Encyklopedia w Markpol

Reklama:

Turbina (z łac. turbo, burza, trąba powietrzna) to silnik przepływowy wykorzystujący bezpośrednio energię kinetyczną lub potencjalną przepływającego płynu do nadania ruchu obrotowego wirnikowi. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są w specjalny sposób kształtowane łopatki. Na schematach cieplnych turbina przedstawiana jest w postaci trapezu równoramiennego. Podobnie jak sprężarka przepływowa lecz czynnik „wpływa” do krótszej podstawy a „wypływa” z dłuższej co symbolizuje rozprężanie gazu.

Budowa

Podstawowym elementem każdej turbiny jest łopatka, która jest przymocowana do tarczy lub bębna. Łopatki są przymocowane na całym obwodzie bębna lub tarczy tworząc tak zwany wieniec łopatkowy lub palisadę łopatkową. Bęben bądź tarcza jest osadzona na wale; czasem są one wykonane jako jeden element. Wał razem z tarczą / bębnem i wieńcem łopatkowym stanowią wirnik turbiny, który się obraca w wyniku przepływu gazu bądź cieczy. Palisada na wirniku nazywa się palisadą wirnikową albo wieńcem wirnikowym. W turbinach osiowych (zwłaszcza w turbinach wielostopniowych) często wieniec wirnikowy musi mieć przed sobą nieruchomy wieniec kierowniczy zwany też kierownicą, który ma za zadanie odpowiednio ukierunkować czynnik padający na łopatki wirnika. Kierownica także składa się z łopatek i jest ona nieruchomo przymocowana do korpusu turbiny. Nie może ona stykać się z wirnikiem. Wieniec kierowniczy wraz z wieńcem wirnikowym stanowi jeden stopień turbiny osiowej. Ich liczba może być różna, najczęściej od kilkunastu do jednego. Liczba łopatek palisady wirnikowej jest na ogół inna niż w palisadzie kierowniczej. Całość jest zamknięta w korpusie pojedynczym lub podwójnym. Wirnik jest osadzony na łożyskach ślizgowych (w przypadku dużych turbin pracujących na ziemi), bądź tocznych (dla konstrukcji trakcyjnych / lotniczych). Przejścia wału przez korpus są uszczelniane uszczelnieniami labiryntowymi. Niektóre turbiny jak na przykład turbina wiatrowa nie potrzebują kierownicy ani korpusu i wystarczy im jeden tylko stopień.

Zasada działania

Czynnik termodynamiczny, którym może być para, spaliny albo inny płyn, przy odpowiedniej prędkości pada na łopatki turbiny pod odpowiednim kątem. Gaz jakoby “dmuchając” w palisadę łopatek powodują obracanie się tarczy wokół osi wału. Na wale powstaje moment obrotowy, który można wykorzystać do napędu czegokolwiek. Turbina napędzana parą nazywa się turbiną parową. Turbina napędzana gazami spalinowymi albo innymi (ale nie parą) nazywa się turbiną gazową (więcej rodzajów turbin znajdziesz w rozdziale „klasyfikacja” na końcu tego artykułu). Jeśli się okaże, iż prędkość czynnika jest za mała, aby nadać wirnikowi wymaganą prędkość wtedy potrzebna będzie kierownica (w turbinie osiowej). Jej łopatki tworzą zwężające się kanały przyspieszając płyn. Jeśli czynnikiem jest gaz to w kierownicy dochodzi do jego ekspansji (rozprężania). W większości przypadków poprzez zwiększenie ilości stopni polepsza się sprawność procesu zamiany energii czynnika na moment obrotowy wału. Czynnik po przejściu przez wieniec wirnikowy zmienia swój kierunek, więc kolejnym zadaniem łopatek kierowniczych jest nadanie strumieniowi czynnika z powrotem wymagany kąt napływu na następny stopień wirnika. Gdy ekspansja zachodzi także w wirniku (w takim samym stopniu jak w kierownicy) mamy do czynienia z turbiną reakcyjną. W turbinie akcyjnej zdecydowana większość ekspansji zachodzi w palisadzie kierowniczej. Podział turbin na akcyjne i reakcyjne jest raczej umowny i w rzeczywistości reakcyjność stopni może być różna. W turbinie odśrodkowej kanały międzyłopatkowe są tak ukształtowane, że czynnik, który początkowo płynie równolegle do osi maszyny skręca pod kątem (najczęściej prostym) oddalając się od osi obrotu wirnika wzdłuż łopatek. Przy projektowaniu stopni turbinowych korzysta się z zagadnień termodynamiki i mechaniki płynów. Przede wszystkim zastosowanie tu mają trzy podstawowe równania: równanie zachowania energii, równanie ilości ruchu i równanie ciągłości. Powyższe wykresy ciśnienie – objętość (p-v) i entalpia – entropia (i-s) przedstawiają ekspansję, jaka zachodzi w turbinie; szczególnie dotyczy on turbin parowych i gazowych. Czynnik rozpręża się od ciśnienia p1 do ciśnienia p2, co obrazują odpowiadające im izobary. Cieńsza niebieska linia to proces idealnego rozprężania izentropowego od punktu 1 do 2s. Czarna grubsza linia to rzeczywiste rozprężanie od punktu 1 do 2. Różnica tych dwóch przemian jest zawarta w sprawności wewnętrznej turbiny. Natomiast różnica entalpii na drodze przemiany 1-2s to otrzymana praca ekspansji izentropowej a różnica entalpii 1-2 to praca ekspansji rzeczywistej.

Podstawowe parametry turbiny

Moc
N= \dot{m} (i_{1}-i_{2}) \eta _{m}
gdzie: :\dot{m} – masowe natężenie przepływu czynnika :i1– entalpia czynnika przed turbiną :i2– entalpia czynnika za turbiną :ηm- sprawność mechaniczna Największe turbiny parowe osiągają moce ponad 1 GW. Najmniejsze konstrukcje to mikroturbiny gazowe wielkości puszki napoju osiągające moc 1 kW. Sprawność cieplna Turbina jest zawsze tylko elementem turbozespołu, więc sprawność silnika turbinowego jest sprawnością całego obiegu (patrz: turbina parowa, turbina gazowa). Na dzień dzisiejszy (2004) sprawność turbozespołów parowych sięga 40%...45% a spalinowych 30%...35%. Sprawność wewnętrzna
\eta_{i}={i_1-i_2\over i_1 - i_{2s}}
gdzie: :i1– entalpia czynnika przed turbiną :i2– entalpia czynnika za turbiną :i2s– entalpia czynnika za turbiną po ekspansji izentropowej Wynosi ona około 85%...92% Prędkość obrotowa n = [obr/s] lub w obr/min. Jest istotna z uwagi na dwa aspekty: Pierwszy; w przypadku turbin biorących udział w produkcji prądu elektrycznego ich prędkość obrotowa, z jaką stale pracują mieści się w zakresie najwyższej sprawności. Prędkość ta nie może ulegać zmianie i jest ściśle nadzorowana gdyż bezpośrednio wpływa to na częstotliwość prądu wytwarzanego przez podłączony do turbiny generator, a co za tym idzie także na zsynchronizowanie z resztą generatorów. Brak takiej synchronizacji może spowodować uszkodzenia elektrowni. Drugim istotnym znaczeniem prędkości obrotowej turbiny jest jej maksymalna wartość z uwagi na wytrzymałość konstrukcji. Dopuszczalna temperatura czynnika przed turbiną. T (lub T3 w turbinach gazowych). Podnoszenie tego parametru jest jednym z najważniejszych przedmiotów badań nad polepszaniem silników turbinowych. Im wyższa jest ta temperatura tym obieg, w jakim pracuje turbina jest bardziej sprawny. Zwiększa się też moc obiegu. Ograniczenie stanowi żaroodporność materiałów wykorzystywanych na łopatki. Zastosowanie wytrzymałych stopów metali znacznie przyczynia się do wysokości sporych cen turbin. Oprócz stosowania lepszych materiałów, także dobre efekty przynoszą układy chłodzenia łopatek. Temperatura na wlocie w przypadku turbin parowych sięga 600°C). A u turbin spalinowych około 1300°C).

Zastosowanie i cechy

Istotnie idea działania turbiny jest bardzo prosta i była znana już w czasach starożytnych. Jej pierwowzorem było koło wodne lub wiatrak. Za pierwszą konkretną osobę, która opisała jej działanie uważa się Herona z Aleksandrii żyjącego w II wieku n.e. Pierwsze turbiny podobne współczesnym pojawiły się w latach osiemdziesiątych XIX wieku skonstruowane niezależnie przez Parsonsa i de Lavala w układach parowych. Turbina w porównaniu do innych silników posiada dużą moc przy stosunkowo niewielkiej masie i rozmiarach. Jest to główna przyczyna stosowania jej w lotnictwie gdzie zależy konstruktorom na lekkości i miniaturyzacji. Silniki rakietowe mają co prawda większe moce, ale ich zużycie paliwa dyskwalifikuje je w większości rozwiązań. Obecnie pozycja turbin (gazowych) w lotnictwie jest dominująca. Krótko mówiąc turbina jest wszędzie tam gdzie potrzeba dużej mocy i małego silnika. Dotyczy to tylko turbiny gazowej, ponieważ turbina parowa wraz z całą siłownią jest często zbyt dużym obiektem by montować ją w pojazdach. Turbina spalinowa także jest szeroko stosowana na okrętach takich jak korwety, fregaty, niszczyciele. Sporadycznie jest też używana do napędu pociągów a nawet czołgów (M1 Abrams; T-80). Obecnie coraz bardziej w trosce o ekologię zwiększa się udział turbin wiatrowych i wodnych w produkcji energii elektrycznej. Do ich napędu nie wykorzystuje się żadnych paliw. Ale w energetyce turbina zawsze miała ugruntowaną pozycję. Parowe turbiny napędzają generatory w elektrowniach jądrowych i opalanych węglem a także napędzane są parą ze źródeł geotermalnych. Tutaj między innymi wykorzystuje się cechę, że turbina parowa to silnik o spalaniu zewnętrznym. W kotle można spalać teoretycznie wszystko co nadaje się jako paliwo i dzięki temu podgrzewać parę. Obecnie większość światowej energii elektrycznej pochodzi z elektrowni na paliwa kopalne, w których pracują turbiny parowe. W okrętownictwie turbiny parowe spotyka się jako elementy napędów głównych jednostek z napędem atomowym oraz jako maszyny pomocnicze w obiegach z kotłami utylizacyjnymi. Cechą cenioną przez konstruktorów jest stałość momentu obrotowego na wale, czym przykładowo nie mogą się pochwalić silniki tłokowe. Zatem nie ma takich problemów jak drgania skrętne i innych z tym związanych. Turbina posiada mało elementów ruchomych. Łożyskowanie pojedynczego wału wirnika nie nastręcza takich problemów jak łożyskowanie wału korbowego w silniku tłokowym. Prędkość obrotowa turbin jest bardzo duża. Na przykład wiele turbin elektrownianych pracuje przy 3000 obr/min. W elektrowniach nie stosuje się przekładni, ale w pojazdach często potrzebna jest przekładnia redukcyjna pośrednicząca w połączeniu: urządzenie napędzane – turbina. To czy duża prędkość wirowania jest wadą czy zaletą zależy od zastosowania, aczkolwiek ta prędkość oraz operowanie dużymi mocami były jednymi z przyczyn szybszego rozwoju automatyki. Parametry, z jakimi pracują turbiny wymagają ścisłego nadzoru. Nawet mała usterka w obiegu siłowni może spowodować poważne uszkodzenia. Często przy nadzorze turbiny człowiek nie potrafiłby zareagować dostatecznie szybko na przekroczenie dopuszczalnych zakresów działania. Dlatego wraz z rozwojem turbin doskonaliły się także układy ich sterowania, z tego względu automatyka odgrywa dużą rolę w regulacji turbin. Do wad turbin zaliczają się spore wymogi co do technologii wykonania. Jak już zostało wspomniane do produkcji łopatek (pierwszych stopni) używa się wysokiej klasy materiałów. Ważna jest także precyzja konstrukcji, co ma istotne znaczenie przy dużych prędkościach obrotowych. Do napędu turbin gazowych potrzeba czystego paliwa. Silniki tłokowe akceptują o wiele więcej paliw, więc mają na tym polu przewagę. Kolejną wadą turbin jest wytwarzany przez nie hałas. Odgrywa on raczej rolę tylko w turbinach niezabezpieczonych tłumikami tak jak w silnikach turboodrzutowych. Wadą turbiny parowej jest konieczność instalowania razem z nią kotła i skraplacza, co znacznie zwiększa rozmiary całego zespołu napędowego. Zastosowanie turbin jest bardzo szerokie. Obecnie turbina wywalczyła sobie miejsce w wielu dziedzinach, ale też musiała ustąpić (kiedyś więcej statków było napędzanych turbinami parowymi). Turbosprężarka w silnikach spalinowych jest natomiast doskonałym przykładem uzupełniania się turbin i silników tłokowych. Turbiny stanowią napęd wielu urządzeń a w nazwie danego urządzenia charakteryzuje się ich obecność jak na przykład: turbosprężarka, turbogenerator, turbopompa. Turbiny pracują w turbozespołach (czasem zwanymi też siłowniami) razem z maszynami napędzanymi i urządzeniami pomocniczymi. W istocie dopiero cały turbozespół stanowi silnik. Urządzenia mające wpływ na parametry czynnika są elementami obiegu termodynamicznego turbiny. Oto najprostsze obiegi turbin. Drogę czynnika przedstawiono pojedynczą linią; linia podwójna symbolizuje wał. ::Najprostszy turbozespół parowy, czyli obieg Clausiusa – Rankine’a. ::Najprostszy turbozespół gazowy, czyli obieg Joule’a – Braytona. ::Obieg parowo gazowy – połączenie dwóch powyższych koncepcji. Traktowany jako siłownia, ale niekoniecznie jako jeden silnik. Jest do dziś (2004) najsprawniejszą siłownią cieplną, której sprawność sięga około 60%. Choć nadal najsprawniejszym pojedynczym silnikiem cieplnym jest silnik tłokowy wolnoobrotowy.

Klasyfikacja

Podział ze względu na medium napędzające:
  • turbiny wodne
  • turbiny wiatrowe
  • turbiny cieplne
  • turbiny parowe
  • turbiny gazowe Podział ze względu na kształt wirnika:
  • Turbiny promieniowe
  • Turbiny osiowe
  • Turbiny komorowe
  • Turbiny bębnowe Podział ze względu na reakcyjność:
  • turbiny akcyjne
  • turbiny reakcyjne Podział ze względu na zastosowanie:
  • turbiny przemysłowe
  • turbiny energetyczne
  • turbiny lotnicze
  • turbiny okrętowe
  • turbiny trakcyjne
  • turbiny pomocnicze ---- zobacz też: elektrownia jądrowa; sprężarka przepływowa; obieg termodynamiczny

    Chcesz wypromować swoją stronę w internecie?? - nie zwlekaj pozycjonowanie w Luman.biz to rozsądny wybór
    2005 Encyklopedia
    These materials are based onWikipedia and licensed under the GNU FDL
    Power Tools|Health 2007|Loans|Adverse Credit Remortgage|Car Finance

    		•