Виды турбин: импульсные, реактивные, паровые, газовые, ветровые — обзор

При огромном разнообразии задач по генерации энергии и транспортировке рабочих тел турбины представлены множеством типов, выполняющих единую функцию в разных условиях. Турбина — устройство, преобразующее кинетическую энергию потока (воды, пара, воздуха, газов сгорания) во вращательное движение ротора. Ротор соединен с генератором для выработки электроэнергии или используется для механической работы.

Статья: классификация турбин, их схемы и принципы работы.

Классификация турбин

Импульсные и реактивные гидротурбины

Водяные турбины для ГЭС. Рабочее тело — вода. Миллионы литров воды из водохранилища (высота плотины задает напор) по давленному трубопроводу (дruckтруба/пенсток) поступают к турбине. Высоконапорная вода ударяет в лопатки на высокой скорости, вращая ротор. Генератор на валу вырабатывает электроэнергию.

Фундаментальное различие — форма лопаток рабочего колеса.

Импульсная турбина работает по 2-му закону Ньютона. На втулке ротора не лопатки, а ложечки (эллиптические получаши). Вода ударяет в ложечки на высокой скорости — ротор вращается, кинетическая энергия воды → механическая энергия вращения. Примеры: Пельтон, Турго, поперекопоточные (Банкки/Митчелл).

Реактивная турбина — сумма потенциальной (давление) и кинетической (скорость) энергии воды вращает лопатки. Вся турбина погружена в воду. Изменение давления + кинетическая энергия = обмен мощностью. Режимы: низкие напоры, высокие расходы (по сравнению с импульсными).

Лопатки раннера профилированы как крылья (профиль Жуковского), создавая силу при обтекании — как подъемная сила самолета.

Паровые турбины

Применяются на АЭС и ТЭС. Вода нагревается в пар, проходит через турбину → электроэнергия. Современные паровые турбины также классифицируются на импульсные и реактивные, отличаются компоновкой и дизайном.

Состоят из вращающихся лопаток (ротор) и неподвижных (статор), чередующихся для максимального извлечения энергии (компаундинг/многоступенчатость). В импульсных подвижные ложечки получают импульс от пара. В реактивных роторные лопатки профилированы как крылья — генерируют реактивную силу и сохраняют скорость пара.

Типичная схема: пар → высокодавятная турбина (ВДТ) → среднедавятная (СДТ) → перегреватель → низкодавятная турбина (НДТ, огромные лопатки). Увеличение длины лопаток от внутреннего к внешнему диаметру — из-за расширения пара при потере давления и кинетической энергии.

Газовые турбины

Тепловые двигатели (ДВС непрерывного сгорания). Один из самых универсальных типов. Применяются на электростанциях и для привода самолетов/вертолетов. Осевой компрессор на входе (вращающиеся лопатки) засасывает и сжимает огромный объем воздуха, повышая температуру. Воздух в камеру сгорания, где сгорает топливо (воспламеняется от свечи). Образовавшиеся выхлопные газы проходят через турбину.

Виды газовых турбин / реактивных двигателей:

1. Турбореактивный (Turbojet)
2. Турбовентиляторный (Turbofan)
3. Турбовинтовой (Turboprop)
4. Турбовальный (Turboshaft)
5. Прямотоковый (Ramjet)

Ветровые турбины

Чистый способ генерации электроэнергии. 3 лопатки, вращаются при обтекании ветром. Низкие обороты (RPM) — недостаточно для генерации частоты сети. Нужен мультипликатор (геарбокс) для повышения скорости вала генератора.

Ветровая турбина преобразует кинетическую энергию ветра в механическую мощность → генератор → электроэнергия. Наземные (onshore) и морские (offshore).

3 основных типа ветровых турбин:

1. Горизонтальноосевые (HAWT)
2. Вертикальноосевые по Савониусу (Savonius VAWT) — сопротивляющиеся типа
3. Вертикальноосевые по Дарриеусу (Darrieus VAWT) — подъемной силы типа

Заключение

Рассмотрены основные типы турбин: импульсные/реактивные гидротурбины, паровые, газовые, ветровые — с их схемами и принципами работы.

Материал полезен? Поделитесь с коллегами и следите за обновлениями!