeldusele, et asendada olemasolevate laevade jõuseadmeid gaasiturbiinidega on nende kõrge maksumuse ja kasina efekti tõttu majanduslikult ebaotstarbekas, mistõttu edaspidi paigaldati gaasiturbiine üksnes uutele projekteeritud laevadele, kus oli juba arvestatud nende spetsiifikat.

Vaatamata üldiselt positiivsetele ekspluatatsioonikogemustele loeti gaasiturbiinid vabakolb-gaasigeneraatoritega piiratud võimsuste, kõrge müranivoo ja suure erimassi tõttu mitteperspektiivseks suunaks ning tööd nende arendamisel lõpetati.

Läinud sajandi kuuekümnendatel ja seitsmekümnendatel aastatel ehitati rida spetsiaalselt projekteeritud gaasiturbiinlaevu, kus kasutati kergeid, põhiliselt USA firma Turbo Power and Marine Systems tütarfirma Pratt&Whitney lennukimootorite FT4 baasil laevade jaoks konverteeritud lihtsa ringprotsessiga gaasiturbiine, aga ehitati ka raskemate tööstuslike, regeneratiivsetel ringprotsessidel töötavate gaasiturbiinidega laevu.

Kütuste järsk hinnatõus esimese ja teise naftakriisi ajal (1972. ja 1977. a.) peatas ligi 20 aastaks gaasiturbiinide kasutamise tsiviilotstarbelistel laevadel. Osal varemehitatud laevadest asendati peajõuseadmed ökonoomsemate diiseljõuseadmetega, mis tagas tunduvalt väiksema kütusekulu. Sõjalaevu kütuse hinnatõus eriti ei mõjutanud, mistõttu uutele fregattidele, hävitajatele jt kiiretele pealveesõjalaevadele paigaldati sadu lihtsa ringprotsessiga kergeid lennukimootori tüüpi gaasiturbiine mitmesugustes konfiguratsioonides, nii kombinatsioonis diiselmootoritega kui ilma.

Tsiviilotstarbelistel laevadel algas gaasiturbiinide taaskasutamine suhteliselt hiljuti seoses uue laevaklassi – lühimarsruute teenindavate kiirlaevade laialdasema kasutuselevõtmisega paljudel laevaliinidel. Need laevad on ette nähtud reisijate ja autotranspordi veoks kiirustel 40 sõlme ja enam, mis nõuab suhteliselt väikestes laevades väga suuri võimsusi.

Tõsine argument gaasiturbiinide kasuks on kindlasti ka viimastel aastakümnetel tähelepanu keskmesse tõusnud atmosfäärisaaste. Gaasiturbiinide heitgaasid on praktiliselt suitsuvabad ja NOx sisaldus diiselmootoritega võrreldes 5...10 korda väiksem ning selle vähendamine tehniliselt lihtsam.

Võttes kokku gaasiturbiinide kasutusalade perspektiive kommertsalusel töötavates laevades peab arvesse võtma nende eeliseid ja puudusi.

Gaasiturbiinide eeliste hulka tuleb lugeda:

• väga väike erimass (mootori massi ja efektiivse võimsuse suhe), mis võib olla mitu suurusjärku väiksem, võrreldes kolbsisepõlemismootorite ja aurujõuseadmetega

• lihtne ja kompaktne ehitus

• madalad töösurved

• madal müra ja vibratsioonitase ning ideaalne tasakaalustatus edasi-tagasi liikuvate masside puudumise tõttu

• ühtlane pöördemoment

• väike määrdeõli kulu

• heitgaaside väike NOx, SOx ja tahma sisaldus

• lühike ettevalmistusaeg käivitamiseks ja koormuste muutmiseks

• lihtsalt teostatav kaug- ja automaatjuhtimine

• väike hooldus- ja remonditööde maht, võimalus kiiresti välja vahetada defektsed sõlmed ja moodulid tänu gaasiturbiinide vahetatavatest moodulitest (madal- ja kõrgsurvekompressorid, turbiinid, põlemiskambrid jne) koostatud ehitusele.

Olulisteks puudusteks on:

• suur algmaksumus valmistamise tehnoloogilistele protsessidele esitatavate kõrgete nõuete ja eriomadustega kõrgtugevate ja kuumuskindlate materjalide kasutamise tõttu

• kütuse suurem erikulu, võrreldes diiselmootoritega, ja selle kõrgem hind.

Arvestades kõiki poolt- ja vastuargumente ja eriti silmas pidades kütuste hindu ja nende kasvutrendi, pole gaasiturbiinide kasutusalade laienemine kommertsalusel töötavatele kaubalaevadele lähitulevikus tõenäoline. Kiirlaevad ja reisi- (kruiisi-) laevad on erandlikud selle poolest, et nende puhul pole jõuseadme ökonoomsus ainus ja määrav tegur, vaid üks paljudest.

Gaasiturbiinide kasutamine kaubalaevastikus võiks kõne alla tulla vaid eeldusel, et nende kütusekulu õnnestub oluliselt vähendada. Kuna senised katsed luua diiseljõuseadmetele konkurentsivõimeliste kasuteguritega gaasiturbiine pole loodetud edu toonud, on hetkeseisuga diiselmootorid jätkuvalt soosituimad jõuallikad kaubalaevastikus täna ja tõenäoliselt ka lähitulevikus.

Autorid:

• Heino Punab
• Jüri Kask

Allikad: Heino Punab Laevajõuseadmed. Eesti Mereakadeemia, 2008. ISBN 978-9985-808-351