Turbina

Siemensparna turbinasa otvorenim kućištem.

RotorFrancisove turbine,snage od skoro milijunKS(750MW), za vrijeme ugradnje uHidroelektrani Grand Coulee,SAD.

Turbina(franc.turbine<lat.turbo,genitivturbinis:vihor, vrtlog) je energetskistrojs stalnim (kontinuiranim)protokomradnogafluida(plinailitekućina) kroz sustav statorskih i rotorskih lopatica (turbostroj) koji pretvarapotencijalnuilitoplinsku energijutoka fluida ukinetičku energiju,te daljevrtnjomrotoraumehanički rad.Dobiveni se mehanički rad primjenjuje za pokretanjeelektričnih generatora,pumpa,kompresorai drugog. Turbine su u odnosu nastapne strojeveistesnageznatno manje i lakše, imaju bolje uravnoteženje rotirajućihmasa,konstantanzakretni momenti drugo. Ovisno o vrsti fluida, razlikuju se turbine koje pokreće nestlačivi radni fluid, na primjervoda(vodna turbina), te turbine koje pokreće stlačivi fluid, na primjervodena para,plinovi izgaranja ili zrak (parna turbina;plinska turbina;vjetrena turbina). U mirujućem kućištu turbine nalaze se statorske lopatice, elementi za regulaciju i upravljanje, priključci za dovod i odvod radnoga fluida, teležajevirotora. Rotor nosi red lopatica koje zajedno s redom statorskih lopatica čine jedan stupanj turbine. Parne i plinske turbine mogu imati više od jednoga stupnja (višestupanjske turbine). Prve spoznaje o uporabi turbina potječu izantičke Grčke.Današnje su turbine različitih veličina i snaga, od najmanjih, koje kao pneumatski aktuatori pogone različite ručne alate (pneumatika), do onih najvećih, kakve su vodne turbine za pogon električnih generatora, koje imaju promjer od nekolikometarai snagu do 1 500MW.

Najjednostavnije turbine imaju jedan pomični dio,rotor,a to jevratiloili bubanj, sa lopaticama. Protok tekućine djeluje na lopatice tako da se okreću i daju energiju rotacije na rotor. Rani primjeri turbina suvjetrenjačei vodenimlinovi.Plinske,parneivodneturbine obično imaju kućište oko lopatica koje sadrži i kontrolira radnu tvar. Za izum parne turbine zaslužan je britanski inženjerCharles Algernon Parsons(1854. - 1931.), za pronalazak reakcije u turbini, i švedskiinženjerGustav de Laval(1845. - 1913.), za izum pogonske turbine. Moderne parne turbine često upotrebljavaju reakciju iimpulsu istoj jedinici, obično različiti stupanj reakcije i impulsa iz korijena lopatica svoje periferije. Uređaj sličan turbini, ali u obrnutom procesu, jekompresorilipumpa. Aksijalni turbokompresor u mnogimplinskim turbinamadobar je primjer. Ovdje ponovno, i reakcija i impuls su iskorišteni i opet, u modernim osovinskim kompresorima, stupanj reakcije i impulsa obično će se razlikovati od korijena lopatica periferije.Claude Burdin1828. je upotrijebio terminturboizlatinskogšto označavavrtlog,tijekom inženjerskog natjecanja.Benoit Fourneyron,student Claude Burdina, izgradio je prvu praktičnuvodnu turbinu.

Način rada

Shematski dijagram koji prikazuje razliku izmeđuimpulsneireakcijske turbine.

Radnatekućinasadržipotencijalnu energiju(tlak) ikinetičku energiju(brzina). Tekućina može bitistlačivaili nestlačiva. Nekoliko principa turbine za prikupljanje energije:

Impulsne turbine

Ove turbine mijenjaju smjerprotokatekućinevelikebrzineili mlazaplina.Nastaliimpuls sileokreće turbinu i ostavljaprotoktekućine sa smanjenomkinetičkom energijom.Nema promjene tlaka tekućine ili plina na lopatice u rotoru turbine (pomičnih lopatica), kao u slučajuparneiliplinsketurbine, sav padtlakaodvija se u stacionarnim lopaticama (mlaznice). Prije stizanja u turbinu, tlak tekućine mijenja se s brzinom, ubrzavajući tekućinumlaznicom. Peltonova turbinaisključivo koristi tu pojavu. Impuls turbine ne zahtijevaju pritisak na krilo oko rotora budući da je mlaz tekućine stvoren mlaznicom prije dostizanja na lopatice rotora.Drugi Newtonov zakonopisuje prijenos impulsa energije za turbine.

Reakcijske turbine

Ove turbine razvijajuzakretni momentreakcijom tlaka na plin ili tekućinu ili na njihovu masu. Tlak plina ili tekućine mjenja se prolaskom kroz turbinske lopatice rotora.Pritisakna krilo je potrebno da bi zadržavalo tekućinu dok djeluje na turbinu ili turbina mora biti u potpunosti uronjena u tekućinu koja je pokreće (kao kodvjetroagregata). Kućište sadrži i usmjerava radnu tekućinu i, za vodne turbine, održava usisavanje kroz danu cijev.Francisova turbinai većinaparnih turbinakoristi ovu pojavu. Za stlačene radne plinove, obično se koristi više turbina za učinkovito upregnuće raširenog plina.Treći Newtonov zakonopisuje prijenos energije za reakcijske turbine.

U slučaju parnih turbina, koje bi se koristile za brodske primjene ili za kopnene generatore, Parsonov tip reakcijske turbine zahtijevao bi otprilike dvostruki broj redaka lopatica, kao de Lavalova pogonska turbina, za isti stupanj ispuštanja topline. Dok to Parsonova turbina radi mnogo duže i teže, ukupnadjelotvornostreakcijske turbine malo je veća nego ekvivalentna pogonska turbina za isto ispuštanje topline. Parne turbine i kasnije, plinske turbine, neprekidno su razvijane tijekom 20. stoljeća, nastavljajući to činiti i u praksi, projekti modernih turbina će koristiti obje reakcije i impuls za mjenjanje stupnjeva, kad god je to moguće.Turbine na vjetarkoristeaerodinamičkiprofil za generiranjeuzgonavjetrai slanja na rotor (to je oblik reakcije).Vjetrenjačedobivaju neku energiju i iz pobude vjetra, uz skretanje kuta.Banki-Michell turbinesu dizajnirane kao pobudni strojevi sa mlaznicama, ali održavaju nekuefikasnostu nižim zadaćama kroz reakcije, kao što je tradicionalnovodeničko kolo.Turbine s više razina mogu koristiti bilo reakcije ili za poticaj lopatica pod visokim pritiskom. Parne turbine su tradicionalno više poticajne, ali se dalje kreću ka reakcijskom dizajnu slične onima koje se koriste u plinskim turbinama. Na niskom tlaku operativni medijekspandirauvolumenuza malo smanjenje tlaka. Pod tim uvjetima (pojam niskotlačnih turbina) lopatice postaju strogo dizajnirane isključivo za impulsno postolje. Razlog tome je djelovanje brzine rotacije za svaku oštricu. Kao što povećava volumen, oštrica povećava visinu, a postolje lopatica se okreće na sporijoj brzini. Ova promjena u brzini tjera dizajnere na promjenu postolja sa impulsnog na visoko reakcijski tip.

Projektantske metode klasične turbine razvijene su sredinom 19. stoljeća.Vektorska analizapovezuje protok tekućine sa oblikom turbine i rotacijom. Prvo su korištene grafičke metode. Jednadžbe za osnovne dimenzije dijelova turbina su dobro dokumentirane i visoko učinkovit stroj se može pouzdano dizajnirati za bilo koje stanjefluida.Neki izračuni su empirijski, a drugi su temeljeni naklasičnoj mehanici.Kao i kod većine inženjerskih izračuna, pretpostavke su pojednostavljene. Trokut ubrzanja može se koristiti za izračun osnovne razine svojstava turbine. Plin izlazi mlaznicama stacionarnih turbina vođen lopaticama na apsolutnoj brzini V_a1.Rotor se vrti na brzini U. U odnosu na rotor, brzina plina jer impinges rotora na ulazu je V_r1. Plin se okrenuo prema rotoru i izlazi, u odnosu na rotor, na brzinu V_r2.Međutim, u apsolutnom smislu brzine rotora izlaz je V_a2.Trokuti brzina konstruirani su pomoću tih različitihvektorabrzine. Trokut ubrzanja može biti izgrađeni u svakom dijelu kroz lopatice (na primjer: koncentrator, glavu, središnji presjek i tako dalje), ali se obično prikazuju upromjerusrednje faze. Prosječna svojstva za faze mogu biti izračunate iz trokuta brzina, na ovom radijusu, koristećiEulerovujednadžbu:

$\Delta \;h=u\cdot \Delta \;v_{w}$

Odakle:

$\left({\frac {\Delta \;h}{T}}\right)=\left({\frac {u}{\sqrt {T}}}\right)\cdot \left({\frac {\Delta \;v_{w}}{\sqrt {T}}}\right)$

gdje je:

$\Delta \;h=\,$pad specifičneentalpijapo fazi,

$T=\,$ukupna ulaznatemperaturaturbine (ili stagnacija),

$u=\,$periferna brzina turbine rotora,

$\Delta \;v_{w}=\,$promjena brzine vrtloga.

Omjer pritiska turbine je funkcija$\left({\frac {\Delta \;H}{T}}\right)$idjelotvornostiturbine.

S dolaskom modernijeg dizajna turbina dolaze i neki novi izračuni mjera.Računalna dinamika fluidadaje rezultate i bez upotrebe mnogih pojednostavljujućih pretpostavki koje su prije služile da bi se izvele klasične jednadžbe, a kompjuterskiprogrami (softweri)olakšavaju optimizaciju. Ovi alati su doveli do stalnog napretka u dizajniranju turbina u zadnjih 40 godina. Primarno numeričko klasificiranje turbina se mjeri prema njihovim specifičnim brzinama. Specifična brzina opisuje brzinu turbine i njezinu maksimalnu djelotvornost s obzirom nasnaguiprotok.Specifična brzina je izvedena tako da bude neovisna o veličini turbine. S obzirom na uvjete protoka fluida i željene izlazne brzine vratila, specifična brzina se može izračunati i tako se može izabrati odgovarajući dizajn turbine. Specifične brzine se zajedno s nekim osnovnim jednadžbama mogu iskoristiti za pouzdano unaprijeđivanje postojećih dizajna poznatih izvedbi na novu razinu s novim svojstava.

Vrtste turbina

GE H serijaplinskih turbineza elektrane: ukombiniranim elektranama,ova 480 MW jedinica imastupanj termičkog iskorištenjaod 60%.

Turbina s križnim protokom.

KonstrukcijaTesline turbinebez lopatica.

• Parne turbinese koriste za stvaranjeelektrične energijeutermoelektranama,kao što neke druge elektrane koristeloživo ulje,ugljenilinuklearne energije.Oni su se nekad koristili da bi direktno pokretali mehaničke uređaje poputbrodskih propelera(na primjerTurbinia), ali većina takvih aplikacija sada koristereduktorili srednji električni korak pri čemu turbina služi kao generator struje koja zatim pokrećeelektrični motorpostavljen na mehaničko breme. Brodski električniturbostrojevisu bili iznimno popularni u vremenu neposredno prijeDrugog Svjetskoj rata,primarno zbog nedostatka opreme za rezanje ubrodogradilištimaVelike BritanijeiSAD-a;
• Plinske turbinese ponekad još nazivaju i turbinskim motorima. Takvi se motori obično sastoje odventilatora,kompresora,komore izgaranja,zatona i mlaznica;
• Ultrazvučne turbine. Protok plina u većini turbina ostaje podzvučni kroz cijeli procesekspanzije.Uultrazvučnojturbini, protok plina postaje nadzvučan onda kad izlazi iz lopatica vodičkih mlaznica, iako nizvodne brzine postaju podzvučne. Transonične iliti ultrazvučne turbine rade na većem omjeru tlaka nego je normalno, ali su obično manje učinkovite i nisu tako česte. Ovakva turbina dobro dođe i kod stvaranja energije iz vode;
• Suprotno-rotirajuće turbine. Kodaksijalnih turbinaponešto većudjelotvornostmožemo postići ako se nizvodna turbina rotira u obrnutom smjeru od uzvodne. Ali komplikacije bi u tom slučaju mogle biti kontraproduktivne. Kontra-rotirajuću parnu turbinu još poznatu kao Ljungström turbinu, osmislio je švedski inženjerFredrik Ljungstrom(1875. - 1964.), u Stockholmu, apatentiraoju je zajedno sa svojim bratomBirgerom Ljungstrom1894. Po dizajnu je to zapravo višestupanjskaradijalna turbina(sa parom ugnježdenih turbinskih rotora) koja se koristi najčešće u pomorstvu zbog svoje kompaktnosti i male težine. Uzeći u obzir sve njezine karakteristike, može se zaključiti da je ukupna efikasnost ove turbine ipak manja od one Parsonove ili Lavalove turbine;
• Turbine bez statora;
• Višestupanjske turbineimaju skup statičnih (stacionarnih) ulaznih vodičkih lopatica/krila koje usmjeravaju protok plina na rotirajuće rotorske oštrice. U turbini bez statora, protok plina koji izlazi iz uzvodnog rotora sudara se sa silaznim rotorom bez da naiđe na središnji set rotorskih lopatica/krila (koje preuređuju energijske razine protoka).
• Keramičke turbine.Konvencionalne visokotlačno turbinske oštrice (i lopatice) se prave odlegurana baziniklai često se koriste za sprječavanje pregrijavanja metala. U posljednjih nekoliko godina stvorene su neke eksperimentalnekeramičkeoštrice koje se i ispituju u plinskim turbinama, a stvorene su s ciljem da se poveća temperatura dođenog zraka na rotor i/ili eventualno da se eliminira zračno hlađenje. Keramičke oštrice su ipak puno krhkije od metalnih i stoga nose sa sobom i veći rizik. Zbog toga se ograničava njihova upotreba u mlaznim motorima i plinskim turbinama.
• Turbine s čeličnom žicom.Mnoge turbinske rotorske oštrice imaju namotanu čeličnu žicu na vrhu koji ih povezuje sa susjednim oštricama iz drugih turbina čime se povećava prigušenje i smanjujevibriranje.U velikim kopnenim parnim turbinama koje generiraju struju, a posebice u dugim oštricama niskotlačnih turbina ta namotana čelična žica se često zamijenjuje pletenom (uvezanom) žicom. To su vodovi koji prolaze kroz rupe izbušene na oštricama na odgovarajućim udaljenostima od korijena oštrice i one su često i zakalemljene na mjestu gdje prolaze kroz njih. Te uvezane žice su dizajnirane tako da smanje vibriranje oštrice u njenom središnjem dijelu. Uvođenje uvezanih žica je znatno smanjilo probleme sa oštricama i velikim ili niskotlačnim turbinama.
• Turbine bez čelične žice.U modernoj praksi se u koliko je god moguće pokušava eliminirati postavljanje čelične žice na rotor i time se reducira opterećenje koje dolazi odcentrifugalne silekoja djeluje na oštricu pa se time i smanjuju zahtjevi za hlađenje sustava. Turbina bez oštrica koristi efekt graničnog sloja, a ne sudaranje fluida na oštricama kao u konvencionalnoj turbini.
• Vodne turbine:
  • Peltonova turbinaje vrsta impulsne vodene turbine,
  • Francisova turbinaje vrsta turbine na vodu koja se najčešće koristi,
  • Kaplanova turbinaje varijacija Francis turbine,
  • Turbina s križnim protokomje još jedna inačina vodene turbine,
  • Turgo turbina;
• Turbine na vjetar ilivjetroagregat.Takve turbine normalno rade kao jedna cjelina bez sapnica i unutrašnjih vodičkih lopatica. Izuzetak je Éolienne Bollée koja ima stator i rotor i time stvarno i jest prava turbina.

Veze

• Francisova turbina
• Električni generator
• Turbinska lokomotiva
• Nuklearna elektrana
• Mlazni motor

Vanjske veze

• [2]- članak o Turbinama na engleskog wikipediji
• [3]Arhivirano2008-06-13 naWayback Machine-u- Modul plinske turbine
• [4]Arhivirano2008-10-16 naWayback Machine-u- Vrste vjetroagregata