Турбины: ключевые факты, применение и принцип работы

Думая о преобразовании рабочей жидкости в полезную механическую и/или электрическую энергию, вспоминают турбину. Это турбомашина с движущейся частью — рабочим колесом (ротором). Применение огромно: авто, авиакосмос, электро-генераторы, газотурбинные двигатели и др.

Сегодня вы узнаете определение, применение, функции, компоненты, классификацию, виды, работу, преимущества и недостатки турбин.

Что такое турбина?

Турбина — вращательное механическое устройство, извлекающее энергию из потока жидкости и преобразующее её в полезную механическую и электрическую энергию. Работа турбины может генерировать электроэнергию в комплексе с генератором.

В системе набор лопастей на роторе извлекает энергию из движущейся жидкости. Турбины могут отличаться эффективностью и эффективностью, так как бывают разных типов. Конструкция лопасти во многом определяет эффективность. Разные применения — разные дизайны.

Турбина также — устройство, улавливающее кинетическую энергию жидкости: воздуха, воды, пара, даже продуктов сгорания. Энергия превращается во вращательное движение самого устройства, далее — для выработки энергии.

Термин «турбина» ввел в 1822 г. французский горный инженер Клод Бурден. На греческом «вихрь» или «врущение». Изобретение паровой турбины приписывают англо-ирландскому инженеру сэру Чарлзу Парсонсу (1854–1931) — реактивную турбину. В 1845–1913 шведе Густаф де Лаваль изобрел импульсную турбину. Современные паровые турбины сочетают реактивное и импульсное действие в одной единице, меняя степень реакции и импульса от корня лопасти к периферии.

Применение турбин

Широко в электроэнергетике. Большая доля мировой электроэнергии — турбогенераторами.

Газотурбинные двигатели на суше, море, в воздухе.

Поршневые ДВС используют турбонаддувы для повышения эффективности и мощности.

Турбоэкспандеры — для холодильных процессов в промышленности.

Главные двигатели космического шаттла использовали турбонасосы (насос, приводимый турбинным двигателем) для подачи компонентов топлива (кислород и водород жидкие) в камеру сгорания.

Турбины часты в тепловых двигателях за высокую эффективность на высоких мощностях. Газовые турбины — за гибкость.

Конкретное применение газовых турбин — реактивные двигатели.

Ветряные турбины, преобразующие кинетическую энергию ветра в механическую мощность, генерируют электроэнергию вращением генератора. Наземные или морские.

Водяные турбины — на ГЭС. Рабочая жидкость — вода.

Паровые турбины — на АЭС и ТЭС. Вода нагревается в пар, проходит через турбины для выработки электроэнергии.

Примечание: основная функция турбины — генерация мощности.

Компоненты турбин

Так как типов турбин много, компоненты варьируют. Каплановская турбина использует генератор со стартером, ротором, валом, затвором, лопастями. Поперечнотекущая (модифицированная импульсная) — рабочее колесо, лопасти, водяная часть, распределитель. Пелтон — рабочее колесо (импеллер), сопло, игла, стержень иглы, вход, дефлекторная пластина, лопатки (ковши), выпуск. Все части будут разобраны ниже со схемами.

Схема гидроэлектрической турбины:

Классификация и виды турбин

Классификации, определяющие типы:

По энергообмену между водой и машиной

Как поток реагирует на лопасти, вызывая гидротурбины. Два типа: импульсные и реактивные.

Импульсные турбины:

Колесо приводят кинетическая энергия жидкости, ударяющей в лопасти через сопло или иначе. В этих турбинах вращающаяся машина работает при атмосферном давлении. Подходят для высоких напоров и малых расходов.

Три типа: Пелтон, Турго, поперечнотекущие (кросс-флоу). Пелтон и Турго похожи по конструкции. Кросс-флоу — модифицированная импульсная, классифицируется как импульсная из-за вращения рабочего колеса при атмосферном давлении.

Реактивные турбины:

Работают за счет суммы потенциальной и кинетической энергии воды — давления и скорости, вращающих лопасти. Вся турбина погружена в воду. Изменение давления воды вместе с кинетической энергией вызывает энергообмен. Применения — более низкие напоры и большие расходы vs импульсные. Основные типы: Франсуа, Каплан, Дериаз.

По направлению потока через машину

Классификация по прохождению воды через турбину. Четыре категории:

Радиальнотекущие турбины:

Поток в рабочем колесе движется радиально. Два типа: внутренний радиальный и внешний радиальный. Франсуа — пример радиальнотекущей.

Внутренний радиальный поток — вода входит в корпус через напорную трубу, проходит через фиксированные направляющие лопатки к ротору, выходит оттуда. Внутренний и внешний диаметры — выход и вход соответственно.

Касательные / периферийные турбины:

Вода течет касательно к рабочему колесу. Пелтон — в этой категории.

Аксиальнотекущие турбины:

Поток параллелен валу турбины (оси турбины). Каплан — пример.

Смешаннотекущие турбины:

Поток входит радиально, выходит аксиально. Современные турбины Франсуа — с этой особенностью.

По гидравлическому диапазону работы (напору)

Три категории:

Низконапорные турбины:

Гидравлические турбины с напором <45 м — низконапорные. Каплан — пример. Напор <3 м — ультра-низконапорные.

Средненапорные турбины:

Рабочий диапазон 45–250 м — средние напоры. Франсуа работают в таких условиях.

Высоконапорные турбины:

Напоры >250 м. Пелтон — пример.

По удельной скорости

Удельная скорость N_s — скорость геометрически подобной турбины, развивающей единицу мощности под единичным напором. По этому параметру водяные турбины делят на три класса:

Низкоудельная турбина:

N_s 1–10. Импульсные турбины. Пелтон обычно N_s ≈ 4.

Среднеудельная турбина:

N_s 10–100. Тип Франсуа.

Высокоудельная турбина:

N_s >100. Каплан.

Принцип работы турбины

Работа понятна, но отличается по типам. Здесь объясню газовые турбины.

В газовой турбине сжатый воздух нагревается и смешивается с топливом. Смесь воспламеняется и быстро расширяется. Расширяющийся газ входит в турбину, заставляя вращаться. Благодаря сжатому воздуху большие высоты не влияют на эффективность — идеально для самолетов. См. схему ниже.

Смотрите видео ниже о работе газовых турбин:

Заключение

Турбины — вращательные механические устройства, извлекающие энергию из рабочей жидкости в полезную энергию. В статье: определение, применение, функции, компоненты, схема, типы, работа турбин.

Надеюсь, полезно. Делитесь со студентами. Спасибо!