Kaasuturbiini

Historia

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

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.

Kaasuturbiinin hyötysuhteen parantaminen

Kaasuturbiinin tehokkuus kasvaa kun käytetään korkeampia lämpötiloja ja suurempaa lämpötila eroa 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.

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.

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.

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]
 = Paine turbiinin jälkeen [kPa/bar]
 = turbiinin polytrooppihyötysuhde
Turbiinin tuottama teho voidaan laskea
 = Turbiini tuottama teho. [kW]
 = Entalpia turbiinin jälkeen [kJ/kg]
 = Entalpia ennen turbiinia [kJ/kg]
Kaasuturbiiniprosessissa sijaitsevan polttokammion polttoaineteho lasketaan
 = Polttokammion polttoaineteho [kW]
 = Entalpia polttokammion jälkeen [kJ/kg]
 = Entalpia ennen polttokammiota [kJ/kg]
Kaasuturbiiniprosessin terminen hyötysuhde lasketaa akselitehon ja polttoaineteho avulla
Yllä olevissa yhtälöissä alla olevat termit ovat aina samoja. Massavirtauksen oletetaan pysyvän samana.
 = Kaasuturbiiniprosessin läpi menevä massavirta [kg/s]
 = Ainekohtainen kaasuvakio [J/kgK]. Ainekohtaisen kaasuvakion saa, kun jakaa universaalin kaasuvakion [8314,510 J/kmol*K] aineen moolimassalla. Esimerkiksi ilmalle 
 = Ominaislämpökapasiteetti [J/kgK]

Materiaalit

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.

Pinnoitteet

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

Kaasuturbiinin rasitetuin ja suurimmat vaatimukset asettava osa ovat turbiinin siivet. Siksi niiden valmistamisessa tulee laatuun ja kestävyyteen kiinnittää erityistä huomiota.

Valaminen

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

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

Kaasuturbiinivoimalaitos on sähkön tuotantolaitos, jossa generaattoria pyöritetään kaasuturbiinilla.

Toimintaperiaate

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

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 sama kuin 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.