Teori turbin gas Konten pengantar 1.1 Terbuka Terbuka siklus tunggal-poros dan pengaturan twin-poros 1.2 pengaturan Multi-spool 1,3 siklus tertutup 1.4 propulsi Pesawat 1.5 aplikasi Industri 1.6 Isu-isu lingkungan 1. !eberapa ke"ungkinan "asa depan 1.# $as prosedur desain turbin siklus da%a poros 2.1 siklus Ideal 2.2 Metode akuntansi untuk kerugian ko"ponen 2.3 per&itungan kiner'a titik (esain 2,4 kiner'a Perbandingan dari siklus praktis 2.5 $abungan siklus dan ske"a kogenerasi 2,6 turbin gas )losed-*%*le siklus turbin gas untuk propulsi pesawat 3.1 Kriteria kiner'a 3.2 e+isiensi nole Intake dan "endorong 3,3 siklus turbo'et eder&ana 3.4 turbo+an engine 3.5 Mesin turboprop 3.6 T&rust aug"entation ko"presor sentri+ugal 4.1 Prinsip operasi 4.2 Peker'aan %ang dilakukan dan kenaikan tekanan 4.3 (i++user 4.4 e+ek )o"pressibilit% 4.5 'u"la& on-di"ensi untuk "eren*anakan ko"presor karakteristik 4.6 karakteristik )o"pressor 4. prosedur desain Ko"puterisasi ko"presor aliran aksial 5.1 /perasi dasar 5.2 Teori (asar 5.3 0aktor-+aktor %ang "e"pengaru&i rasio tekanan ta&ap 5.4 Pen%u"batan di anulus ko"presor 5.5 Tingkat reaksi 5.6 aliran tiga di"ensi 5. Proses (esain
5.# desain Pisau 5. Per&itungan kiner'a panggung 5.1 e+ek )o"pressibilit% 5.11 kiner'a /++-desain 5.12 karakteristik ko"presor aksial 5.13 Penutupan siste" pe"bakaran 6.1 Pers%aratan /perasional 6.2 enis siste" pe"bakaran 6.3 !eberapa +aktor penting %ang "e"pengaru&i desain ruang bakar 6.4 Proses pe"bakaran 6,5 kiner'a ruang Pe"bakaran 6.6 !eberapa "asala& praktis 6. e"isi Turbin gas 6.# gasi+ikasi )oal ksial dan turbin aliran radial .1 Teori Teori (asar turbin aliran aksial .2 teori orte .3 Pili&an pro+il blade, pit*& dan *&ord .4 7sti"asi kiner'a panggung ,5 kiner'a turbin Keseluru&an .6 turbin didinginkan . Turbin aliran radial Prediksi kiner'a turbin gas seder&ana #.1 Karakteristik Ko"ponen #.2 /++-desain operasi turbin gas tunggal-poros #.3 78uilibriu" "en'alankan generator gas #.4 /++-desain operasi "esin turbin gratis #.5 /++-desain operasi "esin 'et #.6 Metode "enggusur garis ekuilibriu" ber'alan #. Pendirian kerugian tekanan 9ariabel Prediksi kiner'a - topik lan'ut .1 Metode "eningkatkan kiner'a bagian-beban .2 Pen*o*okan prosedur untuk "esin twin-spool .3 !eberapa *atatan tentang perilaku "esin twin-spool .4 Pen*o*okan prosedur untuk "esin turbo+an .5 Perilaku Transient turbin gas .6 Prinsip siste" kontrol :a"piran !eberapa !eberapa *atatan dina"ika gas 7+ek )o"pressibilit% .l ;pengobatan kualitati+< persa"aan dasar .2 untuk untuk tetap satu di"ensi ko"presibel
aliran gas %ang se"purna di suatu saluran aliran .3 isentropik di saluran dari berbagai daera& aliran gesekan .4 di daera& saluran konstan dengan perpinda&an panas aliran diabati* .5 .5 di daera& saluran s aluran konstan dengan gesekan .6 Pesawat gelo"bang ke'ut %ang nor"al gelo"bang ke'ut . /bli8ue .# isentropik dua di"ensi ekspansi supersonik dan ko"presi
kata pengantar untuk edisi keempat Hal ini persis 40 tahun sejak saya diperkenalkan untuk mempelajari turbin gas, menggunakan Buku Buku hanya hanya dis disebut ebut sebagai sebagai Cohen Cohen dan Rogers. ogers. Setela Setelah h satu satu dekade dekade dalam dalam turbin gas industri Saya memiliki nasib baik untuk bergabung Profesor Rogers di ni!ersitas Bristol dan sangat terhormat untuk diundang untuk bergabung dengan penulis asli dalam penyusunan edisi kedua tahun "#$". Sayangnya, %r Cohen meninggal pada tahun "#&$, tapi saya yakin dia akan senang mengetahui bah'a buku yang dimulai dimulai pada tahun "#(" masih akan kuat. kuat. Profesor Profesor Rogers, Rogers, meskipun meskipun pensiun, pensiun, tetap tetap sepenu sepenuhny hnya a aktif aktif sebaga sebagaii kritik kritikus us dan terus terus menjag menjaga a anggot anggota a fakult fakultas as junior di line) komentarnya komentarnya telah sangat membantu saya. Sejak edisi ketiga tahun "#&$, turbin gas telah ditemu ditemukan kan untuk untuk menjadi menjadi *o*ok *o*ok untuk untuk pening peningkat katan an jumlah jumlah aplikas aplikasi, i, dan ini ter*ermin dalam Pendahuluan baru. turbin gas menjadi banyak digunakan untuk beban dasar pembangkit listrik, sebagai bagian dari tanaman siklus gabungan, dan siklus siklus gabung gabungan an menerim menerima a lebih lebih banyak banyak perhat perhatian ian di edisi edisi ini. %engan %engan mening meningkat katnya nya penggu penggunaa naan n turbin turbin gas, gas, pengend pengendali alian an emisi emisi berbaha berbahaya ya telah telah menjad menjadii semaki semakin n pentin penting. g. Bab tentan tentang g pembaka pembakaran ran telah telah diperb diperbesa esarr untuk untuk menyertakan diskusi besar faktor+faktor yang mempengaruhi emisi dan deskripsi meto etode saat meny enyerang masalah lah. Bag Bagian dari gasik ikasi batubara juga telah ditambahkan. -khirnya, kesempatan telah diambil untuk membuat banyak perbaikan ke*il tapi signikan dan penambahan pada teks dan *ontoh. Seperti pada edisi ketiga, tidak ada upaya telah dilakukan untuk memperkenalkan komputasi metode untuk ofturboma*hinery desain aerodinamis dan pengobatan dibatasi untuk dasar+dasar) mereka yang ingin mengkhususkan diri harus menga*u saat ini, dengan *epat berubah, sastra. Pemba*a yang ingin akses ke suite program kinerja *o*ok untuk digunakan pada komputer pribadi akan menemukan tersedia se*ara komersial Program -S/RB oleh %r oa*him 1ur2ke sangat berguna) ini berkaitan dengan kedua desa desain in dan dan o3+d o3+des esai ain n perh perhit itun unga gan. n. Cara Cara untu untuk k mend mendapa apatk tkan an prog program ram ini ini dijelaskan dalam rubrik ampiran B. Saya ingin mengu*apkan terima kasih yang terdalam untuk ordon Rogers, yang memperkenalkan saya ke karir uni!ersitas dan selama lebih dari 50 tahun telah bos, mentor, rekan ekan kerja erja dan dan teman eman.. Bers Bersam ama a deng dengan an Henr Henry y Coh Cohen, en, a'al a'al bek bekerja erja memba'aku ke karir di turbin gas dan sudah suatu kehormatan besar untuk bekerja dengan dia selama tahun.
/erima kasih sekali lagi karena 6lmu Pengetahuan -lam dan 7ngineering Resear*h Coun*il of Canada untuk dukungan keuangan dari pekerjaan saya selama bertahun+tahun. -khirnya, terima kasih yang tulus kepada ois 8hillans atas kesabaran dan humor yang baik dalam mempersiapkan naskah.
1onten " introdu*tion %ari berbagai sarana menghasilkan tenaga mekanik turbin dalam banyak menghormati paling memuaskan. /idak adanya re*ipro*ating dan menggosok anggota berarti menyeimbangkan masalah sedikit, bah'a konsumsi minyak pelumas adalah sangat rendah, dan kehandalan yang bisa tinggi. 1euntungan yang melekat dari turbin pertama kali menyadari menggunakan air sebagai 9uida kerja, dan hidro+listrik listrik masih merupakan kontributor yang signikan untuk sumber energi dunia. Sekitar pergantian abad kedua puluh turbin uap memulai karir dan, terlepas dari penggunaan luas sebagai pembangkit listrik laut, telah menjadi yang paling penting penggerak untuk pembangkit listrik. Pabrik turbin uap memproduksi lebih " 000 :8 dari daya poros dengan esiensi 40 persen sekarang digunakan. %i :eskipun pembangunan sukses, turbin uap tidak memiliki melekat kerugian. 6ni adalah produksi tekanan tinggi suhu tinggi uap melibatkan instalasi bull*y dan mahal uap peralatan pembangkit, apakah itu menjadi boiler kon!ensional atau reaktor nuklir. ;itur yang signikan adalah bah'a gas panas yang dihasilkan dalam boiler tungku atau reaktor inti tidak pernah men*apai turbin) mereka hanya digunakan se*ara tidak langsung untuk menghasilkan *airan menengah, yaitu uap. Sebuah pembangkit listrik jauh lebih kompak terjadi ketika air menjadi uap langkah adalah dihilangkan dan gas panas sendiri digunakan untuk menggerakkan turbin. Serius pengembangan turbin gas mulai tidak lama sebelum Perang %unia 1edua dengan daya poros dalam pikiran, tetapi perhatian segera dipindahkan ke mesin turbojet untuk Pesa'at propulsi. /urbin gas mulai bersaing dengan sukses di bidang lain hanya di pertengahan sembilan belas lima puluhan, tetapi sejak itu telah membuat semakin lebih besar dampak dalam meningkatkan berbagai aplikasi. %alam rangka untuk menghasilkan ekspansi melalui turbin rasio tekanan harus tersedia, dan langkah yang diperlukan pertama dalam siklus pabrik turbin gas harus
menekankan pisau turbin, yang suhu tidak boleh melebihi suatu nilai kritis tertentu. >ilai ini tergantung pada kekuatan *reep dari bahan digunakan dalam pembangunan turbin dan kehidupan kerja yang dibutuhkan. 6ni maka adalah dua faktor utama yang mempengaruhi kinerja turbin gas? esiensi komponen dan suhu kerja turbin. Semakin tinggi mereka dapat dibuat, semakin baik kinerja serba tanaman. 6tu, pada kenyataannya, rendah esiensi dan bahan turbin miskin yang memba'a kegagalan dari jumlah upaya a'al untuk membangun sebuah mesin turbin gas. :isalnya, pada tahun "#04 dua insinyur Peran*is, -rmengaud dan emale, membangun unit yang melakukan sedikit lebih dari mengubah dirinya lebih? esiensi kompresor mungkin tidak lebih dari @0 per persen dan suhu gas maksimum yang dapat digunakan adalah sekitar $ 40 1. 6ni akan ditampilkan dalam Bab A bah'a esiensi keseluruhan siklus turbin gas. tergantung juga pada rasio tekanan dari kompresor. 1esulitan memperoleh rasio tekanan su*ently tinggi dengan esiensi kompresor yang memadai tidak diselesaikan sampai ilmu aerodinamis dapat diterapkan pada masalah. Pengembangan turbin gas telah bergandengan tangan dengan perkembangan ilmu pengetahuan ini, dan bah'a metalurgi, dengan hasil bah'a sekarang mungkin untuk menemukan mesin *anggih menggunakan rasio tekanan hingga 5(? ", komponenesiensi of&(+#0 persen, dan suhu inlet turbin melebihi "@(0 1.
Pada hari+hari a'al dari turbin gas, dua sistem kemungkinan pembakaran diusulkan? satu pada tekanan konstan, yang lain pada !olume konstan. Se*ara teoritis, esiensi termal siklus !olume konstan lebih tinggi dari bah'a siklus tekanan konstan, tetapi kesulitan mekanik yang sangat banyak lebih besar. %engan penambahan panas pada !olume konstan, katup diperlukan untuk mengisolasi ruang bakar dari kompresor dan turbin.
pengembangan masa depan. -dalah penting untuk menyadari bah'a dalam turbin gas proses kompresi, pembakaran dan ekspansi tidak terjadi 6 komponen tunggal seperti yang mereka lakukan dalam re*ipro*ating engine. :ereka terjadi di komponen yang terpisah dalam arti bah'a mereka dapat diran*ang, diuji dan dikembangkan se*ara indi!idu, dan komponen ini dapat dihubungkan bersama untuk membentuk unit turbin gas dalam berbagai *ara. 6tu mungkin jumlah komponen tidak terbatas pada tiga telah disebutkan. kompresor dan turbin lainnya dapat ditambahkan, dengan inter*ooler antara kompresor, dan panaskan ruang pembakaran antara turbin. Sebuah penukar panas yang menggunakan beberapa energi dalam gas turbin buang untuk memanaskan udara yang masuk ke ruang bakar juga diperkenalkan. perbaikan ini dapat digunakan untuk meningkatkan output daya dan esiensi pabrik di mengorbankan kompleksitas menambahkan, berat dan biaya. *ara di mana komponen ini dihubungkan bersama tidak hanya mempengaruhi esiensi termal maksimum keseluruhan, tetapi juga !miation esiensi dengan output daya dan torsi keluaran dengan ke*epatan rotasi. Salah satu pengaturan mungkin *o*ok untuk mengendarai sebuah alternator ba'ah berbagai beban pada ke*epatan konstan, sementara yang lain mungkin lebih *o*ok untuk mengemudi baling+baling kapal di mana kekuatan ber!ariasi sebagai kubus ke*epatan. /erlepas dari !ariasi siklus sederhana diperoleh dengan penambahan ini komponen lainnya, pertimbangan harus diberikan untuk dua sistem dibedakan oleh penggunaan siklus terbuka dan tertutup. %alam gas siklus jauh lebih umum terbuka turbin yang telah kita bahas sampai saat ini, udara atmosfer segar ditarik ke dalam sirkuit terus menerus dan energi ditambahkan oleh pembakaran bahan bakar dalam 9uida kerja itu sendiri. %alam hal ini produk pembakaran yang diperluas melalui turbin dan lelah untuk suasana. %alam siklus tertutup alternatif ditunjukkan pada ambar. ".A 9uida kerja sama, menjadi? itu udara atau beberapa gas lainnya, berulang kali beredar melalui mesin. elas dalam jenis tanaman bahan bakar tidak dapat dibakar dalam 9uida kerja dan energi yang diperlukan harus ditambahkan dalam pemanas atau as+boiler dimana bahan bakar yang dibakar dalam. aliran udara terpisah yang disediakan oleh fan tambahan. Siklus tertutup lebih mirip dengan yang tanaman turbin uap di bah'a gas pembakaran itu sendiri tidak mele'ati turbin. %alam gas turbin kondensor tal*es yang fonn dari pre*ooler untuk pendinginan gas sebelum itu kembali memasuki kompresor.
:eskipun sedikit digunakan, banyak keuntungan yang mengklaim untuk siklus tertutup dan ini akan dikemukakan pada bagian ".5. -khirnya, berbagai siklus uap dan gas gabungan telah diusulkan, dengan turbin gas buang memasok energi untuk boiler steam. ambar ".5 menunjukkan seperti sistem. 6tu membuat penggunaan terbaik dari panas kelas yang relatif rendah dengan menggunakan sebuah siklus uap dual+tekanan. Hal ini mirip dengan yang digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir berbahan bakar uranium alam yang juga beroperasi pada relatif rendah suhu. -tau, karena oDy terpakai? gen di knalpot turbin gas, adalah mungkin untuk gelandangan bahan bakar tambahan dalam boiler steam. Hal ini memungkinkan penggunaan single+tekanan siklus uap, tetapi dengan mengorbankan kompleksitas tambahan dari sistem pembakaran di boiler. %engan meningkatnya suhu siklus knalpot gas memasuki boiler *ukup panas untuk mengi2inkan penggunaan uap triple+ tekanan siklus menggabungkan tahap reheat. :eskipun kekompakan karakteristik
turbin gas dikorbankan di pabrik siklus biner, esiensi jauh lebih tinggi daripada di*apai dengan siklus sederhana yang mereka menjadi banyak digunakan untuk Stasiun pembangkit listrik yang besar Elihat bagian ".(F. /urbin gas telah membuktikan diri untuk menjadi sumber sangat mudah beradaptasi kekuasaan dan telah digunakan untuk berbagai fungsi, mulai dari tenaga listrik generasi dan jet propulsi untuk pasokan udara terkompresi dan proses panas, dan sisanya dari Pendahuluan ini dimaksudkan untuk menekankan adaptability.t ini 1ami akan dimulai, namun, dengan membahas berbagai *ara di mana komponen dapat dihubungkan bersama ketika objek adalah produksi poros kekuasaan. %engan kata lain, kita akan frrst miliki dalam turbin gas pikiran untuk tenaga listrik generasi, pompa dri!e untuk gas atau garis pipa *air, dan transportasi darat dan laut. Sebagian besar turbin gas darat yang di gunakan untuk dua pertama ini, dan aplikasi untuk tanah dan transportasi laut masih dalam tahap a'al, meskipun turbin gas banyak digunakan dalam aplikasi angkatan laut.
"."
/erbuka siklus tunggal+poros dan pengaturan t'in+poros ika turbin gas diperlukan untuk beroperasi pada ke*epatan tetap dan kondisi beban tetap seperti di beban dasar skema pembangkit listrik, pengaturan single+
poros ditunjukkan pada ambar. "." adalah yang paling *o*ok. ;leksibilitas operasi, yaitu ke*epatan yang dengan yang mesin dapat menampung dirinya untuk perubahan beban dan rotasi ke*epatan, tidak penting dalam aplikasi ini. :emang inersia efektif tinggi karena hambatan dari kompresor adalah keuntungan karena mengurangi bahaya o!erspeed dalam hal hilangnya beban listrik. Sebuah penukar panas mungkin ditambahkan seperti pada
ambar. ".4 EaF untuk meningkatkan esiensi termal, meskipun untuk ukuran tertentu tanaman output daya dapat dikurangi sebanyak "0 persen karena kehilangan tekanan gesekan dalam penukar panas. Seperti yang akan kita lihat dalam Bab A, penukar panas yang adalah penting untuk esiensi tinggi ketika rasio tekanan siklus rendah, tetapi menjadi kurang menguntungkan sebagai rasio tekanan meningkat. -erodinamis de+Perkembangan di dalam desain *ompressor telah dii2inkan penggunaan tekanan tinggi seperti rasio yang esiensi lebih dari 40 persen sekarang dapat di*apai dengan sederhana siklus. Siklus dasar pertukaran panas jarang dipertimbangkan untuk turbin gas saat ini desain. ambar ".4 EbF menunjukkan bentuk modikasi yang diusulkan untuk digunakan ketika bahan bakar, misalnya bubuk batu bara, adalah seperti itu. produk pembakaran mengandung konstituen yang *on G ode atau mengikis pisau turbin. Hal ini jauh lebih esien daripada siklus normal karena penukar panas, pasti kurang sempurna, adalah mentransfer seluruh masukan energi bukan hanya sebagian ke*il dari itu. Seperti siklus akan dianggap hanya jika pasokan bahan bakar kotor yang tersedia di biaya yang sangat rendah. Sebuah upaya serius untuk mengembangkan turbin gas pembakaran batu bara di a'al tahun lima puluhan sembilan belas tetapi dengan sedikit keberhasilan. ebih keberhasilan telah di*apai dengan sisa minyak, dan asalkan suhu maDimmn disimpan pada
*ukup rendah siklus langsung dapat digunakan. 1etika 9eksibilitas dalam operasi sangat penting, misalnya saat mengemudi beban ke*epatan !ariabel seperti kompresor pipa, baling+baling laut atau jalan kendaraan, penggunaan turbin listrik mekanis independen Eatau gratisF adalah diinginkan. %alam pengaturan t'in+poros ini, ;ig. ".(, turbin tekanan tinggi dri!e kompresor dan kombinasi bertindak sebagai generator gas untuk lo'pressure yang turbin listrik. pengaturan kembar+poros dapat digunakan untuk listrik unit pembangkit, dengan turbin listrik diran*ang untuk berjalan pada ke*epatan alternator tanpa perlu untuk gearboD reduksi mahal) ini biasanya akan berasal dari mesin jet, dengan knalpot diperluas melalui turbin listrik daripada knalpot no22le asli. Sebuah keuntungan yang signikan adalah bah'a starter nit hanya perlu menjadi ukuran untuk tum atas generator gas. starter mungkin listrik, motor hidrolik, turbin ekspansi dioperasikan dari pasokan gas pipa atau bahkan turbin uap atau diesel. 1elemahan dari daya terpisah turbin, bagaimanapun, adalah bah'a penumpahan beban listrik dapat menyebabkan *epat o!erspeed turbin, dan sistem kontrol harus diran*ang untuk men*egah ini. ariasi daya untuk kedua unit single dan t'in+poros diperoleh dengan mengendalikan aliran bahan bakar yang dipasok ke ruang bakar. meskipun mereka berperilaku dengan *ara yang agak berbeda seperti yang akan dijelaskan dalam Bab &, dalam kedua kasus /ekanan siklus rasio dan suhu maDimmn penurunan sebagai kekuatan berkurang dari nilai desain dengan hasil bah'a esiensi termal memburuk jauh di bagian beban.
1inerja turbin gas dapat ditingkatkan se*ara substansial dengan mengurangi karya kompresi dan = atau meningkatkan kerja ekspansi. ntuk setiap diberikan rasio tekanan kompresor, daya yang diperlukan per unit kuantitas 9uida
kerja adalah berbanding lurus dengan suhu masuk. ika karena proses kompresi dilakukan dalam dua tahap atau lebih dengan inter*ooling, karya kompresi akan berkurang. %emikian pula, output turbin dapat ditingkatkan dengan membagi ekspansi G menjadi dua atau lebih tahap, dan pemanasan gas se*ara maksimal suhu yang dii2inkan antara tahap. :eskipun output daya adalah meningkatkan biaya bahan bakar tambahan akan berat ke*uali penukar panas juga dipekerjakan. Salah satu pengaturan dari inter*ooling, pertukaran panas menggabungkan tanaman dan panaskan ditunjukkan pada ambar. ".@. 1ompleks I Siklus jenis ini mena'arkan kemungkinan dari berbagai output daya dengan mengontrol pasokan bahan bakar ke ruang reheat, meninggalkan operasi generator gas lebih dekat dengan kondisi optimal. siklus kompleks yang diusulkan di a'al+a'al dari turbin gas, ketika mereka yang diperlukan untuk mendapatkan esiensi termal yang 'ajar di turbin rendah suhu dan rasio tekanan kemudian mungkin. Hal ini dapat mudah dilihat, bagaimanapun, bah'a kesederhanaan yang melekat dan kekompakan dari turbin gas telah hilang. %i banyak aplikasi biaya modal yang rendah dan ukuran ke*il lebih penting daripada esiensi termal Emisalnya memun*ak listrik, dengan jam operasional rendahF, dan itu adalah signikan bah'a turbin gas tidak mulai digunakan se*ara luas Eterlepas dari pesa'at aplikasiF sampai suhu inlet turbin tinggi dan rasio tekanan membuat siklus sederhana ekonomis. Pen*arian untuk esiensi yang lebih tinggi sebagai turbin gas menjadi lebih banyak digunakan di aplikasi beban dasar telah menyebabkan kebangkitan kepentingan dalam lebih siklus kompleks di pertengahan tahun sembilan puluhan sembilan belas. Salah satu *ontoh adalah re+introduksi dari siklus reheat, menggunakan rasio tekanan siklus yang sangat tinggi tanpa inter*ooling atau pertukaran panas) ini dapat memberikan esiensi termal dari sekitar 5@ persen. Penggunaan memanaskan juga menghasilkan suhu gas buang melebihi @00 *, memungkinkan penggunaan memanaskan uap siklus yang dapat menghasilkan esiensi siklus gabungan mendekati @0 persen. Contoh lain adalah regenerati!et 6nter*ooler E6CRF siklus diusulkan untuk angkatan laut propulsi, memberikan kedua esiensi termal yang tinggi pada titik desain dan sangat baik esiensi pada beban sebagian, tur yang sangat
penting bagi kapal+kapal yang umumnya tingkat daya yang jauh lebih rendah dari nilai desain.
".A
pelayaran
di
pengaturan :ulti+spool ntuk mendapatkan esiensi termal yang tinggi tanpa menggunakan penukar panas, tekanan tinggi rasio sangat penting. 1esulitan tertentu maka timbul yang mengikuti dari Sifat dari proses kompresi. 1arena laju aliran massa udara tinggi yang terlibat, perpindahan non+ positif kompresor selalu digunakan pada turbin gas. :eskipun sentrifugal multi+ stage kompresor ini mampu menghasilkan rasio tekanan tinggi untuk kekuatan moderat, yang esiensi lumayan rendah dari kompresor aliran aksial. ntuk ini -lasan kompresor aksial biasanya disukai, terutama untuk unit besar. Sayangnya jenis ini kompresor lebih rentan terhadap ketidakstabilan saat mengoperasikan pada kondisi luas dihapus dari titik operasi desain. 1etika suatu kompresor beroperasi pada ke*epatan rotasi di ba'ah nilai desain, udara density dalam beberapa tahap terakhir adalah terlalu rendah, ke*epatan aliran aksial menjadi berlebihan, dan pisau kios. 8ilayah yang tidak stabil, di'ujudkan dengan kekerasan getaran aerodinamis, mungkin akan ditemui ketika turbin gas dimulai atau dioperasikan pada daya rendah. :asalahnya adalah sangat parah jika dilakukan usaha untuk mendapatkan tekanan rasio lebih dari sekitar &? " dalam satu kompresor. Salah satu *ara untuk mengatasi ini kesulitan adalah untuk membagi kompresor menjadi dua atau lebih bagian. %alam hal ini %i!isi berarti pemisahan mekanis, memungkinkan setiap bagian untuk menjalankan pada ke*epatan rotasi yang berbeda, tidak seperti kompresor 6nter*ooler ditunjukkan pada ambar. ".@. 1etika kompresor mekanis independen, masing+masing akan memerlukan sendiri turbin, pengaturan sesuai yang ditunjukkan pada ambar. ".$. /ekanan
rendah kompresor didorong oleh tekanan rendah turbin dan tekanan tinggi kompresor dengan turbin tekanan tinggi. istrik biasanya diambil baik dari tekanan rendah turbin poros, atau rom tambahan turbin listrik gratis. 6tu kongurasi ditunjukkan pada ambar. ".$ biasanya disebut sebagai mesin t'in+spool. Saya t Perlu di*atat bah'a meskipun dua gulungan mekanis independen, ke*epatan mereka terkait aerodinamis dan ini akan dibahas lebih lanjut dalam Bab #. /ata letak t'in+spool terutama dikembangkan untuk mesin pesa'at dibahas dalam bagian ".4, tetapi ada banyak *ontoh turunan daya poros ini) turbin listrik gratis adalah umum, tetapi juga memungkinkan untuk menggunakan lo'pressure yang turbin untuk menggerakkan kedua+tekanan rendah kompresor dan beban didorong. %i beberapa kasus, terutama dengan mesin dari aliran udara ke*il, tekanan tinggi kompresor adalah dari jenis sentrifugal) ini karena pada tekanan tinggi terlibat laju aliran !olume rendah dan blading yang diperlukan untuk aksial kompresor akan terlalu ke*il untuk esiensi yang baik. unit t'in+spool yang pertama diperkenalkan G pada rasio tekanan sekitar "0? " dan *o*ok untuk tekanan siklus rasio minimal 5(? ". pengaturan tiga+spool juga dapat digunakan dalam besar mesin turbofan, di mana ada persyaratan untuk kedua rasio tekanan yang sangat tinggi dan ke*epatan rotasi rendah untuk kipas angin.
Sebagai alternatif untuk beberapa gulungan, rasio tekanan tinggi dapat dengan aman dipekerjakan dengan kompresor tunggal jika beberapa tahapan !ariabel stator blad I s adalah bekas. Pendekatan ini dipelopori oleh eneral 7le*tri* dan rasio tekanan di lebih dari A0? " telah diperoleh dengan *ara ini. Hal ini juga mungkin perlu untuk menggunakan blo'+o3 katup di lokasi menengah dalam kompresor untuk menangani serius mengalir ketidak*o*okan terjadi selama start up. Single+spool geometri
!ariabel kompresor hampir se*ara uni!ersal digunakan di unit pembangkit tenaga listrik yang besar. mesin teknologi *anggih biasanya menggunakan kombinasi dari multiplespools, blo'+o3 katup dan stator !ariabel. Hal ini terutama berlaku untuk tinggi turbofan rasio bypass dibahas dalam bagian ".4. ".5
siklus tertutup uar biasa di antara banyak keuntungan diklaim untuk siklus tertutup adalah kemungkinan menggunakan tekanan tinggi Edan karenanya kepadatan gas yang tinggiF di seluruh siklus, yang akan menghasilkan ukuran dikurangi dari turboma*hinery untuk output yang diberikan dan memungkinkan output daya yang akan diubah oleh perubahan tingkat tekanan dalam sirkuit. Bentuk kontrol berarti bah'a berbagai beban dapat ditampung tanpa perubahan suhu siklus maksimum dan karenanya dengan sedikit !ariasi esiensi se*ara keseluruhan. 1epala 1erugian dari siklus tertutup adalah butuhkan untuk sistem pemanas eksternal, yang melibatkan penggunaan siklus tambahan dan memperkenalkan perbedaan suhu antara gas pembakaran dan 9uida kerja. Suhu bekerja diijinkan permukaan di pemanas
seharusnya. /api ke*epatan 9uida yang lebih tinggi dapat digunakan dengan helium dan siklus optimum rasio tekanan lebih rendah, sehingga terlepas dari kepadatan rendah turboma*hinery yang mungkin tidak jauh lebih besar. %i sisi kredit, panas yang lebih baik karakteristik transfer helium berarti bah'a ukuran penukar panas dan pre*ooler bisa mengenai setengah dari unit yang diran*ang untuk digunakan dengan udara. Biaya modal tanaman harus
Pada saat penulisan hanya sejumlah ke*il pembangkit siklus tertutup telah dibangun, sebagian besar oleh 7s*her+8yss, dan beberapa masih dalam pelayanan. :ereka dalam A+A0 berbagai :8. Semua menggunakan udara sebagai 9uida kerja, dengan berbagai bahan bakar seperti batu bara, gas alam, gas blast furna*e, dan minyak Sebuah pilot plant A( :8 menggunakan helimn dibangun di erman, dan ia berpikir bah'a dengan ini 9uida kerja besar set hingga A(0 :8 akan layak. :ereka mungkin telah diperlukan untuk digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir, jika upaya untuk mengembangkan reaktor mampu beroperasi pada *ukup suhu inti tinggi telah keuntungan yang *ukup sukses timbul ketika 9uida kerja dari siklus daya dapat lulus langsung melalui teras reaktor, karena pendingin reaktor beredar pompa tidak lagi diperlukan dan penurunan suhu yang tidak diinginkan terkait dengan *airan menengah E:is C0A suhu temperatur+steamF dihilangkan. Helimn adalah sangat 9uida kerja yang *o*ok dalam aplikasi ini karena menyerap neutron hanya lemah EJaitu memiliki penyerapan neutron rendah penampangF. paya untuk mengembangkan tinggi reaktor suhu EH/RF telah dihentikan, namun, dan kon!ensional reaktor nuklir beroperasi pada terlalu rendah suhu menjadi kemungkinan sumber panas untuk turbin gas.
digunakan dalam pembangkit listrik tenaga nuklir di masa mendatang.
setiap
Berbagai turbin gas siklus tertutup ke*il EA0+"00 C1- output listrikF telah dipertimbangkan untuk digunakan baik kedirgantaraan dan aplikasi ba'ah air. sumber panas mungkin termasuk isotop radioaktif seperti plutonium A5&, pembakaran hidrogen, dan radiasi matahari. ntuk saat ini, tidak telah dibangun. ".4
propulsi Pesa'at /anpa keraguan yang impad terbesar dari turbin gas telah di bidang Pesa'at propulsi. /engara paling impontant dalam pengembangan ini adalah pertama eksperimental mesin 8hittle pada tahun "#5$. Sejak itu turbin gas memiliki sepenuhnya digantikan dengan errgine re*ipro*ating, untuk semua tapi pesa'at ringan, karena yang rasio po'erj'eight jauh lebih tinggi. /h.e siklus untuk mesin turbojet sederhana adalah hampir yang ditunjukkan pada ambar. "." ke*uali bah'a turbin diran*ang untuk memproduksi hanya daya yang *ukup untuk menggerakkan *ompr K? ssor. as buang kemudian diperluas untuk tekanan atmosfer dalam no22le yg menggerakkan untuk menghasilkan ke*epatan jet tinggi. -ngka ".# menunjukkan penampang dari mesin jet Rolls+Roy*e
ini penting sejarah, menjadi mesin t'in+spool pertama dalam produksi) a'al ersi yang digunakan dalam bomber ul*an arrd turunan *anggih yang ditampilkan adalah digunakan untuk menyalakan supersonik Con*orde trarrsport. E/he
Pada ke*epatan subsonik tinggi jet pendorong dari aliran massa yang lebih ke*il tetapi lebih tinggi ke*epatan diperlukan. 6ni a'alnya diberikan oleh mesin turbojet, tetapi ini sekarang sebagian besar telah digantikan oleh turbofan Eatau memotongF mesin di mana pa.i dari udara disampaikan oleh kompresor P atau fan oleh+mele'ati inti dari mesin E1ompresor, ruang bakar HP dan turbinF untuk membentuk annular pendorong jet udara dingin di sekitar jet panas. Hal ini menghasilkan sebuah jet yang lebih rendah berarti ke*epatan yang tidak hanya menyediakan esiensi pendorong yang lebih baik tetapi juga se*ara signikan mengurangi kebisingan knalpot. ambar "."A EaF adalah *ontoh ke*il turbofan engine, Pratt dan 8hitney 1anada /+"(%. 6ni adalah sangat desain mekanik sederhana memberikan kinerja yang baik, ditujukan untuk usaha ke*il Pesa'at mana biaya modal sangat penting. Sebuah pengaturan t'in+ spool digunakan, lagi dengan kompresor HP sentrifugal dan aliran annular bakar terbalik. 6tu arus balik bakar baik *o*ok untuk digunakan dengan kompresor sentrifugal, di mana aliran harus disebarkan dari ke*epatan tangensial yang sangat tinggi ke rendah ke*epatan aksial pada masuk ke ruang bakar, dan kongurasi ini se*ara luas digunakan. ambar "."A EbF menunjukkan maju turbofan diran*ang untuk digunakan dengan sipil besar pesa'at, mesin A(00 diran*ang oleh konsorsium lima negara. %i dalam -plikasi konsumsi bahan bakar adalah sangat penting, yang membutuhkan penggunaan kedua rasio bypass tinggi dan rasio tekanan tinggi. Hal ini dapat dilihat bah'a semua turboma*hinery adalah dari jenis aksial dan pembakaran annular straight+through *hamber digunakan. Heat+eD*hanger telah belum menemukan tempat dalam mesin pesa'at karena alasan massal dan berat badan, meskipun mereka tetap layak untuk mesin turboprop. 6ni adalah karena, dengan banyak output daya bersih dikirim ke baling+baling, yang ke*epatan dari gas meninggalkan turbin relatif rendah dan tekanan gesekan kerugian tidak perlu yang sangat tinggi dalam penukar panas dari ukuran yang dapat diterima. Sekitar "#@( -llison mengembangkan turboprop regeneratif untuk -S -ngkatan aut, objek menjadi untuk mendapatkan mesin sangat rendah konsumsi bahan bakar spesik untuk digunakan pada daya tahan lama patroli anti+kapal selam. %alam jenis aplikasi itu adalah total mesin ditambah berat bahan bakar yang sangat penting, dan ia berpikir bah'a berat badan ekstra
dari penukar panas akan lebih dari kompensasi oleh bahan bakar rendah konsumsi. %iusulkan bah'a penukar panas harus dengan+diteruskan mengambil+o3 untuk memberikan daya maksimum. :esin tidak pergi ke produksi, tetapi bukan tidak mungkin unit regeneratif akan mun*ul di masa depan, mungkin di bentuk mesin turboshaft untuk daya tahan helikopter lama. ".(
aplikasi 6ndustri 1adang+kadang dalam buku ini kita akan merasa perlu untuk menggunakan membedakan dengan istilah turbin gas pesa'at dan turbin gas industri. /he /enn pertama adalah *ukup jelas, sedangkan yang kedua dimaksudkan untuk men*akup semua turbin gas tidak termasuk dalam kategori pertama. perbedaan yang luas ini harus dibuat karena tiga alasan utama. Pertama, G ife diperlukan dari sebuah pabrik industri adalah urutan 6 00 000 jam tanpa perbaikan besar+besaran, sedangkan ini tidak diharapkan dari sebuah turbin gas pesa'at. 1edua, pembatasan ukuran dan berat dari sebuah pembangkit listrik pesa'at jauh lebih penting daripada dalam kasus kebanyakan aplikasi lain dari turbin gas. 1etiga, pembangkit listrik pesa'at dapat memanfaatkan energi kinetik gas meninggalkan turbin, sedangkan yang terbuang dalam jenis lain dan akibatnya harus dijaga serendah mungkin. 1etiga perbedaan dalam persyaratan dapat memiliki pengaruh yang besar pada desain dan, terlepas dari fakta bah'a teori dasar berlaku untuk kedua kategori, maka akan diperlukan untuk membuat perbedaan dari 'aktu untuk 'aktu. /urboma*hinery turbin gas yang diran*ang khusus untuk keperluan industri *enderung terlihat lebih seperti itu dari turbin uap tradisional di mekanik penampilan daripada konstruksi ringan akrab digunakan dalam praktek
pesa'at.
ambar "."5 menunjukkan konstruksi kasar yang bekerja di Ruston /ornado diran*ang untuk hidup panjang dan beroperasi di kedua *air atau bahan bakar gas) Jang terpisah turbin listrik digunakan dan kedua beban ke*epatan !ariabel dan tetap dapat diakomodasi.
ambar "."4 menunjukkan sebuah mesin tunggal+poros besar, Siemens #4, diran*ang khusus untuk mengemudi ke*epatan generator yang konstan. :esin ini mampu sekitar "(0 :8, dan menggunakan dua o3+board pembakar besar. 1etika turbin gas yang a'alnya diusulkan untuk aplikasi industri, nit ukuran *enderung "0 :8 atau kurang dan, bahkan dengan penukar panas, siklus esiensi hanya sekitar A&+A# persen. 1etersediaan sepenuhnya dikembangkan mesin pesa'at mena'arkan kemungkinan menarik dari kekuatan yang lebih tinggi) fakta bah'a sebagian besar penelitian dan pengembangan biaya mahal ditanggung oleh militer anggaran daripada pengguna industri memberikan keuntungan yang signikan terhadap produsen mesin pesa'at. -'al aero+deri!atif mesin, diproduksi oleh mengganti turbin listrik untuk no22le knalpot, memproduksi sekitar "( :8 dengan esiensi siklus beberapa A( persen. :odikasi diperlukan termasuk memperkuat bantalan, perubahan pada sistem pembakaran untuk memungkinkannya untuk bum gas alam atau bahan bakar diesel, penambahan turbin listrik dan de+rating mesin untuk memberikan kehidupan yang lebih panjang) dalam beberapa kasus gearboD reduksi diperlukan untuk menyesuaikan ke*epatan turbin dengan yang beban didorong, misalnya :arinir baling+baling. ntuk jenis lain o9oad, seperti alternator atau kompresor pipa, yang turbin listrik dapat diran*ang untuk menggerakkan beban langsung.
ambar "."( menunjukkan instalasi khas untuk pembangkit listrik ke*il menggunakan turbin gas tunggal aero+deli!ati!e) perlu di*atat bah'a asupan udara baik di atas permukaan tanah, untuk men*egah menelan puing ke dalam mesin. Pesa'at dan industri !ersi Rolls+Roy*e /rent ditunjukkan pada ambar. "."@. /rent adalah besar tiga+spool turbofan dengan fan+satu tahap didorong oleh lima tahap turbin tekanan rendah. 6tu !ersi industri, yang diran*ang untuk menggerakkan generator, menggantikan kipas dengan dua tahap kompresor pra setara I yakin rasio namun aliran jauh lebih rendah) sebagai hasilnya, lo'pressure yang turbin dapat memberikan kelebihan besar kekuasaan yang dapat digunakan untuk menggerakkan generator. 1e*epatan rotor tekanan rendah dari mesin pesa'at dibatasi oleh ke*epatan ujung kipas sekitar 5@00 rpm) ini memungkinkan poros dari industri ersi yang akan langsung terhubung ke generator @0 H2, menghindari kebutuhan untuk gearboD. ersi industri dari /rent mampu (0 :8 pada thermal esiensi 4 A persen, yang dihasilkan dari rasio tekanan tinggi dan inlet turbin suhu.
ambar "."@ juga menunjukkan perubahan besar dalam desain sistem pembakaran) !ersi pesa'at menggunakan kon!ensional sepenuhnya annular bakar sedangkan mesin industri menggunakan kaleng radial terpisah. ini radikal Perubahan ini disebabkan oleh kebutuhan untuk emisi rendah dari oksida nitrogen, yang akan dibahas lebih lanjut dalam Bab @. -plikasi terluasL /urbin gas aero+deri!atif telah di memompa set untuk gas dan transmisi saluran pipa minyak, pembangkit listrik dan propulsi angkatan laut. %alam kasus pipa gas alam, turbin menggunakan *airan dipompa sebagai bahan bakar dan pipa khas mungkin mengkonsumsi $+ "0 persen dari troughput untuk tujuan kompresi. %alam beberapa tahun terakhir nilai gas memiliki meningkat se*ara dramatis dan ini telah menyebabkan permintaan untuk esiensi tinggi memompa unit. Sebuah pipa utama mungkin memiliki sebanyak ".(00 :8 dari daya terpasang dan tagihan bahan bakar sebanding dengan yang dari maskapai menengah. stasiun pompa mungkin sekitar " 00 km terpisah dan turbin gas yang digunakan rentang kekuasaan dari ( sampai A( :8. Banyak stasiun kompresor berada di lokasi terpen*il dan deri!atif pesa'at unit "( sampai A( :8 yang banyak digunakan. operator lain mungkin lebih suka menggunakan turbin gas industri dan dalam beberapa tahun terakhir sejumlah panas penukar telah dipasang ke unit siklus sederhana. %engan pipa minyak minyak sering tidak *o*ok untuk pembakaran pada turbin gas tanpa pengobatan bahan bakar mahal dan itu menjadi diperlukan untuk memba'a bahan bakar *air yang *o*ok di pinggir jalan. Penggunaan turbin gas untuk pembangkit tenaga listrik telah berubah se*ara dramatis dalam beberapa tahun terakhir. %alam sembilan belas tahun tujuh puluhan, turbin gas Eterutama di Britania Raya dan -merika taraF yang terutama digunakan untuk memun*ak dan
aplikasi darurat) unit aero+deri!atif dengan turbin listrik hea!y+duty yang banyak digunakan. Salah satu keuntungan luar biasa dari jenis adalah kemampuannya untuk menghasilkan kekuatan penuh dari dingin di ba'ah dua menit, meskipun kemampuan ini harus digunakan hanya untuk keadaan darurat karena thermal sho*k akan sangat mengurangi 'aktu antara o!erhaul. Pada pertengahan tahun enam puluhan sembilan belas, pemadaman utama dari pesisir timur -merika Serikat mengakibatkan in!estasi di turbin gas yang mampu dari mulai hitam, yaitu benar+benar independen dari pasokan listrik utama. di reat 6nggris, lebih dari 5000 :8 darurat dan beban pun*ak tanaman berdasarkan RollsRoy*e -!on dan
udara mengalir) -merika tara standarill2ed pada @0 H2, sementara 7ropa dan sebagian besar -sia beroperasi pada (0 H2. mesin yang lebih ke*il dapat diran*ang untuk berjalan pada sekitar (+ @000 rpm dengan penilaian dari sekitar (0+@0 :8, dengan gearboD mampu baik 5000 atau 5@00 ke*epatan keluaran rpm untuk memenuhi kebutuhan pasar. Banyak tugas berat unit telah berjalan dengan baik lebih dari "( 0 000 jam dan sejumlah besar telah melebihi A00 000 jam. pasar utama lain untuk pembangkit listrik adalah penyediaan daya untuk platform lepas pantai, di mana turbin gas yang digunakan untuk menyediakan listrik beban dasar. Banyak Solar dan Ruston unit "+( :8 telah digunakan, tetapi untuk kekuatan yang lebih besar aero+deri!atif seperti Rolls+Roy*e RB+A"" dan eneral 7le*tri* : A(00 telah dipasang di peringkat A0+A( :8) a platfonn besar mungkin memerlukan lebih banyak "A( :8 dan baik luas permukaan dan !olun"e adalah pada premi. diinstal Berat juga yang terpenting karena persyaratan Cranage, dan penghematan bertambah jika *rane rig sendiri dapat menangani lengkap paket mesin. /he aero+deri!atif mendominasi pasar ini karena yang alam kompak. 1etersediaan turbin gas dengan output "00+A00 :8 telah membuat besar siklus tanaman gabungan faktor utama dalam pembangkit listrik termal. epang, karena total ketergantungan pada bahan bakar impor, adalah pengguna skala besar pertama siklus gabungan, membangun beberapa A000 stasiun :8 pembakaran diimpor *air gas alam E>F. Sebuah instalasi khas dapat terdiri dari blok yang terdiri dari dua turbin gas dengan boiler mereka sendiri limbah panas dan turbin uap tunggal) pada umumnya, menggunakan boiler unred kekuatan turbin uap adalah sekitar setengah dari turbin gas. %engan demikian, satu blok dari dua turbin gas A00 :8 dan A00 :8 turbin uap memberikan @00 :8) stasiun lengkap dapat menggunakan tiga atau empat blok. Pada saat menulis beberapa A.000 tanaman :8 telah dibangun, esiensi unggul sekitar (( persen, dan yang terbesar pada urutan memiliki rating A&00 :8. Pri!atisasi pasokan listrik di 6nggris menyebabkan instalasi sejumlah besar tanaman siklus gabungan AA(+"& (0 :8 pembakaran gas alam. %i jangka panjang *ukup layak bah'a unit pembakaran gas alam bisa menjadi dikon!ersi ke gas yang diperoleh dari gasikasi batubara. pembangkit listrik turbin gas yang sangat kompak.
ambar "."$ EaF menunjukkan perbandingan antara ukuran era "#(0+an stasiun turbin uap dari "A& :8 dan pabrik turbin gas beban pun*ak "@0 :8 ditampilkan ber*in*in) yang terakhir digunakan & unit :8
ambar. ","$ EbF. Pabrik baru terdiri dari tiga blok, masing+masing terdiri dari turbin Siemens #4 gas dari "(0 :8 dan boiler limbah panas, dan uap tunggal turbin A(0 :8 -n kondensor berpendingin udara yang digunakan di tempat ketiga pendinginan menara, karena pembatasan penggunaan sungai air pendingin) kondensor adalah struktur persegi besar ke kiri gambar, dan dapat dipandang apalagi !isual intrusif dari menara pendingin. Sebuah hukuman kinerja ke*il dibayarkan, karena suhu kondensor Edan karenanya kembali tekanan pada uap turbinF lebih tinggi daripada yang dapat diperoleh dengan kondensor sungai+*ooled. 6tu stasiun, namun, memiliki esiensi termal (" persen, yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan pabrik turbin uap kon!ensional. turbin gas yang, berhasil digunakan dalam beberapa kapal kontainer ke*epatan tinggi, tapi peningkatan pesat dalam harga BB: pada pertengahan tahun tujuh puluhan menyebabkan kapal tersebut sedang reengined dengan mesin diesel) kapal dikon!ersi mengalami kerugian besar dalam ke*epatan dan kapasitas kargo, tapi ke*epatan tinggi tidak bisa lagi dibenarkan. ambar dengan sehubungan dengan operasi angkatan laut sangat berbeda, bagaimanapun, dan banyak angkatan laut Emis
6nggris, -S, 1anada, BelandaF sekarang telah mengumpulkan sejumlah besar Pengalaman turbin gas. Sebuah turbin gas pertama kali digunakan dalam motor un Boat di "#4 $, dan aero+jenis mesin ERolls+Roy*e ProteusF pertama kali digunakan dalam kapal patroli *epat di "#(&. Potensi mesin aero+deri!atif untuk penggerak utama kapal perang segera menyadari dan 1anada %%H+A&0 kelas yang pertama semua turbin gas kapal perang bertenaga di dunia barat, menggunakan kombinasi Pratt dan 8hitney ;/+4 untuk kekuatan boost dan ;/+"A untuk *rnise. Royal >a!y memilih a!y adalah C
gas dengan solar *ruise) dalam hal ini tenaga diesel relatif sangat ke*il untuk daya turbin gas yang ada sedikit keuntungan dalam menambahkan kekuatan. a!y dengan empat mesin
