Турбина

Парна турбина немачког произвођача Сименс

Ротор Францисове турбине, снаге од скоро милион КС (750 MW), за време уградње у Хидроелектрани Гранд Кули, САД.

Турбина (франц. turbine < лат. turbo, генитив turbinis: вихор, вртлог) ротациона је машина (струјни мотор) која струјну енергију радног флуида трансформише у механички рад. Она претвара потенцијалну или топлотну енергију тока флуида у кинетичку енергију, те даље вртњом ротора у механички рад. Механички рад добијен на овај начин се може искористити за добијање електричне енергије или покретање неке друге ротационе машине (најчешће пумпе, компресоре и друго). Turbine su u odnosu na stapne strojeve iste snage znatno manje i lakše, imaju bolje uravnoteženje rotirajućih masa, konstantan zakretni moment i drugo. Ovisno o vrsti fluida, razlikuju se turbine koje pokreće nestlačivi radni fluid, na primjer voda (vodna turbina), te turbine koje pokreće stlačivi fluid, na primjer vodena 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, te ležajevi rotora. 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 iz antičke 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 nekoliko metara i snagu do 1 500 MW.

Najjednostavnije turbine imaju jedan pomični dio, rotor, a to je vratilo ili bubanj, sa lopaticama. Protok tekućine djeluje na lopatice tako da se okreću i daju energiju rotacije na rotor. Rani primjeri turbina su vetrenjače i vodeni mlinovi. Plinske, parne i vodne turbine obično imaju kućište oko lopatica koje sadrži i kontrolira radnu tvar. Za izum parne turbine zaslužan je britanski inženjer Charles Algernon Parsons (1854. - 1931.), za pronalazak reakcije u turbini, i švedski inženjer Gustav de Laval (1845. - 1913.), za izum pogonske turbine. Moderne parne turbine često upotrebljavaju reakciju i impuls u istoj jedinici, obično različiti stupanj reakcije i impulsa iz korijena lopatica svoje periferije. Uređaj sličan turbini, ali u obrnutom procesu, je kompresor ili pumpa. Aksijalni turbokompresor u mnogim plinskim turbinama dobar 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 Burdin 1828. je upotrijebio termin turbo iz latinskog što označava vrtlog, tijekom inženjerskog natjecanja. Benoit Fourneyron, student Claude Burdina, izgradio je prvu praktičnu vodnu turbinu.

Начин рада

Шематски дијаграм који приказује разлику између импулсне и реакциона турбина.

Радна течност садржи потенцијалну енергију (притисак) и кинетичку енергију (брзина). Течност може бити стишива или нестишњава. Неколико принципа турбине за прикупљање енергије:

Импулсне турбине

Ove turbine mijenjaju smjer protoka tekućine velike brzine ili mlaza plina. Nastali impuls sile okreće turbinu i ostavlja protok tekućine sa smanjenom kinetičkom energijom. Nema promjene tlaka tekućine ili plina na lopatice u rotoru turbine (pomičnih lopatica), kao u slučaju parne ili plinske turbine, sav pad tlaka odvija se u stacionarnim lopaticama (mlaznice). Prije stizanja u turbinu, tlak tekućine mijenja se s brzinom, ubrzavajući tekućinu mlaznicom. Peltonova turbina isključivo 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 zakon opisuje prijenos impulsa energije za turbine.

Реакцијске турбине

Ове турбине развијају момент силе дејством приска на плин или течност или на њихову масу. Притисак плина или течности мења се проласком кроз турбинске лопатице ротора. Pritisak na krilo je potrebno da bi zadržavalo tekućinu dok djeluje na turbinu ili turbina mora biti u potpunosti uronjena u tekućinu koja je pokreće (kao kod vjetroagregata). Kućište sadrži i usmjerava radnu tekućinu i, za vodne turbine, održava usisavanje kroz danu cijev. Francisova turbina i većina parnih turbina koristi ovu pojavu. Za stlačene radne plinove, obično se koristi više turbina za učinkovito upregnuće raširenog plina. Treći Newtonov zakon opisuje 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, ukupna djelotvornost reakcijske 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 vjetar koriste aerodinamički profil za generiranje uzgona vjetra i slanja na rotor (to je oblik reakcije). Vjetrenjače dobivaju neku energiju i iz pobude vjetra, uz skretanje kuta. Banki-Michell turbine su dizajnirane kao pobudni strojevi sa mlaznicama, ali održavaju neku efikasnost u nižim zadaćama kroz reakcije, kao što je tradicionalno vodeničko 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 medij ekspandira u volumenu za 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 analiza povezuje 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 stanje fluida. Neki izračuni su empirijski, a drugi su temeljeni na klasičnoj 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 različitih vektora brzine. Trokut ubrzanja može biti izgrađeni u svakom dijelu kroz lopatice (na primjer: koncentrator, glavu, središnji presjek i tako dalje), ali se obično prikazuju u promjeru srednje faze. Prosječna svojstva za faze mogu biti izračunate iz trokuta brzina, na ovom radijusu, koristeći Eulerovu jednadžbu:

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

Odakle:

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

где је:

$\Delta \;h=\,$ pad specifične entalpija po fazi,

$T=\,$ ukupna ulazna temperatura turbine (ili stagnacija),

$u=\,$ periferna brzina turbine rotora,

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

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

S dolaskom modernijeg dizajna turbina dolaze i neki novi izračuni mjera. Računalna dinamika fluida daje rezultate i bez upotrebe mnogih pojednostavljujućih pretpostavki koje su prije služile da bi se izvele klasične jednadžbe, a kompjuterski programi (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 na snagu i protok. 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.

Основна конструкција турбина

Све турбине се конструктивно састоје из покретног дела кога струјање флуида обрће-ротора (радног кола) и непокретног дела - статора (кућишта) преко кога су вратило и ротор улежиштени и које омогућава конверзију струјне енергије радног флуида у механички рад.

Подела турбина

Радни флуид

Зависно од врсте флуида који се користи као радни медиј, односно чиме се производи ротациона сила, турбине се могу поделити на:

• хидрауличне турбине (флуид је вода) - водне
• ваздушне турбине (флуид је ваздух) - ваздушне
• парне турбине (флуид је водена пара) - парне
• гасне турбине (флуид је гас) - гасне

Намена

У зависности од тога за шта се користи механички рад, турбине се употребљавају за следеће сврхе

• млинове за млевење
  • воденице за млевење жита
  • ветрењаче за млевење жита и наводњавања
• разне машине
• генераторе за производњу електричне струје
  • генератори за производњу једносмерне струје
  • генератори за производњу наизменичне струје

Литература

• Група аутора, Енциклопедија Британика, Политика, Београд, 2005.
• Група аутора, Мала енциклопедија Просвета, Просвета, треће издање, Београд, 1978.
• Група аутора, Техничка енциклопедијаЗагреб, 1963 - 1997.
• Layton, Edwin T. "From Rule of Thumb to Scientific Engineering: James B. Francis and the Invention of the Francis Turbine," NLA Monograph Series. Stony Brook, NY: Research Foundation of the State University of New York, 1992.
• Bayar, Tildy (31. 7. 2014). „Global gas and steam turbine market to reach $43.5bn by 2020”. Power Engineering International. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Bhadeshia, HKDH (2003). „Nickel Based Superalloys”. University of Cambridge. Приступљено 4. 9. 2008. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Bowie, David (2010). „Cruising Turbines of the Y-100 Naval Propulsion Machinery” (PDF). 
• Deckers, Matthias (лето 2003). „CFX Aids Design of World's Most Efficient Steam Turbine” (PDF). CFXUpdate (23). Архивирано из оригинала (PDF) 24. 10. 2005. г. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Giampaolo, Tony (2014). Gas Turbine Handbook Principles and Practices By Tony Giampaolo: Gas Turbine Handbook. Digital Designs. 
• Friedman, Norman (2004). U.S. Destroyers: An Illustrated Design History. Annapolis: Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-442-5. 
• Hassan, Ahmad Y (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo. 
• Keyser, Paul (1992). „A new look at Heron's Steam Engine”. Archive for History of Exact Sciences. 44 (2): 107—124. ISSN 0003-9519. doi:10.1007/BF00374742. 
• Latief, Fahamsyah H; Kakehi, Koji (2013). „Effects of Re content and crystallographic orientation on creep behavior of aluminized Ni-base single crystal superalloys”. Materials & Design. 49: 485—492. ISSN 0261-3069. doi:10.1016/j.matdes.2013.01.022. 
• Leyzerovich, Alexander S (1. 8. 2002). „New Benchmarks for Steam Turbine Efficiency”. Power Engineering. Архивирано из оригинала 18. 9. 2009. г. Приступљено 12. 9. 2010. CS1 одржавање: Формат датума (веза)
• Leyzerovich, Alexander (2005). Wet-steam Turbines for Nuclear Power Plants. PennWell Books. ISBN 978-1-59370-032-4. 
• Moran, Michael J; Shapiro, Howard N; Boettner, Daisie D; Bailey, Margaret B (2010). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-49590-2. 
• Nag, PK (2002). Power Plant Engineering. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-043599-5. 
• Parsons, Charles A (1911). The Steam Turbine. Cambridge University Press. 
• O'Connor, JJ; Robertson, EF (1999). „Heron of Alexandria”. The MacTutor History of Mathematics. 
• Sanders, William P (2004). Turbine Steam Path: Mechanical Design and Manufacture. III a. PennWell. 
• Stodola, A (2013) [1924]. Dampf- und Gasturbinen. Mit einem Anhang über die Aussichten der Wärmekraftmaschinen [Steam and Gas Turbines: With an appendix on the prospective use as heat engines] (Supplement to the 5th изд.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-50854-7. 
• Stodola, Aurel (1927). Steam and Gas Turbines: With a Supplement on The Prospects of the Thermal Prime Mover. McGraw-Hill. 
• Stodola, Aurel; Loewenstein, Louis Centennial (1945). Steam and gas turbines: with a supplement on The prospects of the thermal prime mover. P Smith. 
• Streeter, Tony (2007). „Testing the Limit”. Steam Railway Magazine (336). 
• Tamarin, Y (2002). Protective Coatings for Turbine Blades. ASM International. ISBN 978-1-61503-070-5. 
• Whitaker, Jerry C (2006). AC Power Systems Handbook (Third изд.). Taylor & Francis. ISBN 978-0-8493-4034-5. 
• Cotton, KC (1998). Evaluating and Improving Steam Turbine Performance. Cotton Fact. 
• Johnston, Ian (2019). „The Rise of the Brown-Curtis Turbine”. Ур.: Jordan, John. Warship 2019. Oxford: Osprey Publishing. стр. 58—68. ISBN 978-1-4728-3595-6. 
• Thurston, RH (1878). A History of the Growth of the Steam Engine. New York: D Appleton and Co. 
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (на језику: немачки). Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, New York. 
• Waliullah, Noushad (2017). „An overview of Concentrated Solar Power (CSP) technologies and its opportunities in Bangladesh”. 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE). CUET. стр. 844—849. ISBN 978-1-5090-5627-9. doi:10.1109/ECACE.2017.7913020. 

Спољашње везе

• Turbines