Gassturbin
Frå Wikipedia – det frie oppslagsverket
Gassturbin er ein forbrenningsmotor med kontinuerleg forbrenning. Motoren lagar rotasjonsenergi ved at ein turbin nyttar varmeenergi frå eit drivstoff. Energien frå turbinen kan nyttast til å drive ein propell, men mest vanleg er det å nytte varmeenergien til å akselerere lufta og lage jet-skyvekraft. Gassturbinmotorar er i bruk på dei aller fleste fly i dag.
Innhaldsliste |
[endre] Historie
- 60: Oppfinnaren Hero frå Alexandria lager ei dampdriven maskin, aeolipile. Denne vart sett på som eit leiketøy, men potensialet til maskina vart ikkje funne ut før etter mange århundre.
- 1500: Leonardo da Vinci lager ei skisse av "Chimney Jack". Denne nytta varm luft frå ild til å drive ein serie med turbinar som laga rotasjon.
- 1629: Giovanni Branca utvikler ei mølle der maskineriet er drive av ein turbin, som igjen er driven av damp.
- 1678: Ferdinand Verbeist byggjer ein modell av ei vogn som får drivkraft frå ein damp-jet.
- 1791: Engelskmannen John Barber får patent for den første ekte gassturbinen. Motoren hans inneheldt dei fleste elementa som ein finn i moderne gassturbinar.
- 1894: Sir Charles Parsons tar patent på ideen å drive propellen på eit skip ved hjelp av ein dampturbin, og han bygde ein demonstrasjonsbåt, The Turbinia.
- 1903: Nordmannen Ægdius Elling bygde den fyrste gassturbinen som kunne levera nytteffekt. Effekta var 8 kW (11 hk).
- 1918: General Electric, ein av verdas leiande gassturbinprodusentar, startar opp med gassturbinmotorar.
- 1930: Sir Frank Whittle tar patent på den første gassturbinen laga spesielt for jet-skyvekraft. Motoren vart testa og brukt suksessfult første gong i april 1937.
- 1936: Hans von Ohain og Max Hahn frå Tyskland utvikler sitt eigne patenterte gassturbindesign samstundes som sir Frank Whittle.
[endre] Prinsippet bak gassturbinmotoren
Gassturbinmotoren vil ta inn luft, akselerere han, og sende lufta ut bak i høgare hastigheit. Dette skapar skyvekraft gjennom Newtons 3. lov. Lufta som går ut bak har høgare hastigheit og dyttar seg difor bakover, ein aksjon. Dette vil då skape ein reaksjon, altså at motoren vert dytta framover. Nokre motortypar baserer seg på å nytte lite luft, men akselerere han mykje, andre motortypar brukar mykje luft og akselererer han lite. Dette vil på eit prinsippielt nivå gi oss same verknadsgrad.
Korleis motoren verkar, termodynamisk, er skildra i Brayton Cycle.
Brayton Cycle tilsvarar Otto Cycle for stempelmotorar. Syklusen viser trykkforhaldet i dei fire taktene, som er innsug, kompresjon, forbrenning og eksos. I ein gassturbin foregår dette kontinuerleg. Dette fører til at ein kan produsere effekt heile tida, men samtidig krevst det mykje drivstoff for å oppretthalde denne produksjonen.
[endre] Oppbygning og verkemåte
Ein gassturbinmotor vert utgjort av tre delar: kompressor, brennkammer og turbin. Turbofanmotorar har i tillegg ein fan-seksjon. Dette er ei stor "vifte" fremtst på motoren. I tillegg må motoren ha ein form for luftinntak og eksos. Mange motorar har og eit girsystem for at motoren skal drive ulike komponentar som generator, oljepumpe og liknande.
Ein gassturbinmotor har fire takter eller operasjonar på same måte som ein stempelmotor, men i gassturbinmotoren skjer dette kontinuerleg. Dei fire operasjonane er: suge inn luft, komprimere luft, forbrenne drivstoff, blåse ut luft. Dette er skildra i Brayton Cycle.
Den første operasjonen, suge inn luft, foregår i luftinntaket. Det har som oppgåve å forsyne kompressoren med riktig mengde luft, uansett flyforhald. Ein kan utforme luftinntaket på ulike måtar, det kjem an på om ein vil at flyet skal gå i overlydshastigheit. Overflata inne i luftinntaket må vere heilt glatt, elles kan ein få turbulens i lufta inn til motoren, og då vil han yte dårlegare.
Komprimere luft foregår i kompressoren. Kompressoren har som oppgåve å forsyne brennkammeret med luft under trykk. Effektiviteten av ein kompressor målar vi i forhaldet mellom trykk inn i kompressoren og trykk ut. Andre oppgåver kompressoren i ein gassturbinmotor har, er å gi blødeluft til kjøling av dei varmare delane i motoren, gi varmluft av-ising på flyet og luft til kabintrykk, air conditioning, av-ising i drivstoffsystemet og pneumatisk motorstarting. Dei aller første gassturbinmotorane hadde radial-kompressor, men dei aller fleste turbinmotorar har i dag aksial-kompressor. Lufta som kjem ut frå kompressoren har alt for høg hastigheit til at vi klarer å oppretthalde forbrenning. Difor vil lufta passere gjennom ein diffusor som vil senke trykket. Den lufta som skal direkte inn til forbrenning vil og bli gjort turbulent for å minke hastigheita ytterlegare.
Forbrenne drivstoff foregår i brennkammeret. Kompressoren sender luft med høgt trykk inn i brennkammeret. Drivstoff blir sprøta inn gjennom dyser. Under oppstart vil to tennarar setje fyr på drivstoffet, og dette vil då etterkvart gå av seg sjølv. Ein har alltid to slike tennarar i eit brennkammer. Orsaken til det er først og fremst for å få betre forbrenning og lettare start, men det er også ekstra tryggleik. Berre 25% av lufta frå kompressoren vil gå rett inn i brennkammeret. Dei resterande 75% vil til å byrje med gå på utsida av brennkammeret, og kome inn gjennom små "luftehol" i veggen. Det er utforma slik for å sentrere flammen, slik at han ikkje brenn borti veggane i brennkammeret, då det vil føre til svekking av materialet grunna overoppheiting. Lufta som kjem inn vil og vere med å kjøle veggane. Når det foregår ei forbrenning i eit lukka rom, vil trykket auke. Ved å utforme brennkammeret slik at det utvidar seg likt som lufta, vil vi i staden auke lufthastigheita. Det ideelle blandingsforhaldet mellom drivstoff og luft er 1:15. Diverre vil dette blandingsforhaldet skape mykje meir varme enn turbinen tolar. Under normale operasjonsforhald ivl drivstoff/luftforhaldet ligge frå 1:45 og heilt opp til 1:130. Det som set grensa for kor mykje drivstoff vi kan nytte, og med det kor mykje motoren kan yte, er kor mykje varme turbinen tolar.
Når lufta har passert brennkammeret inneheld han mykje energi. For å bruke denne energien er det plassert ut ein turbin rett etter brennkammeret. Når turbinen blir treft av luft i høg hastigheit, vil han spinne rundt. Turbinen er kopla til ei aksling, som igjen er kopla til kompressoren. Når turbinen går rundt vil difor også kompressoren gå rundt, og forsyne brennkammeret, som lagar meir energi til å drive turbinen. Slik driv motoren seg sjølv. Den energien som ikkje blir brukt opp av turbinen vil utgjere den siste operasjonen, blåse ut luft. Lufta går bak i eksosen, som er utforma som ei dyse. Lufta blir dermed akselerert opp, og kjem ut i høgare hastigheit enn lufta som kom inn. Dette lager skyvekraft for motoren.
[endre] Forskjellige gassturbintypar
Gassturbinmotorar blir delt opp i fire ulike typar:
- Turbojet
- Turbofan
- Turboprop
- Turboshaft.
Turbojet- og turbofanmotorar er jetmotorar, på den måte at dei lager skyvekraft ved å akselerere lufta bakover. Turboprop- og turboshaftmotorar er litt annleis. Den krafta dei produserer blir ført gjennom ei giroverføring for å drive noko som produserer skyvekrafta, til dømes ein propell.
Turbojet
Turbojetmotoren er ein low bypass-gassturbin. Dette vil seie at så godt som all lufta som går inn i motoren vil gå gjennom heile systemet. Turbojet er stort sett i bruk på jagerfly i dag, passasjerfly har gått over til turbofan. Orsaken til dette er at ein turbojetmotor lagar mykje støy, og nyttar svært mykje energi på å drive seg sjølv. Det vil igjen bety mindre energi til skyvekraft. Ein av dei viktigaste orsakane til at jagerfly framleis nyttar turbojetmotorar er at dei drive flyet opp i supersoniske hastigheitar, noko dei andre motortypane ikkje kan. I prinsippet vil ein turbojetmotor flytte lite luft med stor hastigheit for å skape skyvekraft.
Turbofan
Turbofanmotoren er ein high bypass-gassturbin. Det betyr at mesteparten av lufta vil gå på utsida av motorkjernen. Framst på ein turbofanmotor sit ei "vifte", fan-seksjonen. Denne har mykje større diameter enn resten av motoren, og mesteparten av lufta vil berre gå gjennom fanblada og statorblada, og ut bak. Forhaldet mellom luft som går gjennom kjernemotoren og luft som går på utsida kallar vi bypass ratio. Denne ligg gjerne på rundt 1:4, altså at 20% av lufta går gjennom kjernemotoren, og resten går utforbi. Fordelen med denne motortypen er at han lagar mykje mindre støy. Orsaken til dette er at lufta som går utanpå kjernemotoren dempar lyden kraftig. Turbofanmotoren har og høgare verknadsgrad enn turbojetmotoren. Turbofanmotoren flyttar mykje luft, men ikkje med så høg hastigheit, for å lage skyvekraft. Turbofanmotorar er i bruk på alle store passasjerfly.
Turboprop
Turbopropmotoren lagar ikkje skyvekraft på same måte. I staden for å nytte jetkrafta, så nyttar ein rotasjonsrøsla frå motoren til å drive ein propell. Dette skjer gjennom eit reduksjonsgir, sidan propellen skal ha mykje lågare turtal enn motoren. Turbopropmotoren blir stort sett brukt på små og mellomstore fly.
Turboshaft
Turboshaftmotoren verkar på same måte som turbopropmotoren, bortsett frå at han ikkje blir kopla til ein propell. Turboshaft er ei fellesnemning for motorar som blir brukt til å drive alt anna enn propellar. Motortypen er mest i bruk på helikopter, der han gjennom eit girsystem driv rotoren.
[endre] Sjå óg
- Motor
- Forbrenningsmotor
- Brayton Cycle
- Newtons rørslelover
- Termodynamikk
[endre] Kjelder
- Engelsk wikipedia, gas turbines
- Aircraft gas turbine guide (General Electrics)
