Gasturbiner. Föreläsning i Termisk Energiteknik Dr Mikael Höök, universitetslektor Global Energy Systems, Uppsala Universitet

Transkript

1 Gasturbiner Föreläsning i Termisk Energiteknik Dr Mikael Höök, universitetslektor Global Energy Systems, Uppsala Universitet

2 Gasturbiner Samlingsnamn för anläggningar som utvinner energi från brinnande gaser Kan också syfta till enbart turbindelen i en sådan anläggning Vitala delar i flygplans jetmotorer, nödaggregat, elkraftanläggningar, kombicykelkraftverk och en rad andra tillämpningar

3 Arbetsprincip Gas komprimeras och sänds vidare Värme tillförs i brännkammaren Den varma gasen expanderar över en turbin och ger arbete

4 Ideala processer

5 Braytoncykeln

6 Riktiga cykler

7 Historisk utveckling Den grekiske matematikern och atomisten Heron i Alexandria uppfann den första egentliga gasturbinen aeolipilen kring år 0 Primitiv design avsedd som leksak men dess fulla potential insågs inte förrän långt senare

8 Leonardo Da Vinci Kring år 1500 skissade han en enstegs axialturbin som utvann arbete från varma rökgaser i en skorssten Ett mekaniskt spel med kedjor och kuggar gjorde att gasernas rörelse kunde omvandlas till rotation

9 Spirituella maskiner från Öst Den Ottomanske universalgeniet och ingenjören Taqi al-din skapade runt år 1551 en primitiv turbin som kunde drivas med ånga för att producera arbete Hans bok The Sublime Methods of Spiritual Machines spreds till väst och influerade många

10 Giovanni Brancas turbin Branca, en italiensk arkitekt och ingenjör, designade en primitiv turbin som kunde driva en tryckpress Teoretiserade om tillämpningar i sågverk och mycket annat Dock inte så markant mycket bättre än Herons ursprungliga aeolipil

11 Matematisk magi År 1648 spreds Da Vincis och al-dins idéer vidare genom John Wilkins episka verk Mathematical Magick som inspirerade en rad mekaniker och ingenjörer Kompressorer och brännkammare hade ännu inte tillkommit

12 John Barber År 1791 visade den engelska kolmästaren och uppfinnaren John Barber vart skåpet ska stå Han inkluderade en kedjedriven kolvkompressor innan brännkammaren Den ursprungliga designen skulle användas för att driva en hästlös vagn Kom att inspirerar alla efterkommande designer

13 Barbers gasturbin Luft och brännbar gas från kol och ved komprimerades i olika behållare Blandningen pumpades in i en explosionskammare där den antändes Expanderande gaser drev ett skovelhjul som via en växel gav rotationsarbete

14 Dålig teknik Dålig tillgänglig teknik på kompressorsidan gjorde att ingen gasturbin lyckades producera mer energi än vad den krävde för att drivas Ångturbiner utvecklades dock stadigt via Parsons med flera (se ångpanneföreläsningen) Först i början av 1900-talet var tekniken mogen för att riktiga gasturbiner skulle kunna ta form

15 George Brayton Designade en tvåslags fotogendriven gasturbin Högre effektivitet med fick liten betydelse eftersom det inte gick att komprimera gas/luftblandningen tillräckligt innan brännkammaren Hans design hamnade i skuggan av Otto-motorn Utvecklade även de teoretiska termodynamiska beskrivningarna av gasturbiner

16 Norska genombrott Norrmannen Ägidus Elling insåg att temperaturerna var avgörande Hans gasturbin från 1903 kunde klara upp till 400 C inloppstemperatur Detta blev den första design som genererade en nettoeffekt på 11 hp (massiv effekt för denna tid)

17 Nya kompressorer Dr Sanford Moss uppfann ett revolutionerande turboaggregat Drev med avgaser istället för mekaniskt arbete, vilket medförde högre effektivitet än andra kompressorer Hans arbete gjorde General Electrics till världsledande inom gasturbiner

18 Sir Frank Whittle Imponerades av Ellings genombrott och Moss nya turboaggregat Gjorde viktiga insatser som gav upphov till de moderna jetmotorerna och den nuvarande designen av gasturbiner

19 Hans von Ohain Upptäckte jetmotorns design oberoende av Whittle Tillsammans med Heinkel designades en rad nya motordesigner där turbinen och kompressorn sammanbands av en gemensam axel

20 Olika designlösningar Gasturbiner är mekaniskt mycket enklare än andra förbränningsmotorer Oftast finns bara en rörlig del, själva turbin/kompressoraxeln, om man exkluderar bränslepumpar Detaljer vid utformningen är viktiga så tillverkningen är ofta svårare än kolvmotorer

21 Turbojetmotorn Här är turbindelen liten eftersom mycket energi (dvs hastighet) behövs hos avgaserna för att driva fordonet framåt Turbindelen är därmed liten för att den endast behöver leverera bruksel för fordonet

22 En riktig jetmotor

23 Dubbelströmsmotorn (turbofan) Tystare ön turbojeten Fläkten är lite som en propeller Framdrivs sker dels via fläkten och dels via avgaserna

24 Dubbelströmsmotorer Finns i två huvudvarianter Low-bypass (2:1 eller lägre) för varje kg luft som går genom brännkammaren passerar 2 kg luft utanför men accelereras av fläkten High-bypass (5-6:1 eller lägre) Genererar mycket mer dragkraft än low-bypass och är mer energieffektiva än rena jetmotorer Ultra high-bypass (propfläktmotor) Experimentell design som aldrig kommersialiserats

25 High-bypass dubbelströmsmotor 1. Nacell 2. Fläkt 3. Lågtryckskompressor 4. Högtryckskompressor 5. Brännkammare 6. Högtrycksturbin 7. Lågtrycksturbinturbin 8. Jetutblås 9. Fläktutblås

26 Turbopropmotorn Framdriften sker via en propeller, så designen försöker maximera nyttigt axelarbete som går ut till propellern Avgaserna är kalla och relativt oanvändbara i jämförelse

27 Turboaxelmotorer En gasturbindesign som försöker maximera ut arbetet på en axel Ger inga varma avgaser som kan ge framdrivning Används i helikoptrar, stridsvagnar, bilar, fartyg och andra fordon samt stationära tillämpningar

28 Pulsjetmotorn Enkel design utan eller med få rörliga delar Uppfanns 1906 av ryssen Karavodin men beskrevs termodynamiskt av Lenoir redan 1860 Används i missiler (V1 med flera) samt flera experimentella flygfordon

29 V1 den första kryssningsroboten V1-robotens pulsjetmotor arbetade med 45 cykler per sekund och fick därför smeknamnet Buzz bomb av Londons lokalbefolkning under krigstiden Blitz (12 månader) V-1 (2.75 månader) 1. Tysklands kostnader Militära utfall 90,000 8,025 Vikt bomber [ton] 61,149 14,600 Bränsleåtgång [ton] 71,700 4,681 Förlorade flygplan 3,075 0 Förlorade soldater 7, Resultat Den pulsjetmotorförsedda V1-roboten kom att bli prototyp för alla efterkommande kryssningsrobotar Förstörda byggnader 1,150,000 1,127,000 Antal dödade 92,566 22,892 Antal döda/ton bomb Efterkommande militär utvärdering av en amerikansk general fick USA att satsa stort på dessa nya vapentyper på grund av kostnadseffektivitet 3. Allierades kostnader Militära utfall 86,800 44,770 Förlorade flygplan 1, Förlorade soldater 2, Källa: Irons, R (2003) Hitler's Terror Weapons: The Price of Vengeance.

30 Ramjetmotorn Kompressionen kommer från hastigheten Enkel och billig design Kan inte fungera om den står still utan kräver starthjälp (arbetar mellan 3-6 Mach) Används främst på raketer och missiler Gorgon IV den först ramjetdrivna luft-luftmissilen (USA:s marin)

31 Scramjet Scramjet = Supersonic Combustion Ramjet Snarlik design men förbränningen sker i supersoniskt flöde med helt andra egenskaper Snabbaste förbränningsmotorn som finns

32 Stationära kraftanläggningar Arbetar oftast nästan alltid efter turboaxelprincipen (turboprop är snarlik men fokuserad på flygplan) Viktig skillnad är att turbinblad, kompressorer och lager är större och hållbarare Avgaserna är ju inte intressanta för framdrift men bär ändå bort mycket energi som kan tas tillvara på via värmeväxlare som driver en extern ångcykel på spillvärmen (kombicykel)

33 Kraftgasturbiner Finns i allt från mikroformat till enorma system Väldigt högt kraft/vikt förhållande och generellt avsevärt mindre än kolvmotorer och andra motorer 50 W 300 kw 400 MW

34 30 MW processturbin

35 Begränsningar i storlek Gasturbiner blir opraktiska vid för stor storlek då mekanisk påfrestning vid lager och annat börjar dominera De största gasturbinerna har upp mot 400 MW Efterfrågas större effekter använder man flera sammankopplade turbiner istället

36 Effektivitet Ligger i storleksordningen 35-40% för stora turbiner Cirka 25-35% är vanligt för mikroturbiner Millimeterstora MIT-prototyper ligger på 5-6% Kombineras gasturbinen med en ångcykel som använder spillvärmen kan mycket högre verkningsgrader nås, cirka 60% för enbart el och 80-90% för kraftvärme

37 Förluster Gasturbiners förluster sker främst via avgaserna som bör bort stora värmemängder Kompressorn kan också sluka en betydande del av energiproduktionen (upp mot 50%) och får sällan högre isentropisk verkningsgrad än 60-70% Värmeåtervinning och bra kompressorer är viktiga Friktionsförluster i lager är också en förlustkälla

38 Rotationshastigheter Gasturbiner roterar snabbt ( rpm) Rotationshastigheten är större ju mindre turbinen blir Passande lager vid axel upphängningen är en vital del av designen Ursprungligen användes hydrodynamiska oljelager eller oljekylda kullager, men numera är de ersatta av folielager (foil bearings)

39 Hydrodynamiska lager Två metallytor separeras av en trycksatt vätska Vid rotation hålls hela tiden ytorna separerade av vätskan och all friktion sker innuti vätskan Med passande olja kan friktionen hållas låg

40 Kullager Rotationen hängs upp på sfäriska kulor Friktionsvärme skapas som görs bort med oljesmörjning/kylning Passar bra vid relativt låga rotationshastigheter

41 Folielager En tunn metallfolie pressas mot axeln via en annan fjäderladdad folie Vid snabb rotation kommer luften att pressa bort folien från så att all kontakt upphör Luft dras in i folien via viskösa effekter och håller axeln svävande mitt i tomma luften Kommersialiserades på 1990-talet

42 Folielagrets fördelar Hög effektivitet Hög pålitlighet Tyst drift Oljefritt (minskar miljöpåverkan) Stort temperaturintervall ( K) Lågt servicebehov Högt vibrations- och chockmotstånd Optimalt för hög rotationshastighet

43 Kompressorer Central komponent i alla gasturbinsanläggningar för kraftproduktion Finns i många typer, men axialflödes, centrifugal, kolv- och skruvkompressorer är vanligast Viktigt att skilja på de verkliga kompressorerna från de ideala processerna Görs via isentropisk verkningsgrad

44 Ideala kompressorer Arbetar isentropiskt (reservibel adiabat) och har inget värmeutbyte med omgivningen Beskrivs av Poissons relation Den isentropiska exponenten γ är kvoten Cp/Cv

45 Isentropisk verkningsgrad Isentropiska processer kan relateras till verkliga genom en isentropisk verkningsgrad Kompressorer η c W s = W act w w s act Verkliga kompressorer drar alltid mer arbete än isentropiska Notera att uttrycket skiljer sig från turbiner!!!

46 Kompressors egenskaper För en steady-state, adiabatisk kompressor q w = h h1 + KE 2 + PE Om q, KE och PE är noll blir: w = h 1 h 2 Generellt uttryck w s = h 1 h 2 s Ideal kompressor w a = h 1 h 2 a Verklig compressor

47 Isentropisk verkningsgrad Kompressorns verkningsgrad skrivs då: För en ideal gas med konstant Cp: Då blir: 2a 1 2s 1 a s c h h h h w w = = η T 2a T T T 1 2s 1 = η c ) T T ( c h h w s 2 1 p s 2 1 s = = ) T (T c h h w 2a 1 p 2a 1 a = =

48 Kompressorer Kompressorarbetet är direkt proportionellt mot T om man har konstanta värmekapaciteter För riktiga gaser finns också ett beroende på P Arbetet kan därmed representeras som en förändring på T-axeln i ett Ts-diagram

49 S Kompressorarbetet T 2a 2s T 1 T 2a T 1 T 2s 1

50 Kompressordesign Axialflödeskompressorer är vanliga på grund av hög isentropisk verkningsgrad Dock är kompressionen begränsad så flera steg behövs för att nå höga tryckförhållanden

51 Turbinens verkningsgrad Hos turbiner är det arbete ut som är viktigt, inte instoppat arbete En isentropisk turbin producerar mest arbete och då blir isentropiska verkningsgraden η T η T = W act = h h W 1 1 s h h 2a 2s w w act s

52 Turbiner T 1 2a 2s 2a 2a S Lutningen beror på en rad olika irreversibiliteter

53 Kombicykler För att öka verkningsgraden på en gasturbin används ofta en mindre ångturbin i anslutning Detta medför dock att anläggningen inte kan regleras lika fort som tidigare och blir mer lämpad för baskraftproduktion Naturgaseldade kombikraftverk är det effektivaste sättet att producera elektricitet via termiska processer som finns

54 Flödesschema

55 Typiska storlekar Kombicykler består ofta av en 400 MW gasturbin kopplad till en 200 MW ångturbin, totalt 600 MW Typiska kraftverk har allt från 1 till 8 sådana steg Single shaft-konstellationer har en ångturbin per gasturbin Multi shaft-designer har flera gasturbiner per ångturbin vilket ger effektivare ångdel

56 Installationskostnad Alstrom, General Electric och Siemens erbjuder kommersiella kombicykellösningar med en kostnad på omkring 600 $/kw Uppförningstiden för en kombicykel är dock längre (år) än enbart en gasturbin (månader) Kombicykler kräver även kylflöden vilket är ett problem i vissa fall

57 Gasturbiner i Mellanöstern Mellanöstern är till stor del försörjd av gasturbiner när det gäller elproduktionen Brist på vatten och kylkapacitet är en förklaring, likaså det lokala överskottet på naturgas Billig och enkel lösning utifrån de lokala förhållandena

58 Schematisk bild

59 Lite riktiga verk

60 Gasturbiners bränslen Stor flexibilitet rörande bränslevalet Gasturbiner kan köras på allt från fotogen och diesel till tungolja eller naturgas/biogas Bränslet tillförs i brännkammaren och är försumbart i förhållande till arbetsmediet Högtemperaturvärmeväxlare kan även tillföra nödvändig värme till den komprimerade gasen innan expansionen över turbinen

61 Brännkammaren Brännkammaren matas med komprimerad luft från kompressorsystemet Finns flera olika typer beroende på hur förbränningen är utformad Sir Frank Whittle och hans multibrännkammardesign från 1941 Gasturbiner kan ha en eller fleras brännkammare beroende på design

62 Nukleära gasturbiner Helium- och gaskylda reaktorer kan använda Braytoncycler och kombicykler istället för vanliga ångcykler Då tillförs nukleär värme till brännkammaren via en värmeväxlare

63 Efterbrännkammare Används på militära gasturbiner för att öka dragkraften påtagligt Extra bränslemunstycken sprutar in bränsle i de heta avgaserna och ökar därmed deras hastighet vilket ger en kraftig acceleration Väldigt bullrig och bränslekrävande

64 Pimp my gas turbine! Går det att förbättra gasturbinen och Braytoncykeln? Ja via tillsats av värmeväxlare och rekuperatorer Kallas Ericssoncykeln

65 Ericssons gasturbinscykel Svensken John Ericsson designade två olika sorters gasturbincykler under 1800-talet Den första var mer eller mindre identisk med Braytons arbeten Den andra var en förbättring som idag är känd som Ericssoncykeln

66 Ericssoncykeln 1. Isoterm kompression 2. Isobar värmetillförsel 3. Isoterm expansion 4. Isobar nedkylning η t =1 T / T L H Åstadkoms via flera steg med värmeväxlare, rekuperatorer och återvärmare

67 Ericssoncykeln i praktiken Installation av rekuperatorer/regeneratorer gör kretsen mer komplicerad och servicekrävande Regeneratorer är varianter av motströmsvärmeväxlare där det kan ske en viss blandning mellan fluiderna Kostnaden från dessa extrakomponenter tenderar dock att bli små jämfört med bränslebesparingarna så Ericssoncykeln har fått nytt intresse

68 Sammanfattning Gasturbiner är ett gammalt koncept som utvecklats kraftigt senaste århundradet Levererar hög effekt i förhållande till sin vikt och storlek utan behov av kondensor Vital för flygplan och jetdrift, men även betydelsefull för ~30% av elproduktionen i världen Braytoncykeln dominerar, även om det finns förbättringar

69 Tack för uppmärksamheten!