Poreikis turėti galingus ir ypač lengvus variklius atsirado aviacijoje. Esami vidaus degimo varikliai neleido pasiekti didesnio kaip 720 km/val. greičio, nes santykinė galia (kW/kg) naujose konstrukcijose jau nedidėjo.

Pirmuosius bandomuosius dujų turbininius variklius pagamino anglai ir vokiečiai keturiasdešimtųjų metų pradžioje, o karo pabaigoje fronte pasirodė pirmieji reaktyviniai lėktuvai.

Pati variklio idėja labai paprasta – ašiniu arba išcentriniu kompresoriumi suspaustas oras patenka į degimo kamerą, į kurią įpurškiamas kuras. Kuro ir oro padavimas reguliuojamas taip, kad vyktų stabilus degimas. Degimui sunaudojama apie ketvirtadalis oro, o likusi dalis, susimaišiusi su degimo produktais, juos aušina. Degimo produktai suka kompresorių varančią turbiną, o ištekančių dujų srauto jėga naudojama lėktuvui varyti. Idėjai realizuoti prireikė didelių konstruktorių pastangų. Buvo sukurti nauji karščiui atsparūs lydiniai, turbinos mentės su vidiniu aušinimu, sudėtinga kontrolinė valdymo aparatūra. Tai labai aukštų ir sudėtingų technologijų gaminys. Sėkmingai įdiegus karinėje ir civilinėje aviacijoje dujų turbininiai varikliai pradėti taikyti ir kitose srityse – laivuose, dujų perpumpavimo stotyse, transporte.

Privalumai ir trūkumai

Dujų turbina suka ne tik kompresorių. Per reduktorių ji perduoda galią varantiesiems ratams, vandens arba oro sraigtui, generatoriui. Palyginti su vidaus degimo varikliais, dujų turbinos yra 4–5 kartus lengvesnės, o lyginamosios kuro sąnaudos, esant pastovioms apkrovoms, apie 40 proc. mažesnės. Dujų turbinos turi ir daugiau privalumų. Kuras dega, esant dideliam oro pertekliui, o tai mažina emisijas. Kurui galima naudoti ir skystus produktus, ir dujas. Variklis labai greitai pasiekia maksimalios galios režimą. Ilgi jo darbo intervalai tarp techninių aptarnavimų.

Trūkumų sąrašas ne trumpesnis. Pats didžiausias trūkumas – didelės kuro sąnaudos, esant kintamoms apkrovoms. Dėl to dujų turbinos sunkiai diegiamos antžeminiame transporte. Daug problemų sudaro specialių reduktorių, guolių, generatorių gamyba. Juk turbinos sukimosi greičių diapazonas nuo 30 iki 100 tūkst. aps. min-1. Didelė dalis degimo dujų energijos lieka nepanaudota – ištekančių dujų temperatūra apie 500 °C. Stacionariuose įrenginiuose tai padaryti daug paprasčiau negu mobiliuose. Kombinuotų jėgainių gamintojų susidomėjimo šias varikliais ilgai neteko laukti.

Ir šiluma, ir elektra

Kogeneracinės jėgainės, gaminančios šilumą ir generuojančios elektros energiją, yra gerokai efektyvesnės už klasikines. Jų bendras naudingumo koeficientas, esant vardinei apkrovai, siekia 80–90 proc. Tokius rodiklius įmanoma pasiekti, kai visiškai sunaudojama ir pagaminta šiluma, ir elektros energija. Todėl tokio tipo jėgaines sudaro keli įvairios galios moduliai, įjungiami pagal energijos poreikį. Tokiu būdu palaikoma optimali atskirų agregatų apkrova, priklausomai nuo šiluminės energijos poreikio.

Palyginti su kitų konstrukcijų varikliais, dujų turbinose nedaug besisukančių dalių, galima naudoti įvairų kurą, nedideli matmenys, didelė lyginamoji galia, trumpas paleidimo laikas. Didžiojoje energetikoje jos naudojamos galiai generuoti piko metu. Tai ypač svarbu nedideliuose energetiniuose objektuose. Be to, tokių turbinų valdymas lengvai automatizuojamas. Pagrindinis kuras dujų turbinoms yra gamtinės dujos, bet gaminami įrenginiai, naudojantys biodujas, krosninį kurą, lengvąją naftą, biodyzeliną. Dėl tokio dujų turbinų universalumo jos jau seniai naudojamos karinės paskirties transporto ir kovinėje technikoje.

Mažesnė aplinkos tarša

Dujų turbinų degimo produktuose yra daug mažiau teršalų negu vidaus degimo variklių. Tai lemia didelis oro (apie 8) perteklius degimo metu (apie 18 proc. O2 degimo dujose). Dėl to CO emisijos artimos nuliui, o azoto oksidų koncentracija degimo dujose neviršija 5 ppm. Armijoje nedidelės galios mikroturbinos pradėtos naudoti 80-aisiais praėjusio šimtmečio metais. Jose buvo įdiegti sudėtingi ir brangūs techniniai sprendimai, nes užsakovams kaina nebuvo svarbus rodiklis. Buvo sukurti greitaeigiai keturių polių generatoriai. Jų magnetams panaudoti specialūs lydiniai sumažino besisukančių dalių masę.

Sudėtingas planetarinis reduktorius tapo nebereikalingas, o generuojama galia keičiama, keičiant turbinos apsukas. Toks reguliavimas didina jėgainės naudingumo koeficientą, esant dalinėms apkrovoms. Generuojamos įtampos dažnis kinta nuo 1 000 iki 3 000 Hz. Pramoninio 50/60 Hz dažnio pilna sinusinė įtampa gaunama elektroniniu konverteriu, nepriklausomai nuo turbinos sukimosi dažnio. Siekiant padidinti turbinos patikimumą buvo sumažinta degimo temperatūra iki 850–1 000 °C (galingose turbinose ji siekia 1 400 °C), o naudingumo koeficiento sumažėjimas kompensuotas, padidinus veleno apsukas ir panaudojus šilumokaitį degimo dujų kanale. Jame suspaustas ir iki 200 °C sušilęs oras užkaitinamas iki 400-500 °C. Ištekančių dujų temperatūra sumažėja iki 300 °C. Mikroturbinos naudingumo koeficientas sudaro 30 proc. ir nors jis mažesnis už vidaus degimo variklių, bet turbina dirba efektyviau, esant dalinėms 50–100 proc. apkrovoms. Ištekančių dujų šiluma gali būti naudojama šildymo ir šilto vandens ruošimo sistemose, taip padidinant pirminio kuro energijos panaudojimą iki 80–85 proc.

Turbinose deginamo kuro rūšys

Pirmieji energiniai blokai su mikroturbinomis buvo kelis kartus brangesni už senuosius. Po dešimtmečio atpigus puslaidininkiams ir įsisavinus naujas technologijas, mikroturbinos tapo ekonomiškai patrauklios platesniam pirkėjų ratui, nors yra ganėtinai brangios. Pirmieji civilinės paskirties įrenginiai pasirodė prieš dešimt metų. Jų konstrukcija ir pritaikyti techniniai sprendimai buvo optimalesni kainos atžvilgiu, o kai kurie net ir novatoriškesni. Kaip pavyzdį galima paminėti ­„CAPSTONE“ firmos turbinose naudojamus pneumatinius guolius, kurių praktiškai nereikia tepti. Bet pagrindiniai trūkumai – mažesnis elektrinio naudingumo koeficientas ir didelės investicijos, palyginti su vidaus degimo varikliais – išliko.

Koks yra pagrindinis jų panaudojimo mažojoje energetikoje privalumas? Pirmiausia – tai aukštas parengties laipsnis ir ilgas tarnavimo laikas. Gamintojai garantuoja jėgainės patikimo eksploatavimo trukmę nuo 80 000 iki 120 000 valandų. Labai nedidelės techninio aptarnavimo sąnaudos. Kas 8 tūkst. darbo valandų keičiami oro ir kuro filtrai bei uždegimo žvakės (apie 4 darbo valandos), o purkštukai ir terminiai elementai – kas 20 tūkst. darbo valandų (apie 4 darbo valandos). Kapitalinis turbinos ir aukštos temperatūros kanalų remontas atliekamas po 40 tūkst. darbo valandų. (8 darbo valandos).

Dujų turbinos gali naudoti kurą, kuriame yra didesnis sieros kiekis. Vidaus degimo varikliams naudojamose dujose sieros neturi būti daugiau kaip 0,2–0,3 proc., o mikroturbinose galima deginti savartynų, gamtines ir biodujas, kuriose yra iki 7 proc. sieros. Taigi dažniausiai sieros pašalinimo įranga nereikalinga, o deginant biodujas pakanka tik atskirti vandenį. Skirtingai nuo vidaus degimo variklių, kuriems minimali CH4 koncentracija 60–65 proc., dujų turbinose galima deginti dujas net ir su 35 proc. metano kiekiu. Eksploatuojant mikroturbinas, nereikalinga ir dujų separavimo įranga, nes metano koncentracija paprastai yra didesnė. Daug paprastesnė ir pigesnė šilumos perdavimo sistema šilumnešiui. Vietoje 2–3 šilumokaičių įprastiniuose kogeneraciniuose blokuose išmetamas degimo dujas (apie 300 °C)  galima nukreipti tiesiai į rekuperatorių arba šildymo katilą. Galimas variantas, kai skystojo kuro katile montuojamas papildomas degiklis ir išnaudojamas degimo dujose likęs deguonis. Dujų turbinai nereika avarinio aušinimo sistemos variklio apsaugai nuo perkaitimo, kai sumažėja šilumos poreikis. Perteklinė šiluma išmetama į aplinką. Dėl didelio oro pertekliaus degimo procese azoto oksidų ir anglies monoksido emisijos, esant standartinei 5 proc. deguonies koncentracijai, 5–10 kartų mažesnės, palyginti su vidaus degimo varikliais.

Mikroturbinos konstrukcija

Palyginti su aviacinėmis dujų turbinomis, kogeneracinio bloko konstrukcija daug paprastesnė, nes skirta dirbti atmosferinio slėgio sąlygomis. Degimui įsiurbiamas oras kartu aušina ir generatorių. Jam valyti naudojami specialūs filtrai. Paleidimo metu generatorius atlieka starterio funkciją – turbina įsukama iki paleidimui reikiamo greičio. Kintamo aukšto dažnio įtampa gaunama iš vidinio keitiklio. Turbinai pasiekus darbinį režimą, generatorius perjungiamas darbui su pramoninio dažnio keitikliu. Visas procesas vyksta automatiškai.

Esant dideliam galios poreikiui, lygiagrečiam darbui galima sujungti iki 20 blokų. Juose sumontuota visa reikalinga valdymo įranga ir ryšio prievadai nuotoliniam valdymui. Prijungti juos prie energetinio tinklo nereikia jokių papildomų įrenginių, o įtampos generavimas reguliuojamas pagal tinklo parametrus. Vienas 65 kW elektros galios blokas gali tiekti iki 130 kW šiluminę galią patalpoms ir vandeniui šildyti. Jo masė – apie 1 200 kg. Minėti galios parametrai leistini, esant iki 27 °C aplinkos temperatūrai. Kai aplinkos temperatūra didesnė, generuojama elektrinė galia nežymiai mažėja. Tokių energinių blokų akustinė tarša gerokai mažesnė negu su vidaus degimo varikliais. Tipinis triukšmo lygis 65 decibelai.

Kokia mikroturbinų panaudojimo perspektyva žemės ūkyje ir nedideliuose miesteliuose, kaimuose? Pirmiausia, tai priklausys nuo valstybės aplinkosaugos politikos ir paramos aplinkosaugos projektams įgyvendinti. Tvarkant atliekas ir jas utilizuojant bei modernizuojant sąvartynus pagal ES reikalavimus, neišvengiamai teks spręsti, kaip panaudoti sąvartynus ir biodujas. Nedidelių kogeneracinių jėgainių statybos leis sumažinti atliekų tvarkymo išlaidas komunalinėse įmonėse, parduodant elektrą vartotojams. Su analogišku atveju susidursime gyvulininkystės kompleksuose. Mikroturbinas diegti ūkiuose verta labiau negu vidaus degimo variklius, nes jos gali patikimai dirbti su sieringomis ir mažai metano turinčiomis biodujomis, o sutrikus jų tiekimui, galima naudoti gamtines dujas. Perspektyvu mikroturbinas naudoti šiltnamių ūkyje, kuriame suvartojama ypač daug elektros energijos ir šilumos. Tokių projektų artimiausiais metais turi būti įgyvendinama daugiau, nes elektros kainų didėjimas kogeneracinių jėgainių diegimą daro vis labiau patrauklų ekonominiu požiūriu.