thumb|Lentokoneissa käytettävät suihkumoottorit ovat myös kaasuturbiineita
thumb|Kaasuturbiinin siipien asennusta 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 dieselmoottoriin 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.
Historia Ensimmäisenä kaasuturbiinin patentoi John Barber vuonna 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 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.
Autonvalmistaja Chrysler suunnitteli 1960-luvulla kaasuturbiinia tavallisten autojenkin voimanlähteeksi, mutta Chrysler Turbine Car -suunnitelmat kariutuivat muun muassa suureen polttoaineenkulutukseen ja huonoon kiihtyvyyteen. Rautatiekalustossa kaasuturbiinia on käytetty päämoottorina mm. yhdysvaltalaisen Union Pacific -rautatieyhtiön useissa eri veturimalleissa, joissa kokeiltiin myös propaanin ja hiilipölyn käyttämistä polttoaineena. Ranskan rautatielaitoksen SNCF:n T2000- eli RTG-junat käyttivät kaasuturbiinia pääkoneenaan. Toinen tapa käyttää kaasuturbiinia veturikäytösä toteutettiin Länsi-Saksan dieselveturisarjassa 210, jossa päämoottorina toimivan dieselin lisäksi käytettiin kaasuturbiinia antamaan hetkellistä lisätehoa mm. kiihdytyksissä ja nousuissa. Kaasuturbiinia on kokeiltu useissa yhteyksissä rautatiekalustossa, mutta veturikäytölle ominainen tehon vaihtelu ja suhteellisen vähäinen täyden tehon käyttö tekee kaasuturbiinikäytön useimmiten polttoainetaloudellisesti kannattamattomaksi.
Monet kaasuturbiinit ovat mekaanisesti kytketyllä alennusvaihteistolla varustettuja suoravirtaussuihkumoottoreita. Esimerkkinä matkustajalautta GTS Finnjetin voimanlähteenä olleet Pratt & Whitney -tehtaan valmistamat FT-4 -moottorit.
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. Varhaisissa T-80-malleissa ja yhdysvaltalaisessa M1 Abrams -panssarivaunuissa käytetään voimanlähteenä kaasuturbiinia.
Toimintaperiaate
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, laivakoneistot, 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.
Kaasuturbiinin hyötysuhteen parantaminen Kaasuturbiinin tehokkuus kasvaa kun käytetään korkeampia lämpötiloja ja suurempaa lämpötilaeroa turbiinin yli. Lämpötilan nostoa rajoittaa käytettyjen materiaalien metallurginen kestävyys, jonka rajat on jo saavutettu nykyisissä kaasuturbiineissa. Näin ollen hyötysuhteen nostamiseksi on käytettävä muita keinoja. Tähän on olemassa kolme tyypillistä tapaa, jotka kaikki lisäävät myös kaasuturbiini prosessin monimutkaisuutta ja hintaa.
Kaikki kolme tapaa on mahdollista myös yhdistää yhteen kaasuturbiiniin, mutta se ei ole tyypillinen ratkaisu korkean hintansa takia. Kaasuturbiini, jossa on rekuperaattori, välijäähdytys ja jaetulla poltolla voi saavuttaa yli 40 % hyötysuhteen. vasen|pienoiskuva|198x198px|Kaasuturbiini rekuperaattorilla
Rekuperatiivinen kaasuturbiini Yksi tapa kasvattaa hyötysuhdetta on lisätä lämmönvaihdin (R), joka siirtää lämpö turbiinin (T) kuumista pakokaasuista paineistettuun ilmaan ennen polttokammioita (B). Tämä lisää hyötysuhdetta, koska ilman lämmittämiseen haluttuun lämpötilaan tarvitaan vähemmän polttoainetta, jos ilma on esilämmitetty. Tähän tarkoitukseen käytettyjä lämmönvaihtimia kutsutaan joko rekuperaattoriksi tai regeneraattoriksi, riippuen sen rakenteesta. Rekuperaattori on tavallinen lämmönvaihdin, jossa ei ole liikkuvia osia. Tyypillisimpiä ovat levy- ja putkilämmönvaihtimet. Regeneraattorissa on pyörivä levy, joka siirtää lämpö kuumista pakokaasuista matalammassa lämpötilassa olevaan ahdettuun ilmaan. Jotta lämmön vaihtimet toimisivat halutulla tavalla tulee pakokaasun olla riittävästi ahdettu ilmaa kuumempaa. Tästä syystä tämän tyyppistä ratkaisua käytetään vain matalan painesuhteen kaasuturbiineissa, koska niissä pakokaasut ovat vielä kuumia. Jos ahdetun ilman lämpötila nousee korkeammaksi kuin pakokaasun lämpötila, niin rekuperaattori alentaa hyötysuhdetta, koska se jäähdyttää polttokammioon tulevaa ilmaa. vasen|pienoiskuva|194x194px|Kaasuturbiini välijäähdytyksellä
Välijäähdytetty kaasuturbiini Puristus voidaan jakaa kahteen osaan ja käyttää välijäähdytystä (IC) niiden välissä. Näin voidaan nostaa kaasuturbiinin hyötysuhdetta. Hyötysuhteen nousu perustuu siihen, että välijäähdytys alentaa puristuksen vaatimaa tehoa. Käyttäessä välijäähdytystä puristus tulee lähemmäs isotermistä. Tällöin prosessin hyötysuhde tulee lähemmäksi teoreettista Carnot-hyötysuhdetta. pienoiskuva|193x193px|Kaasuturbiini monivaiheisella poltolla
Kaasuturbiini jaetulla poltolla Poltto (B1 ja B2) ja paisunta (T1 ja T2) turbiineissa voidaan myös jakaa useampaan osaan. Jakamalla poltto ja paisunta voidaan jokaisessa vaiheessa käyttää materiaali kestävyyden mukaistaa maksimi lämpötilaa, jolloin kokonaisuutena turbiinista saatava teho kasvaa.
Kaasuturbiinin peruslaskentaa Kaasuturbiinin laskennassa on oletettava, että kaasuturbiinin sisällä virtaava ilma on ideaalikaasua. Tämä yksinkertaistaa laskentaa huomattavasti. Kaasuturbiinissa ahdin puristaa ilmaa korkeampaan paineeseen ja lämpötilaan, polttokammio kuumentaa tarvittavan ilmamäärän ja turbiinissa kaasu paisuu alhaisempaan paineeseen ja lämpötilaan.
Lämpötila tai paine ahtimen jälkeen on laskettavissa esimerkiksi polytrooppihyötysuhteen avulla.
= Ahtimen sisäänmenolämpötila [K]
= Ahtimen ulostuloslämpötila [K]
= Paine ennen ahtimen sisäänmenoa [kPa/bar]
= Paine ahtimen jälkeen [kPa/bar]
= ahtimen polytrooppihyötysuhde
Ahtimen vaatima teho voidaan laskea
= Ahtimen vaatima teho. [kW] Kaasuturbiineissa turbiini tuottaa ahtimen vaatiman tehon ja loput turbiinin tuottamasta tehosta saadaan tuotettua sähköksi.
= Entalpia ahtimen jälkeen [kJ/kg]
= Entalpia ennen ahdinta [kJ/kg]
Vastaavasti voidaan turbiinin lämpötila tai paine laskea polytrooppihyötysuhteen avulla. Tässä ainoastaan polytrooppihyötysuhteen termi on vaihtanut paikkaa.
= Turbiinin sisäänmenolämpötila [K]
= Turbiinin ulostuloslämpötila [K]
= Paine ennen turbiinin sisäänmenoa [kPa/bar]