Kaasuturbiini
Kaasuturbiini on lämpövoimakone, jossa kaasu- tai nestemäistä polttoainetta polttokammiossa polttamalla käytetään turbiinia, joka on yhdistetty akselilla ilmaa polttokammioon puristavaan ahtimeen.
Teollistumisen alusta lähtien erilaisilla polttoaineilla käyvät erityyppiset moottorit ovat yleensä olleet raskaita ja monimutkaisia koneita. Tässä joukossa kaasuturbiini on poikkeus. Sen koneisto koostuu periaatteessa vain akselilla yhdistetyistä ahtimesta ja turbiinista sekä palotilasta näiden välissä. Kaasuturbiini tuottaa kokoonsa ja painoonsa nähden paljon tehoa ja/tai työntövoimaa, mutta sen hyötysuhde on dieselmoottoriiin verrattuna hieman alhaisempi, parhaimmillaan kuitenkin yli 40%. Pienellä kuormituksella ja tyhjäkäynnillä kaasuturbiinin polttoainetalous on erityisen huono.
Kaasuturbiinin toiminta perustuu sisäiseen palamiseen: polttoaine ruiskutetaan suurella paineella moottorin keskivaiheille akselin ympärille ryhmitettyihin polttokammioihin. Ahdin puristaa niihin ilmaa, jolloin polttoaine palaa suurella paineella ja pakokaasut purkautuvat taaksepäin turbiinin läpi. Turbiini puolestaan antaa akselin välityksellä voiman ahtimelle. Kaasuturbiinin ja suihkumoottorin tärkein ero on moottorin tuottaman voiman hyödyntämisen tapa: kaasuturbiinista otetaan akselitehoa, suihkumoottorista taas työntövoimaa esimerkiksi lentokoneelle. Potkuriturbiini on lentokoneessa käytetty kaasuturbiini, jonka akseliteho käytetään potkurin pyörittämiseen. Kaasuturbiini eroaa höyryturbiinista, jossa palaminen tapahtuu moottorin ulkopuolella ja itse moottori toimii välikaasun eli vesihöyryn avulla.
Teollisuuskäytössä, esimerkiksi sähköntuotannossa tai öljyn tai kaasun pumppauksessa, erotetaan kaasuturbiinin rakenteessa kaksi päätyyppiä: teollisuus- (engl. "industrial") ja lentokonekaasuturbiinit (aeroderivate, aeronative). Jälkimmäiset ovat suoria kehitelmiä lentokonemoottoreista, ensin mainituilla ei välttämättä ole rakenteen puolesta juuri mitään tekemistä lentokonemoottoreiden kanssa. Teollisuuskaasuturbiineissa sallitaan usein ratkaisuja jotka eivät tulisi lentokonemoottoreissa kyseeseen, mm. suurempi fyysinen koko ja paino, "siilotyyppinen" polttokammio, hitaampi käynnistys, pysäytys ja tehonsäätö ja laakereiden pitkät jälkivoiteluajat sekä jälkipaaksaus (akselin hidas pyörittäminen pysäytyksen jälkeen). Teollisuusmoottorit ovat kuitenkin tehoonsa nähden halvempia kuin vastaavat lentokonepohjaiset kaasuturbiinit.
Sisällysluettelo |
Historia [muokkaa]
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.
Kaasuturbiinien käyttökohteita [muokkaa]
Monet kaasuturbiinit ovat mekaanisesti kytketyllä alennusvaihteistolla varustettuja suoravirtaussuihkumoottoreita. Esimerkkinä matkustajalautta GTS Finnjetin voimanlähteenä olleet 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 ja painoisesta mäntämoottorista. Kaasuturbiinin erinomaisen teho/paino -suhteen ansiosta sitä käytetään kohteissa, joissa keveydellä on erityisen suuri 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 huomattavan raskaiksi kehittyneiden panssarivaunujen liikuttajaksi. Tosin sen suuri polttoaineenkulutus saattaa koitua kohtalokkaaksi huollon pettäessä, sillä pitkät huoltolinjat ja polttoaineen säännöstely rajoittivat jo toisessa maailmansodassa lentokoneiden ja panssarivaunujen liikkeitä merkittävästi.
Toimintaperiaate [muokkaa]
- Ahdin (C)
Kaasuturbiineissa käytetään sekä aksiaali- että radiaaliahtimia. Aksiaaliahdin on yleisempi, sillä radiaaliahdin soveltuu parhaiten suhteellisen pienitehoisiin kaasuturbiineihin. Aksiaaliahtimessa vuorottelevat pyörivät juoksu- ja liikkumattomat johdesiivet, joita voi olla peräkkäin kymmeninäkin vyöhykkeinä.
- Polttokammio (B)
Polttokammiossa osaan ilmaa sekoitetaan polttoainetta, joka sytytetään kipinällä. Kerran sytyttyään palaminen jatkuu yhtäjaksoisena. 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 johdesiipien lomitse. Johdesiipien tehtävänä on suunnata virtaus optimaalisesti kohti juoksusiivistöä ja nostaa samalla palokaasujen virtausnopeutta. Tällöin kaasun paine ja lämpötila termodynamiikan I pääsäännön mukaisesti laskevat. 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 kaasusta on saatu talteen haluttu määrä mekaanista energiaa, kaasut ohjataan poistoputkeen, diffuusoriin. Suihkumoottorin tapauksessa turbiinissa otetaan energiaa vain ahtimen pyörittämiseen tarvittava määrä ja sen jälkeen kaasut johdetaan suihkusuuttimeen, jossa ne muodostavat moottorin työntövoiman. Potkuriturbiinimoottorissa taas pyritään muuttamaan palokaasujen energia turbiinissa mahdollisimman tarkoin mekaaniseksi akselitehoksi. Mekaanisissa käytöissä (generaattorit, pumput, kompressorit) on käytössä sekä yksi- että kaksiakselisia kaasuturbiineja. Mikäli käytettävän kohteen, esim. sähkögeneraattorin, pyörimisnopeus pysyy vain kapealla alueella, voidaan käyttää yksiakselista konetta. Muuttuvanopeuksisissa käytöissä, kuten kompressoreissa ja pumpuissa, täytyy sen sijaan ahtimen akseli erottaa siitä turbiinista ja akselista jotka tuottavat koneesta otettavan hyötytehon sillä turbiinin vääntömomentti laskee jyrkästi nopeuden pienentyessä. Lisäksi ahdinakseliin on yhdistetty öljypumppu tai pumput jo(t)ka tuottavat turbiinin tarvitseman voiteluöljy- ja hydrauliikkakierron ja tästä syystä ahtimen nopeus tulee pitää melko korkeana myös tyhjäkäynnillä.
Materiaalit [muokkaa]
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.
Superseokset [muokkaa]
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 volframilla 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.
Pinnoitteet [muokkaa]
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.
Turbiininsiipien valmistaminen [muokkaa]
Kaasuturbiinin rasitetuin ja suurimmat vaatimukset asettava osa ovat turbiinin siivet. Siksi niiden valmistamisessa tulee laatuun ja kestävyyteen kiinnittää erityistä huomiota.
Valaminen [muokkaa]
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.
Takominen [muokkaa]
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.
Kaasuturbiinivoimalaitos [muokkaa]
Kaasuturbiinivoimalaitos on sähkön tuotantolaitos, jossa generaattoria pyöritetään kaasuturbiinilla.
Toimintaperiaate [muokkaa]
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.
Hyötysuhde ja energiantuotanto [muokkaa]
Polttokammiossa vapautettavasta energiasta poistuu savukaasujen mukana 65 % savukaasuhäviönä. Turbiinin tehosta yli puolet kuluu kompressorin pyörittämiseen, joten sähköntuotannon hyötysuhde jää parhaimmillaankin 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.
Kaasuturbiinilaitokset ovat elintärkeä osa Suomen sähköhuoltoa sillä isossa verkkohäiriössä niillä saadaan erittäin nopeasti (täysi teho 10min käynnistyskäskystä) lisää tuotantoa vaikkapa suuren voimalaitoksen tai siirtolinjan häirön aikana. Turbiinit soveltuvat myös erittäin hyvin tällaiseen käyttöön varmatoimisuutensa, teknisten ominaisuuksiensa ja halpuutensa johdosta. Lisäksi kaasuturbiinin käyttöä varavoimana puoltaa se että niitä ei normaalitilanteessa käytetä kuin muutamia tunteja vuodessa (koekäytöt kerran kuukaudessa ja satunnainen tarve) jolloin polttoainekustannuksilla ei ole suurta merkitystä.
Yhdistämällä kaasuturbiini lämmöntalteenottokattilaan, jossa kuumista savukaasuista otetaan lämpöenergiaa esim. kaukolämpöveteen, saadaan kokonaishyötysuhde jopa 90 %:iin. 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.
Lähteet [muokkaa]
- 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.
- Bong, D. How Gas Turbines Work. Baltimore, Maryland, USA: Vision Engineer, 2000-2002.
- Engines 101. NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio, USA: NASA Ultra-Efficient Engine Technology Program.
Aiheesta muualla [muokkaa]
