thumb|upright=1.8|Schema funcționării unei turbine cu gaze cu compresor axial O turbină cu gaze este o turbină termică, care utilizează căderea de entalpie a unui gaz sau a unui amestec de gaze pentru a produce prin intermediul unor palete care se rotesc în jurul unui ax o cantitate de energie mecanică disponibilă la cupla turbinei.MIT, op. cit. p.105<ref name="LTR">LTR, Turbină cu gaze"</ref> Turbina cu gaze mai este cunoscută și sub denumirea de instalație de turbină cu gaze (ITG).
Din punct de vedere termodinamic o turbină cu gaze funcționează destul de asemănător cu motorul unui automobil. Aerul din atmosferă este admis într-un compresor cu palete, unde este comprimat, urmează introducerea unui combustibil, aprinderea și arderea lui într-o cameră de ardere. Gazele de ardere se destind într-o turbină, efectuând lucrul mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă. Procesul este continuu, iar piesele execută doar mișcări de rotație, ceea ce pentru o putere dată conduce la o masă totală a instalației mai mică. Ca urmare, turbinele cu gaze s-au dezvoltat în special ca motoare de aviație, însă își găsesc aplicații în multe alte domenii, unul dintre cele mai moderne fiind termocentralele cu cicluri combinate abur–gaz.
Istoric Dezvoltarea turbinelor cu gaze este de dată mult mai recentă decât a turbinelor în general, și de dată mai recentă decât a turbinelor cu abur.
În 1791 englezul John Barber a brevetat prima adevărată turbină cu gaze, turbină care avea principalele elemente din turbinele cu gaze moderne.Creța, op. cit. p.35 În 1872 Dr. F. Stolger din Germania a construit prima turbină cu gaze, care însă n-a funcționat niciodată independent.
În 1903 norvegianul Ægidius Elling a construit prima turbină cu gaze funcțională, care a produs lucru mecanic, eveniment important, luând în considerare lipsa de cunoștințe de aerodinamică a vremii. Turbina sa a reușit să producă o putere de 11 cai putere, foarte mult pentru zilele respective. Din turbina sa s-a inspirat Frank Whittle.
În 1914 Charles Curtis a realizat prima aplicație practică a unei turbine cu gaze.
În 1918 General Electric, unul din cei mai mari producători, inclusiv din zilele noastre, își începe producția de turbine cu gaze. thumb|Turboreactor RD-500, clonă a Rolls-Royce Nene, fabricat în URSS.
În 1930 englezul Frank Whittle brevetează proiectul unei turbine cu gaze pentru propulsia avioanelor (motor cu reacție).Ispas, op. cit. p.42Creța, op. cit. p.40 Realizarea practică a acestui proiect s-a făcut însă abia în anul 1937. Compresorul acestui motor era de tip centrifugal, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul Rolls-Royce Welland, care a echipat avionul Gloster Meteor.
În 1936 Hans von Ohain și Max Hahn dezvoltă în Germania un motor cu reacție bazat pe un brevet propriu.Ispas, op. cit. p.43 Compresorul acestui motor era de tip axial, și pe baza lui s-a dezvoltat motorul Junkers Jumo 004 care a echipat avionul Messersmitt Me 262.
Clasificarea turbinelor cu gaze
În afară de clasificarea turbinelor termice în general, turbinele cu gaze se pot clasifica:
După destinație turbine de tracțiune pentru aviație (turboreactoare, turbopropulsoare, turboventilatoare și turbine pentru antrenarea elicelor elicopterelor); turbine de tracțiune navale; turbine de tracțiune terestre (pentru locomotive, autovehicule, motociclete, tancuri etc.); turbine de supraalimentare a motoarelor cu ardere internă. turbine energetice (pentru termocentrale cu ciclu cu gaze simplu sau cu ciclu combinat abur-gaz);
După modul de recuperare a căldurii evacuate turbine cu recuperator; turbine fără recuperator.
După felul ciclului în care lucrează cu ciclu închis; cu ciclu deschis.
Principiul de funcționare Ciclul Joule Cea mai simplă turbină cu gaze este formată dintr-un compresor, care este montat pe același ax cu o turbină. Compresorul absoarbe aerul din atmosferă și îl comprimă la presiunea de câțiva bari. Aerul comprimat ajunge într-o cameră de ardere, în care este introdus și un combustibil. Aici are loc arderea la presiune constantă, cu creșterea temperaturii și a volumului gazelor produse prin ardere. Gazele de ardere se destind în turbină, producând lucru mecanic, iar apoi sunt evacuate în atmosferă.Theil, op. cit. p.359 Ciclul termodinamic al unei astfel de turbine cu gaze este ciclul Joule,MIT, op. cit. p.116 cunoscut în literatura engleză de specialitate ca ciclul Brayton.
thumb|upright=2|Transformările care au loc în diferitele părți componente ale unei turbine cu gaze.
Transformările termodinamice din ciclu sunt: 1 – 2 compresie izentropică; 2 - 3 încălzire izobară; 3 - 4 destindere izentropică; 4 - 1 răcire izobară.
Randamentul termic al ciclului Joule ideal fără recuperator este:MIT, op. cit. p.118Theil, op. cit. p.361
unde este raportul de comprimare = p2 / p1, iar k este exponentul adiabatic al gazului.
Pentru aer, cu k = 1,4 , iar pentru un raport de comprimare de 15 (valoare uzuală), randamentul termic al ciclului este de 0,539. Randamentul termic al ciclului Joule ideal crește continuu cu creșterea raportului de comprimare, însă creșterea acestui raport este limitată de rezistența materialelor și de pierderile din ciclul real.
thumb|Ciclul Joule real (cu albastru), față de ciclul Joule ideal (cu negru). Randamentul termic al ciclului Joule real fără recuperator, luând în considerare și randamentele interne ale turbinei și compresorului este:Theil, op. cit. p.362
Pentru aer, un raport de comprimare de 15, T1 = 300 K , T3 = 1500 K, = 0,85 și = 0,75 (valori uzuale) randamentul ciclului real este de 0,300 , mult mai mic decât al ciclului ideal. Randamentul termic al ciclului Joule real are un maxim pentru un anumit raport de compresie (pentru exemplul de mai sus, chiar acel 15). În practică, randamentele efective (la cuplă) sunt și mai mici decât cele termice, datorită influenței randamentului mecanic al agregatului.
Ciclul Joule cu recuperator thumb|Ciclul Joule cu recuperarea căldurii evacuate. Pentru mărirea randamentului termic se folosesc recuperatoare care recuperează o parte din căldura evacuată odată cu gazele arse în atmosferă q4-4' și o reintroduc în ciclu q2-2'. Randamentul termic al ciclului Joule ideal cu recuperator este:Theil, op. cit. p.365
Pentru exemplul de mai sus cu = 15, din transformarea izoentropică se obțin T2 = 650 K , T4 = 692 K, cu care randamentul ciclului este de 0,567, ceva mai mare decât a ciclului fără recuperator. În exemplul prezentat diferența între T4 și T2 este mică, deci câștigul dat de recuperator este mic. În practică este greu de obținut o diferență de temperaturi mare, din cauza limitărilor date de materiale. În ciclul real influența recuperatorului este ceva mai mare, dar nu cu mult. Expresia matematică a randamentului termic al ciclului Joule real cu recuperator se complică foarte mult.
Ciclu cu fracționarea compresiei sau a destinderii O altă cale de îmbunătățire a randamentului termic al ciclului este fracționarea compresiei, cu răcirea intermediară a aerului, respectiv fracționarea destinderii în turbină, cu reîncălzirea agentului termic, aspecte detaliate în ciclu termodinamic.
Realizarea practică a răcirii intermediare a aerului comprimat se poate face: la turbine cu gaze de aviație, unde greutatea agregatului e critică, prin injecție de apă între treptele compresorului; la celelalte turbine, prin schimbătoare de căldură montate între trepte.
Realizarea practică a reîncălzirii gazelor se poate face: prin arderea unei cantități suplimentare de combustibil în camere de ardere intermediare între corpurile turbinei; prin schimbătoare de căldură montate între corpurile turbinei. Ambele metode măresc mult dimensiunile instalației și nu sunt adecvate pentru turbinele cu gaze de aviație.
Ciclu deschis și închis La turbinele cu gaze care lucrează cu aer absorbit din atmosferă și evacuează gazele de ardere tot în atmosferă (majoritatea cazurilor), ciclul nu este efectuat complet în instalație, transformarea 4-1 efectuându-se în atmosferă. Se spune că turbina lucrează în ciclu deschis. Dacă însă se folosește un alt agent termic, diferit de aer, acesta trebuie reținut, caz în care toate transformările din ciclu se realizează în instalație, și se spune că turbina lucrează în ciclu închis. Astfel de cicluri închise se întâlnesc în centrale nucleare, iar agentul termic este uzual dioxidul de carbon sau heliul.
Poluarea cauzată Poluanții emiși de turbinele cu gaze sunt aceiași ca în oricare alt proces de ardere: dioxizii de carbon (CO2) și de sulf (SO2), monoxidul de carbon (CO) și oxizii de azot (NOx).
Reducerea CO2 este limitată de fenomenul de ardere în sine, cantitățile emise fiind proporționale cu cantitățile de combustibil ars. Reducerea acestor emisii se poate face prin îmbunătățirea randamentului ciclului termic, îmbunătățire care, pentru o putere dată a turbinei, determină un consum de combustibil mai redus.
Reducerea SO2 se poate obține numai folosind un combustibil fără sulf. De aceea este preferat gazul natural. Dacă se folosesc combustibili lichizi (de exemplu la turbinele mobile), este preferabilă desulfurarea prealabilă a combustibilului la rafinărie. Ultra-Low Sulfur Diesel Washington State University Extension Energy Program
Reducerea CO se poate obține printr-o ardere completă din punct de vedere chimic (ardere perfectă) a combustibilului, lucru care necesită cantități de aer sporite în procesul de ardere, însă acest lucru nu este o problemă la turbinele cu gaze, care oricum funcționează cu cantități de aer mai mari decât strict cele necesare arderii. Eventualele urme pot fi eliminate prin metode SCR - reducere selectivă catalitică (). Rajat Kapoor, Keith C. Kaufman Reducing Gas Turbine Emissions Pollution Engineering, 8 octombrie 2006
Reducerea NOx se poate obține prin scăderea temperaturilor de ardere, ceea ce însă afectează randamentul ciclului, sau prin reducerea chimică a NOx format, de exemplu prin procedee SCR sau SNCR - reducere selectivă necatalitică (). Ambele procedee au dezavantaje, SCR necesită catalizatori scumpi, care se consumă, iar SNCR produce emisii de amoniac (NH3).
Măsurile de reducere ale poluanților sunt costisitoare și se justifică în cazul emisiilor totale mari, în speță pentru țările industrializate.
Descrierea părților componente Compresorul thumb|Compresorul axial cu 17 trepte al unui turboreactor GE J79. Rolul compresorului este de a realiza comprimarea agentului termic (de obicei aerul), realizând transformarea 1 – 2 din ciclul Joule. Se folosesc exclusiv compresoare cu palete.
Compresoarele pot fi: centrifugale; axiale.Compresoarele centrifugale au un raport de compresie pe treaptă mai mare, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie mai puține trepte, deci agregatul rezultă mai ușor. Randamentul acestor compresoare este însă mai mic. Compresorul centrifugal s-a folosit la primele motoare cu reacție ale lui Frank Whittle, inclusiv la motorul Rolls-Royce Nene. Actual este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru elicoptere mici, agregate care trebuie să fie cât mai ușoare.Compresoarele axiale au un raport de compresie pe treaptă mai mic, deci pentru un raport de compresie total dat trebuie multe trepte, deci agregatul rezultă mai lung, însă de diametru mai mic. Randamentul acestor compresoare este mai bun. Compresorul axial este folosit pe scară largă la turbinele cu gaze pentru toate turbinele pentru propulsia avioanelor, unde contează diametrul mic și randamentul bun, și toate turbinele energetice, unde contează randamentul bun.
Camera de ardere thumb|Camerele de ardere individuale ale unui turboreactor GE J79. Rolul camerei de ardere este de a realiza introducerea căldurii în ciclu prin arderea unui combustibil, realizând transformarea 2 – 3 din ciclul Joule. Camerele de ardere au în interior o cămașă răcită cu aerul de diluție, cămașă care ecranează flacăra și protejează astfel corpul exterior al camerei. Aprinderea inițială se face cu o bujie.