stringtranslate.com

Турбина

Паровая турбина с открытым корпусом.
Жужжание небольшой пневматической турбины, используемой в немецкой безопасной лампе 1940-х годов.

Турбина ( / ˈ t ɜːr b n / или / ˈ t ɜːr b ɪ n / ) (от греч. τύρβη , tyrbē или лат. turbo , что означает вихрь ) [ 1] [2] представляет собой вращающееся механическое устройство, которое извлекает энергию из потока жидкости и преобразует ее в полезную работу . Произведенная работа может быть использована для выработки электроэнергии при объединении с генератором . [3] Турбина представляет собой турбомашину с по крайней мере одной движущейся частью, называемой роторным узлом, который представляет собой вал или барабан с прикрепленными лопатками . Движущаяся жидкость воздействует на лопатки так, что они движутся и передают вращательную энергию ротору.

Газовые , паровые и водяные турбины имеют кожух вокруг лопаток, который содержит и управляет рабочей жидкостью.

Слово «турбина» было придумано в 1822 году французским горным инженером Клодом Бурденом от греческого τύρβη , tyrbē , что означает « вихрь » или «вихревой». Бенуа Фурнейрон , бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практическую водяную турбину. Честь изобретения паровой турбины отдается как англо-ирландскому инженеру сэру Чарльзу Парсонсу (1854–1931) за изобретение реактивной турбины, так и шведскому инженеру Густаву де Лавалю (1845–1913) за изобретение импульсной турбины. Современные паровые турбины часто используют как реакцию, так и импульс в одном и том же блоке, обычно варьируя степень реакции и импульса от основания лопатки к ее периферии.

История

Герон Александрийский продемонстрировал принцип действия турбины в эолипиле в первом веке нашей эры, а Витрувий упоминал о них около 70 года до нашей эры.

Ранними примерами турбин являются ветряные мельницы и водяные колеса .

Слово «турбина» было придумано в 1822 году французским горным инженером Клодом Бурденом от греческого τύρβη , tyrbē , что означает « вихрь » или «вихревой», в служебной записке «Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse», которую он представил в Королевскую академию наук в Париже. [4] Однако только в 1824 году комитет Академии (в состав которого входили Прони, Дюпен и Жирар) дал положительный отзыв о служебной записке Бурдена. [5] Бенуа Фурнейрон , бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практическую водяную турбину.

Честь изобретения паровой турбины приписывается как англо-ирландскому инженеру сэру Чарльзу Парсонсу (1854–1931) за изобретение реактивной турбины, так и шведскому инженеру Густаву де Лавалю (1845–1913) за изобретение импульсной турбины.

Теория работы

Схема импульсной и реактивной турбин, где ротор является вращающейся частью, а статор — неподвижной частью машины

Рабочая жидкость содержит потенциальную энергию (напор ) и кинетическую энергию (скоростной напор). Жидкость может быть сжимаемой или несжимаемой . Для сбора этой энергии турбины используют несколько физических принципов:

Импульсные турбины изменяют направление потока высокоскоростной струи жидкости или газа. Результирующий импульс вращает турбину и оставляет поток жидкости с уменьшенной кинетической энергией. Нет изменения давления жидкости или газа в лопатках турбины (движущиеся лопатки), как в случае паровой или газовой турбины, все падение давления происходит в неподвижных лопатках (соплах). Перед тем, как достичь турбины, напор жидкости изменяется на скоростной напор путем ускорения жидкости соплом . Колеса Пелтона и турбины Лаваля используют исключительно этот процесс. Импульсные турбины не требуют напорного кожуха вокруг ротора, поскольку струя жидкости создается соплом до достижения лопаток на роторе. Второй закон Ньютона описывает передачу энергии для импульсных турбин. Импульсные турбины наиболее эффективны для использования в случаях, когда поток низкий, а давление на входе высокое. [3]

Реактивные турбины развивают крутящий момент , реагируя на давление или массу газа или жидкости. Давление газа или жидкости изменяется по мере прохождения через лопатки ротора турбины. [3] Для удержания рабочей жидкости, воздействующей на ступень(и) турбины, необходим напорный кожух, или турбина должна быть полностью погружена в поток жидкости (например, в ветряных турбинах). Корпус содержит и направляет рабочую жидкость, а для водяных турбин поддерживает всасывание, создаваемое отсасывающей трубой . Турбины Фрэнсиса и большинство паровых турбин используют эту концепцию. Для сжимаемых рабочих жидкостей обычно используются несколько ступеней турбины для эффективного использования расширяющегося газа. Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реактивных турбин. Реактивные турбины лучше подходят для более высоких скоростей потока или применений, где напор жидкости (давление на входе) низкий. [3]

В случае паровых турбин, которые будут использоваться для морских применений или для наземной выработки электроэнергии, реактивная турбина типа Парсонса потребует примерно вдвое больше рядов лопаток, чем импульсная турбина типа Лаваля, для той же степени преобразования тепловой энергии. Хотя это делает турбину Парсонса намного длиннее и тяжелее, общая эффективность реактивной турбины немного выше, чем эквивалентной импульсной турбины для того же преобразования тепловой энергии.

На практике современные конструкции турбин используют как реактивную, так и импульсную концепции в разной степени, когда это возможно. Ветровые турбины используют аэродинамический профиль для создания реактивной подъемной силы из движущейся жидкости и передачи ее ротору. Ветровые турбины также получают некоторую энергию от импульса ветра, отклоняя его под углом. Турбины с несколькими ступенями могут использовать либо реактивные, либо импульсные лопатки при высоком давлении. Паровые турбины традиционно были более импульсными, но продолжают двигаться в сторону реактивных конструкций, похожих на те, которые используются в газовых турбинах. При низком давлении рабочая текучая среда расширяется в объеме при небольшом снижении давления. В этих условиях лопатки становятся строго реактивными, причем основание лопатки является исключительно импульсным. Причина кроется в эффекте скорости вращения каждой лопатки. По мере увеличения объема высота лопатки увеличивается, а основание лопатки вращается с меньшей скоростью относительно кончика. Это изменение скорости заставляет конструктора перейти от импульса у основания к кончику с высокой реакцией.

Классические методы проектирования турбин были разработаны в середине 19 века. Векторный анализ связал поток жидкости с формой и вращением турбины. Сначала использовались графические методы расчета. Формулы для основных размеров деталей турбины хорошо документированы, и высокоэффективная машина может быть надежно спроектирована для любых условий потока жидкости . Некоторые из расчетов являются эмпирическими или «эмпирическими» формулами, а другие основаны на классической механике . Как и в большинстве инженерных расчетов, были сделаны упрощающие предположения.

Входной направляющий аппарат турбины турбореактивного двигателя

Треугольники скорости можно использовать для расчета основных характеристик ступени турбины. Газ выходит из направляющих лопаток неподвижного сопла турбины с абсолютной скоростью V a1 . Ротор вращается со скоростью U . Относительно ротора скорость газа, падающего на вход ротора, равна V r1 . Газ поворачивается ротором и выходит относительно ротора со скоростью V r2 . Однако в абсолютных величинах скорость выхода ротора равна V a2 . Треугольники скорости строятся с использованием этих различных векторов скорости. Треугольники скорости можно построить в любом сечении лопаток (например, ступица, кончик, средняя часть и т. д.), но обычно они показаны на среднем радиусе ступени. Среднюю производительность для ступени можно рассчитать из треугольников скорости на этом радиусе с помощью уравнения Эйлера :

Следовательно:

где:

это удельное падение энтальпии через ступень
это полная (или стагнационная) температура на входе в турбину
окружная скорость ротора турбины
это изменение скорости вихря

Степень повышения давления в турбине является функцией КПД турбины.

Современная конструкция турбины продвигает вычисления дальше. Вычислительная гидродинамика обходится без многих упрощающих предположений, используемых для вывода классических формул, а компьютерное программное обеспечение облегчает оптимизацию. Эти инструменты привели к устойчивому улучшению конструкции турбин за последние сорок лет.

Первичной числовой классификацией турбины является ее удельная скорость . Это число описывает скорость турбины при ее максимальной эффективности по отношению к мощности и расходу. Удельная скорость выводится независимо от размера турбины. Учитывая условия потока жидкости и желаемую выходную скорость вала, можно рассчитать удельную скорость и выбрать соответствующую конструкцию турбины.

Удельную скорость, а также некоторые фундаментальные формулы можно использовать для надежного масштабирования существующей конструкции с известными характеристиками до нового размера с соответствующими характеристиками.

Нерасчетные характеристики обычно отображаются в виде карты или характеристики турбины .

Количество лопаток в роторе и количество лопастей в статоре часто представляют собой два разных простых числа , чтобы уменьшить гармоники и максимизировать частоту прохождения лопаток. [6]

Типы

Три типа водяных турбин: Каплана (впереди), Пелтона (в центре) и Фрэнсиса (сзади слева)

Использует

Значительная часть электроэнергии в мире вырабатывается турбогенераторами .

Турбины используются в газотурбинных двигателях на суше, на море и в воздухе.

Турбокомпрессоры используются в поршневых двигателях.

Газовые турбины имеют очень высокую плотность мощности (т. е. отношение мощности к массе или мощности к объему), поскольку они работают на очень высоких скоростях. Главные двигатели Space Shuttle использовали турбонасосы (машины, состоящие из насоса, приводимого в действие турбинным двигателем) для подачи топлива (жидкого кислорода и жидкого водорода) в камеру сгорания двигателя. Турбонасос жидкого водорода немного больше автомобильного двигателя (весом около 700 фунтов), а турбина выдает почти 70 000 л. с. (52,2 МВт ).

Турбодетандеры используются для охлаждения в промышленных процессах.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ "турбина"."мутный". Онлайн-словарь этимологии .
  2. ^ τύρβη. Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский словарь в проекте «Персей» .
  3. ^ abcd Мансон, Брюс Рой, Т. Х. Окиши и Уэйд В. Хюбш. «Турбомашины». Основы механики жидкости. 6-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: J. Wiley & Sons, 2009. Печать.
  4. ^ Annales de chimie et de Physique, vol. 21, стр. 183 (1822 г.)
  5. ^ «Отчет о мемуарах М. Бурдена intitulé: Desturbes Hydraulics ou Machine rotatoires à grande vitesse» (Отчет о записке г-на Бурдена под названием: Гидравлические турбины или высокоскоростные роторные машины), Annales de chimie et de physique, том. 26, страницы 207–217. Прони и Жирар (1824)
  6. ^ Тим Дж. Картер. «Распространенные отказы лопаток газовых турбин». 2004. С. 244-245.
  7. ^ Адриан Ослер (октябрь 1981 г.). «Турбиния» (PDF) . (Спонсируемая ASME брошюра в ознаменование признания Турбинии международным инженерным памятником) . Музеи округа Тайн и Уир. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2011 г. . Получено 13 апреля 2011 г.
  8. ^ Wragg, David W. (1973). Словарь авиации (первое издание). Osprey. стр. 267. ISBN 9780850451634.
  9. ^ Ингвар Юнг, 1979, История морской турбины, часть 1, Королевский технологический институт, Стокгольм, кафедра истории техники

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки