Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową lub silnikiem turbospalinowym) – silnik cieplny, który energię napędową pobiera z przepływających spalin lub innego gazu roboczego, zwanego czynnikiem termodynamicznym lub roboczym. Określenie „turbina gazowa” odnosi się do maszyny składającej się ze sprężarki i turbiny (połączonych zwykle wspólnym wałem), oraz komory spalania umieszczonej pomiędzy nimi. == Historia == 1500: Leonardo da Vinci wykonał szkice komina z zamontowanymi wewnątrz wiatrakami poruszanymi ciągiem unoszących się spalin. 1629: Odrzut wydostającej się pod ciśnieniem pary wodnej był wykorzystany przez Giovanniego Brancę do skonstruowania młyna bijakowego. 1678: Ferdinand Verbiest zbudował model pojazdu napędzanego odrzutem pary pod ciśnieniem. 1791: Opatentowano pierwszy silnik będący turbiną, posiadający wszystkie elementy, w które jest wyposażona współczesna nowoczesna turbina. 1872: Pierwsza prawdziwa turbina gazowa została zaprojektowana przez Franza Stolzego, ale nigdy nie pracowała ona samodzielnie bez dodatkowej energii z zewnątrz (sprężarka pobierała większą moc niż oddawała na wał turbiny). 1897: Charles Parsons opatentował turbinę parową do napędu statków. Zasada działania napędu jest wykorzystywana w części do dzisiaj. 1903: Norweg Ægidius Elling zbudował pierwszą turbinę gazową pracującą samodzielnie (sprężarka pobierała mniejszą moc niż wytwarzała sama turbina – nadmiar mocy można było odebrać na zewnątrz do napędu innych urządzeń). Rozwiązanie to wykorzystał później Frank Whittle. 1914: Pierwsze praktyczne zastosowanie turbiny gazowej przez Charlesa Curtisa. 1918: General Electric jako pierwsza na świecie korporacja otworzyła oddział produkcji turbin. 1930: Frank Whittle opatentował turbinę gazową będącą jednocześnie silnikiem odrzutowym. W 1937 roku patent został z powodzeniem sprawdzony w praktyce. 1936: W tym samym czasie, co Frank Whittle, Hans von Ohain i Max Hahn rozwinęli w Niemczech własny opatentowany projekt silnika turboodrzutowego. == Podział == Ze względu na sposób realizacji ogrzewania i chłodzenia czynnika roboczego: układ otwarty (najczęściej stosowany), układ zamknięty, układ kombinowany. Ze względu na liczbę wałów łączących turbinę ze sprężarką i maszyną napędzaną: jednowałowe, dwuwałowe, trójwałowe. Ze względu na budowę układu: układ prosty, układ z chłodnicą wstępną, układ z regeneracją, układ z chłodzeniem międzystopniowym sprężanego powietrza, układ z przegrzewem międzystopniowym rozprężanych spalin, układ z nawilżaniem powietrza (HAT), układ z wtryskiem pary do komory spalania (STIG), układ z kotłem odzyskowym, dowolna kombinacja powyższych wariantów (np. z nawilżaniem powietrza i regeneracją ciepła, lub z chłodzeniem międzystopniowym i regeneracją ciepła). Ze względu na rodzaj paliwa: na paliwo gazowe (najpopularniejsze w układach stacjonarnych), na paliwo ciekłe (najpopularniejsze w układach trakcyjnych), na paliwo stałe (w fazie prób). == Zasada działania == Na wale turbiny zamocowana jest sprężarka (patrz rys. obok) dostarczająca sprężone powietrze wraz z paliwem do komory spalania. Po spaleniu paliwa w komorze (paliwo spalane jest bezpośrednio w sprężonym powietrzu przepływającym przez komorę spalania) spaliny przepływające przez wirnik turbiny, generują moc mechaniczną na wale wirnika, napędzając jednocześnie zamocowaną na nim sprężarkę. Jeśli na turbinie generowana jest większa moc od mocy pobieranej przez sprężarkę, to jej nadmiar może zostać odprowadzony do dowolnej maszyny, np. generatora elektrycznego. Możliwość wygenerowania nadmiaru mocy w turbinie wynika z wyższych temperatur czynnika w turbinie. Im wyższa temperatura czynnika, tym większa jego objętość właściwa (dla tego samego ciśnienia), a więc tym więcej energii trzeba zużyć do jego sprężenia, bądź więcej energii uzyska się z jego rozprężenia. Natomiast im niższa jest temperatura czynnika, tym energia sprężania i rozprężania jest niższa. Można więc wyciągnąć wniosek, że sprężanie w sprężarce czynnika powinno przebiegać przy możliwie niskiej temperaturze, a rozprężanie w turbinie – przy możliwie wysokiej. Czynnik roboczy po rozprężeniu w turbinie posiada jeszcze stosunkowo wysoką temperaturę (więc niesie dużą energię). W układach najprostszych czynnik po opuszczeniu turbiny wydalany jest do otoczenia, co jest przyczyną występowania stosunkowo dużej straty energii. Aby ją ograniczyć stosuje się m.in. rekuperatory, kotły odzysknicowe lub inne urządzenia energetyczne, które odzyskują część energii cieplnej z wyrzucanych do otoczenia spalin. Energia cieplna może być wykorzystywana w celach użytkowych, np. do ogrzewania pomieszczeń lub wody użytkowej, ewentualnie do wytworzenia pary. Energia odbierana z wału turbiny to energia mechaniczna służąca do napędu statków, pociągów, generatorów energii elektrycznej, śmigieł, sprężarek i innych urządzeń, a nawet czołgów. W zastosowaniach lotniczych turbina gazowa jest elementem konstrukcyjnym silnika turboodrzutowego lub turbowałowego (turbośmigłowego, śmigłowcowego). Obieg turbiny gazowej jest zwykle otwarty (w odróżnieniu od obiegu zamkniętego, gdzie rozprężony czynnik pozostaje w obiegu, np. obieg turbiny parowej). W układzie otwartym czynnik termodynamiczny jest pobierany z zewnątrz (powietrze i paliwo) i po przejściu przez komorę spalania i turbinę oddawany do otoczenia (spaliny). == Budowa == === Podstawowe elementy === Turbina gazowa pod względem mechanicznym jest stosunkowo nieskomplikowanym urządzeniem, jeśli porównamy ją do silnika tłokowego. Prosta turbina może mieć tylko jedną ruchomą część (nie licząc układu zasilania w paliwo) – wał z zamontowanym kołem wirnikowym sprężarki i kołem wirnikowym turbiny. Bardziej zaawansowane technologicznie turbiny mogą mieć podwójny wał, setki łopatek kierowniczych i wirnikowych, rozbudowany układ rurociągów, dwie (lub więcej) komory spalania, instalacje dodatkowe (np. wtrysku cieczy bądź pary wodnej), dodatkowe palniki, wymienniki ciepła (chłodnice międzystopniowe, rekuperatory), kocioł odzyskowy, instalacje oczyszczania spalin, urządzenia pomiarowe i sterujące, i inne. Podstawowe elementy turbiny gazowej to sprężarka, komora spalania i turbina. Elementami składowymi sprężarki i turbiny są tzw. stopnie, składające się prawie zawsze z części wirującej (związanej z wałem), tzw. wirnika, oraz części nieruchomej (związanej z nieruchomym korpusem), tzw. stojana lub kierownicy. Zarówno sprężarka, jak i turbina są maszynami prawie zawsze wielostopniowymi (tylko w najmniejszych konstrukcjach jednostopniowe). Komora spalania jest również stosunkowo prostym konstrukcyjnie elementem (lub zespołem elementów) zapewniającym odpowiednie warunki spalania paliwa przy zapewnieniu odpowiedniego chłodzenia ścianek komory powietrzem (zwykle poprzez otwory lub kanały doprowadzające w odpowiedni sposób chłodzące powietrze). === Turbiny wielowałowe === Nieco bardziej skomplikowane konstrukcyjnie rozwiązanie to konstrukcja dwuwałowa. W gazowych turbinach stacjonarnych (do napędu generatorów elektrycznych) najpopularniejszy układ to sprężarka połączona jednym wałem z częścią wysokoprężną turbiny, a część niskoprężna turbiny odprowadza wytworzoną moc mechaniczną do generatora elektrycznego. W układzie tym sprężarka z turbiną wysokoprężną mogą obracać się ze znacznie wyższą prędkością obrotową (niż turbina niskoprężna połączona z generatorem), co ma korzystny wpływ na sprawność wewnętrzną sprężarki i turbiny. W turbinach gazowych wykorzystywanych w silnikach lotniczych w rozwiązaniu dwuwałowym sprężarka wysokoprężna połączona jest wspólnym wałem z turbiną wysokoprężną, a sprężarka niskoprężna – z turbiną niskoprężną (jeden wał umieszczony jest wewnątrz drugiego). Układ taki umożliwia również pracę poszczególnych części z różną prędkością obrotową, co wpływa korzystnie na sprawność układu. W wyjątkowych przypadkach spotykane są rozwiązania trójwałowe, jeszcze bardziej zbliżające warunki przepływowe do optimum. === Chłodzenie łopatek === Sprawność termiczna obiegu turbiny gazowej, a więc także rzeczywistej instalacji, zależy w zdecydowanym stopniu od temperatury spalin na wlocie do turbiny. Im wyższa ta temperatura, tym wyższa sprawność konwersji energii chemicznej paliwa w układzie. Górna granica tej temperatury uwarunkowana jest wytrzymałością materiału łopatek pierwszych stopni turbiny. Ponieważ nawet najbardziej zaawansowane materiały nie mogą znieść zbyt wysokich temperatur, więc stosowane jest chłodzenie łopatek turbiny powietrzem pobieranym ze sprężarki. Powietrze to przepływa przez wewnętrzne kanały wykonane w łopatkach kierownicy i wirnika pierwszych stopni turbiny, chłodząc je od wewnątrz poprzez konwekcję wymuszoną i następnie wypływa przez otwory (widoczne na zdjęciu obok), tworząc dodatkowo tzw. film powietrzny chroniący łopatkę przed bezpośrednim działaniem gorących spalin. Łopatki chłodzone stosowane są od temperatur rzędu 1000 °C (niekiedy nawet 2000 °C). Najlepsze technologie chłodzenia łopatek umożliwiają uzyskiwanie temperatury spalin na wlocie do turbiny na poziomie ponad 1400 °C. Ponieważ chłodzone łopatki turbiny są stosunkowo drogie, więc nie są one zawsze stosowane. Wysoki stopień komplikacji konstrukcji łopatek powoduje, że tylko niektórzy producenci na świecie są w stanie wyprodukować tego typu łopatki. Jest to przyczyną ich wysokich kosztów. == Podstawy termodynamiczne == === Obieg porównawczy === Obiegiem porównawczym turbiny gazowej w układzie prostym jest obieg Braytona-Joule’a (dwie izentropy i dwie izobary – rysunek obok). W obiegu porównawczym powietrze sprężane izentropowo podawane jest do komory spalania, gdzie przy stałym ciśnieniu (izobarycznie) spalane jest paliwo gazowe (np. gaz ziemny) lub ciekłe (np. nafta lotnicza). Rozprężenie spalin następuje w turbinie (izentropowo) do ciśnienia otoczenia. === Obieg rzeczywisty === W myśl Drugiej zasady termodynamiki nie jest możliwe przeprowadzenie przemiany adiabatycznej bez przyrostu entropii. Ponadto do wystąpienia przepływu