Grundprinciper
Turbinen – funktion och terminologi
Innan vi dyker in inuti turbinen kan det vara på sin plats med lite grundläggande terminologi och en beskrivning av turbinens funktionssätt.
Turbinen är en maskin som omvandlar rörelseenergin i vatten eller ånga eller den kemiska energin i ett bränsle till roterande rörelse. Rotationen utnyttjas till exempel i en generator och blir till elektrisk energi. Energi kan inte förstöras, bara omvandlas till andra former av energi (Einstein 1879–1955).
Förbränningsgaserna eller ångan som driver turbinen, blåser mot skovlarna på skovelhjulet (skivan) och kan sedan ta en av två vägar. I fallet äldre ångturbin går ångan normalt ut radiellt, träffar på flera skovlar och försvinner ut i kanten. Denna typ kallas för radialturbin. I fallet gasturbin och yngre ångturbin fortsätter gasen längs turbinens axel och träffar på allt flera skovlar på sin väg tills den kommer ut i andra änden av turbinen. Denna typ kallas för axialturbin.
Läs också: Internettrafiken fördubblas varje år. Kommer svenska nätet verkligen att hålla för det?
När den heta gasen passerat en skiva måste den riktas om för att göra maximal verkan på nästa skiva. Det sköts med fasta skovelblad kallade ledskenor som sitter monterade mellan de rörliga skivorna. I vissa fall är det fördelaktigt att kunna vrida ledskenorna för att få bästa verkningsgrad. Det sköts med så kallade ställbara ledskenor. Sådana finns i både gasturbiner och flygplansmotorer.
Brännkammarens eller -kamrarnas utformning är en filosofifråga. I SIT:s SGT-750 använder man åtta åtskilda brännkammare. Detta har nackdelen att varje kammare måste tändas var för sig och måste ha var sin flamvakt. I andra konstruktioner har man en ringformig (annulär) brännkammare med flera bränslespridare, som befinner sig i samma ringformiga utrymme, vilket helt omsluter turbindelen. Det har fördelen att om bara en brännare tänt, kommer den att tända alla de andra och man kan ha mindre övervakning. Å andra sidan är det mycket enklare att göra underhåll på en åtskild brännkammare om denna enkelt kan skruvas loss. Det är samtidigt den del som slits mest.
Turbinen kan vara en-, två- eller treaxlig. I den enaxliga turbinen går axeln tvärs igenom hela maskinen. På denna sitter både kompressorblad och turbinblad. Turbinen drivs med det varvtal som är bäst för tillämpningen, till exempel att utvinna så mycket värme som möjligt för den efterföljande ånggeneratorn. I den tvåaxliga turbinen tar ingångsaxeln slut efter kompressorturbinen och kompressorturbinen driver kompressorns blad. De heta gaserna ut från kompressorturbinen driver därefter kraftturbinen (som i principbilden ovan) som i sin tur driver axeln till generatorn och på så sätt utvinner man den mesta energin ur gasen. Vårt elnät är sådant att det måste drivas med 50 hertz växelspänning och därför måste generatorn ha ett fast varvtal oavsett belastning, exempelvis 6100 rpm. Utgångsaxeln, på vilken kraftturbinen sitter, kopplas därför via en växellåda till generatorn och det är belastningen på generatorn som bestämmer hur mycket bränsle som ska förbrännas i brännkammaren, för att det fasta utgångsvarvtalet ska kunna bibehållas.
Turbinskovlarna och ledskenorna måste kylas, annars smälter de eller eroderas bort. Trots att de är gjorda av högtemperaturlegeringar som hastelloy (mest molybden och nickel) eller inconel (mest nickel och krom) tål de inte vad som helst. Av den anledningen är bladen inte homogena utan innehåller ett nät av kylkanaler. Kylluft (nåja, 480 grader) blåses in i bladets fot, genomflyter bladet och blåser ut i bladets bakkant. Avsikten är alltså inte att föra in kylluft i turbinen, utan att kyla skovlarna. Att förse ett massivt turbinblad av mycket hård metall med interna vindlingar av kylrör är en mycket svår tillverkningsteknisk fråga. Dessa strukturer gjuts och det krävs flera försök innan den beräknade och verkliga kylningen erhålls. För att snabba upp den processen görs 3D-utskrifter i plast som flödesprovas innan man gör den första gjutningen.
Trots de höga temperaturerna inuti turbinen och brännkamrarna måste man kunna mäta temperaturer, tryck och luftflöden. Där man kan, leder man ut trycket ur turbinen och mäter på utsidan, men de heta gaserna måste mätas på plats och dessutom utan att gasströmmen störs. Termoelementen måste sitta mitt på skovlarna, mätelektroniken måste sitta på den roterande axeln och telemetrin överföras till ledskenorna och ut i omgivningen. Detta kräver stor ingenjörskonst (se nedan).
En gasturbin: SGT-750
Låt oss först betrakta detta mästerverk utan en massa pilar och förklaringar. SGT-750 är en tvåaxlig axialturbin avsedd för naturgas. Den är främst tänkt för generering av elkraft. SGT-750 kan lämna en elektrisk effekt på 38 megawatt via en ansluten trefasgenerator.
Inloppet är till vänster. Där sugs luft in och komprimeras i den påföljande 13-stegs kompressorn. Den vita mekanismen ovanpå ställer de variabla ledskenorna vid kompressorns inlopp för bästa möjliga tryckförhållande i kompressorn och för att förhindra pumpning, det vill säga att turbinen går upp och ned i varv häftigt, vilket kan ske vid belastningsförändringar. En gasturbin som denna drivs precis på gränsen till att den ska fungera, med så mager bränsleblandning som möjligt, för att man ska få minsta möjliga emissioner. Det finns alltid risk för flame-out (att lågan slocknar) vid förändringar i belastningen. Det gör driften känslig och luftflödena måste övervakas noggrant.
De stora, sneda burkarna är brännkammare, med smeknamnet ”kannor”. De är ljusa på insidan tack vare sin keramiska TBC-beläggning. Insidan är i princip en enda stor kakelplatta. Gasen kommer in från vänster, antänds och brinner och det höga gastrycket sprutar ut åt höger mot kompressionsturbinens skovelhjul, som i sin tur för tillbaka kraften och driver kompressorn till vänster. Därefter tar ingångsaxeln slut. Utgångsaxeln fortsätter efter ett par centimeter. På den sitter kraftturbinens skovelhjul, som drivs av den heta gasströmmen. Utgångsaxeln kommer ut ur avgasutloppet till höger och ansluts till en växellåda och därefter till en generator, utanför bild.
Bilden visar en förenklad sammanställning av turbinens olika delar, vad de kallas, vad man mäter och några exempel på typiska värden. Det sitter väldigt många sensorer i turbinen, uppåt 1500 stycken.
Notera att alla bypassrör, kylluftrören, ja det mesta av stödfunktionerna utanför turbinen, saknas i bilden. I turbinens ”röda” (heta) delar har inte ledskenorna tagits med, heller. Kylluft till turbinens olika delar tas ut vid slutet av kompressorn. Den komprimerade luften är då 450 grader varm bara tack vare komprimeringen och man tar ut ett par procent av den och använder för att kyla skovlar och ledskenor senare i maskinen.
