Турбина ( / ˈ t ɜːr b aɪ n / или / ˈ t ɜːr b ɪ n / ) (от греческого τύρβη , tyrbē или латинского турбо , означающего вихрь ) [1] [ 2] — вращающееся механическое устройство, извлекающее энергию из потока жидкости и преобразует его в полезную работу . Произведенную работу можно использовать для выработки электроэнергии в сочетании с генератором . [3] Турбина — это турбомашина, по крайней мере, с одной движущейся частью, называемой узлом ротора, которая представляет собой вал или барабан с прикрепленными к нему лопастями . Движущаяся жидкость воздействует на лопасти, заставляя их двигаться и сообщать ротору энергию вращения. Ранними примерами турбин являются ветряные мельницы и водяные колеса .
Газовые , паровые и водяные турбины имеют кожух вокруг лопаток, который содержит и контролирует рабочую жидкость. Заслуга изобретения паровой турбины принадлежит 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. В современных паровых турбинах часто используются как реакция, так и импульс в одном и том же блоке, обычно варьируя степень реакции и импульса от хвостовика лопатки к ее периферии. Герой Александрийский продемонстрировал принцип турбины в эолипиле в первом веке нашей эры, а Витрувий упомянул о них около 70 г. до н.э.
Слово «турбина» было придумано в 1822 году французским горным инженером Клодом Бурденом от греческого τύρβη , tyrbē , означающего « вихрь » или «вихрение», в памятке «Гидравлические турбины или вращающиеся машины à grande vitesse», которую он поступил в Королевскую академию наук в Париже. [4] Бенуа Фурнейрон , бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практическую водяную турбину.
Импульсные турбины изменяют направление потока высокоскоростной струи жидкости или газа. Возникающий в результате импульс раскручивает турбину и покидает поток жидкости с уменьшенной кинетической энергией. В лопатках турбины (подвижных лопатках) не происходит изменения давления жидкости или газа , как в паровой или газовой турбине, все падение давления происходит в неподвижных лопатках (соплах). Перед попаданием в турбину напор жидкости меняется на скоростной за счет ускорения жидкости с помощью сопла . Колеса Пелтона и турбины де Лаваля используют исключительно этот процесс. Импульсные турбины не требуют создания защитного кожуха вокруг ротора, поскольку струя жидкости создается соплом до того, как достигнет лопаток ротора. Второй закон Ньютона описывает передачу энергии для импульсных турбин. Импульсные турбины наиболее эффективны для использования в случаях, когда расход мал, а давление на входе высокое. [3]
Реакционные турбины развивают крутящий момент , реагируя на давление или массу газа или жидкости. Давление газа или жидкости меняется при прохождении 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 в водяных турбинах поддерживает всасывание, создаваемое вытяжной трубой . Эту концепцию используют турбины Фрэнсиса и большинство паровых турбин . Для сжимаемых рабочих жидкостей обычно используются несколько ступеней турбины для эффективного использования расширяющегося газа. Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реактивных турбин. Реакционные турбины лучше подходят для более высоких скоростей потока или для 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 лопаточных рядов, чем импульсная турбина типа Лаваля, при тех же условиях. степень преобразования тепловой энергии. Хотя это делает турбину Парсонса намного длиннее и тяжелее, общий КПД реактивной турбины немного выше, чем у эквивалентной импульсной турбины при том же преобразовании тепловой энергии.
На практике в современных конструкциях турбин, когда это возможно, в разной степени используются концепции как реакции, так и импульса. Ветровые турбины используют аэродинамический профиль для создания реактивной подъемной силы от движущейся жидкости и передачи ее ротору. Ветровые турбины также получают некоторую энергию от импульса ветра, отклоняя его под углом. В многоступенчатых турбинах могут использоваться либо реактивные, либо импульсные лопатки при высоком давлении. Паровые турбины традиционно были более импульсными, но продолжают двигаться в сторону реакционных конструкций, аналогичных тем, которые используются в газовых турбинах. При низком давлении рабочая текучая среда расширяется в объеме при небольшом снижении давления. В этих условиях лезвие становится строго реактивной конструкцией, при этом основание лезвия исключительно импульсное. Причина в влиянии скорости вращения каждой лопасти. По мере увеличения объема высота лезвия увеличивается, а основание лезвия вращается с меньшей скоростью относительно кончика. Это изменение скорости заставляет дизайнера 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. Первоначально использовались графические методы расчета. Формулы основных размеров деталей турбины хорошо документированы, и высокоэффективная машина может быть надежно спроектирована для любых условий потока жидкости . Некоторые расчеты представляют собой эмпирические формулы или формулы «эмпирических правил», а другие основаны на классической механике . Как и в большинстве инженерных расчетов, были сделаны упрощающие допущения.
Входной направляющий аппарат турбины турбореактивного двигателя
Треугольники скоростей можно использовать для расчета основных характеристик ступени турбины. Газ выходит из направляющих сопел неподвижной турбины с абсолютной скоростью Va1 . Ротор вращается со скоростью U. Относительно ротора скорость газа при его столкновении со входом в ротор равна V r1 . Газ вращается ротором и выходит относительно ротора со скоростью V r2 . Однако в абсолютном выражении скорость на выходе ротора равна Va2 . Треугольники скорости строятся с использованием этих различных векторов скорости. Треугольники скорости могут быть построены в любом сечении лопасти (например: ступица, вершина, середина и т. д.), но обычно они показаны на среднем радиусе ступени. Среднюю производительность ступени можно рассчитать по треугольникам скоростей на этом радиусе, используя уравнение Эйлера:
Следовательно:
где:
это удельное падение энтальпии на стадии
- общая температура (или температура торможения) на входе в турбину
- окружная скорость ротора турбины
это изменение скорости вращения
Степень сжатия турбины является функцией КПД турбины.
Современные конструкции турбин расширяют возможности расчетов. Вычислительная гидродинамика обходится без многих упрощающих предположений, используемых для вывода классических формул, а компьютерное программное обеспечение облегчает оптимизацию. Эти инструменты привели к устойчивому совершенствованию конструкции турбин за последние сорок лет.
Основной числовой классификацией турбины является ее удельная скорость . Это число описывает скорость турбины при ее максимальной эффективности с точки зрения мощности и расхода. Удельная скорость определяется как независимая от размера турбины. Учитывая условия потока жидкости и желаемую выходную скорость вала, можно рассчитать конкретную скорость и выбрать соответствующую конструкцию турбины.
Конкретную скорость вместе с некоторыми фундаментальными формулами можно использовать для надежного масштабирования существующей конструкции с известной производительностью до нового размера с соответствующей производительностью.
Нерасчетные характеристики обычно отображаются в виде карты или характеристики турбины .
Количество лопастей в роторе и количество лопастей в статоре часто представляют собой два разных простых числа , чтобы уменьшить гармоники и максимизировать частоту прохождения лопастей. [5]
Типы
Паровые турбины используются для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, работающих на угле , мазуте или ядерном топливе . Когда-то они использовались для прямого привода механических устройств, таких как гребные винты кораблей (например, «Турбиния» , первый паровой катер с турбинным приводом [6] ), но в большинстве таких приложений теперь используются редукторы или промежуточная электрическая ступень, в которой турбина вращается. используется для выработки электроэнергии, которая затем приводит в действие электродвигатель , подключенный к механической нагрузке. Судовые турбоэлектрические машины были особенно популярны в период непосредственно перед и во время Второй мировой войны , в первую очередь из-за отсутствия достаточных зуборезных мощностей на верфях США и Великобритании.
Авиационные газотурбинные двигатели иногда называют газотурбинными двигателями, чтобы различать поршневые двигатели. [7]
Трансзвуковая турбина. Поток газа в большинстве турбин, используемых в газотурбинных двигателях, остается дозвуковым на протяжении всего процесса расширения. В трансзвуковой турбине поток газа на выходе из направляющего аппарата сопла становится сверхзвуковым, хотя скорости на выходе обычно становятся дозвуковыми. Трансзвуковые турбины работают при более высоком коэффициенте давления, чем обычно, но обычно менее эффективны и встречаются редко.
Турбины встречного вращения . При использовании осевых турбин можно получить некоторое преимущество в эффективности, если турбина, расположенная ниже по потоку, вращается в направлении, противоположном направлению агрегата, расположенного выше по потоку. Однако это осложнение может оказаться контрпродуктивным. Паровая турбина встречного вращения, обычно известная как турбина Люнгстрема, была первоначально изобретена шведским инженером Фредриком Люнгстрёмом (1875–1964) в Стокгольме и в сотрудничестве со своим братом Биргером Люнгстрёмом он получил патент в 1894 году. По сути, эта конструкция представляет собой многоступенчатая радиальная турбина (или пара «вложенных» роторов турбины), обеспечивающая высокий КПД, в четыре раза больший перепад тепла на ступень, чем в реактивной турбине (Парсонса), чрезвычайно компактную конструкцию и этот тип, получивший особый успех на электростанциях с противодавлением. . Однако, в отличие от других конструкций, большие объемы пара обрабатываются с трудом, и только комбинация с турбинами с осевым потоком (DUREX) позволяет построить турбину на мощность более 50 МВт. Для морского применения в 1917–1919 годах было заказано всего около 50 турбоэлектрических агрегатов (из которых значительная часть была продана в конечном итоге наземным заводам), а в 1920–22 годах было продано несколько турбомеханических не очень удачных агрегатов. [8] Лишь несколько турбоэлектрических морских установок все еще использовались в конце 1960-х годов (SS Ragne, SS Regin), тогда как большинство наземных установок продолжают использоваться и в 2010 году.
Бесстаторная турбина. Многоступенчатые турбины имеют набор статических (то есть стационарных) входных направляющих аппаратов, которые направляют поток газа на вращающиеся лопатки ротора. В бесстаторной турбине поток газа, выходящий из входного ротора, сталкивается с выходным ротором без встречи с промежуточным набором статорных лопаток (которые перестраивают уровни энергии давления/скорости потока).
Керамическая турбина. Обычные лопатки турбин высокого давления (и лопасти) изготавливаются из сплавов на основе никеля и часто используют сложные внутренние каналы воздушного охлаждения, чтобы предотвратить перегрев металла. В последние годы были изготовлены и испытаны экспериментальные керамические лопатки в газовых турбинах с целью повышения температуры на входе в ротор и/или, возможно, устранения воздушного охлаждения. Керамические лезвия более хрупкие, чем их металлические аналоги, и несут больший риск катастрофического выхода лезвия из строя. Это привело к ограничению их использования в реактивных двигателях и газовых турбинах статорными (неподвижными) лопатками.
Закрытая турбина. Лопатки ротора многих турбин имеют кожух вверху, который сцепляется с кожухом соседних лопаток, чтобы увеличить демпфирование и тем самым уменьшить флаттер лопаток. В крупных наземных паровых турбинах для производства электроэнергии кожух часто дополняется, особенно в длинных лопатках турбины низкого давления, шнуровочной проволокой. Эти проволоки проходят через отверстия, просверленные в лезвиях на подходящем расстоянии от основания лезвия, и обычно припаиваются к лезвиям в том месте, где они проходят. Проволоки для шнуровки уменьшают флаттер в центральной части лопастей. Внедрение проволочной сшивки существенно снижает случаи выхода из строя лопаток в турбинах большого и низкого давления.
Бескорпусная турбина . Современная практика заключается в том, чтобы, где это возможно, исключить кожух ротора, тем самым снижая центробежную нагрузку на лопатку и требования к охлаждению.
Безлопастная турбина использует эффект пограничного слоя, а не жидкость, падающую на лопатки, как в обычной турбине.
Три типа водяных турбин: Каплан (спереди), Пелтон (в центре) и Фрэнсис (сзади слева)
Турбина Турго , модифицированная форма колеса Пелтона.
Турбина Тайсона , коническая водяная турбина со спиральными лопастями, выходящими наполовину вниз из вершины, постепенно увеличивающимися в радиальном размере и уменьшающимися по шагу по мере того, как они двигаются по спирали к основанию конуса.
Wind turbine. These normally operate as a single stage without nozzle and interstage guide vanes. An exception is the Éolienne Bollée, which has a stator and a rotor.
Velocity compound "Curtis". Curtis combined the de Laval and Parsons turbine by using a set of fixed nozzles on the first stage or stator and then a rank of fixed and rotating blade rows, as in the Parsons or de Laval, typically up to ten compared with up to a hundred stages of a Parsons design. The overall efficiency of a Curtis design is less than that of either the Parsons or de Laval designs, but it can be satisfactorily operated through a much wider range of speeds, including successful operation at low speeds and at lower pressures, which made it ideal for use in ships' powerplant. In a Curtis arrangement, the entire heat drop in the steam takes place in the initial nozzle row and both the subsequent moving blade rows and stationary blade rows merely change the direction of the steam. Use of a small section of a Curtis arrangement, typically one nozzle section and two or three rows of moving blades, is usually termed a Curtis 'Wheel' and in this form, the Curtis found widespread use at sea as a 'governing stage' on many reaction and impulse turbines and turbine sets. This practice is still commonplace today in marine steam plant.
Pressure compound multi-stage impulse, or "Rateau", after its French inventor, Auguste Rateau. The Rateau employs simple impulse rotors separated by a nozzle diaphragm. The diaphragm is essentially a partition wall in the turbine with a series of tunnels cut into it, funnel shaped with the broad end facing the previous stage and the narrow the next they are also angled to direct the steam jets onto the impulse rotor.
Mercury vapour turbines used mercury as the working fluid, to improve the efficiency of fossil-fuelled generating stations. Although a few power plants were built with combined mercury vapour and conventional steam turbines, the toxicity of the metal mercury was quickly apparent.
Газовые турбины имеют очень высокую плотность мощности (т.е. соотношение мощности к массе или мощности к объему), поскольку они работают на очень высоких скоростях. В главных двигателях космического корабля «Шаттл» использовались турбонасосы (машины, состоящие из насоса, приводимого в движение газотурбинным двигателем) для подачи топлива (жидкого кислорода и жидкого водорода) в камеру сгорания двигателя. Турбонасос на жидком водороде немного больше автомобильного двигателя (весит около 700 фунтов), а мощность турбины составляет около 70 000 л.с. (52,2 МВт ).
Турбодетандереры используются для охлаждения в промышленных процессах.
^ abcd Мансон, Брюс Рой, Т. Х. Окииси и Уэйд В. Хюбш. «Турбомашины». Основы механики жидкости. 6-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: J. Wiley & Sons, 2009. Печать.
↑ В 1822 году Клод Бурден представил свою записку «DesturbosHydraulics ou Machinerotatoires à grande vitesse» (Гидравлические турбины или высокоскоростные роторные машины) в Королевскую академию наук в Париже. (См.: Annales de chimie et de Physique , том 21, стр. 183 (1822).) Однако только в 1824 году комитет Академии (состоявший из Прони, Дюпена и Жирара) положительно отозвался о записке Бурдена. См.: Прони и Жирар (1824 г.) «Rapport sur le mémoire de M. Burdin 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 , vol. 26, страницы 207–217.
^
Тим Дж. Картер. «Типичные неисправности лопаток газовых турбин». 2004. с. 244-245.
^ Адриан Ослер (октябрь 1981 г.). «Турбиния» (PDF) . (Буклет, спонсируемый ASME, посвященный присвоению Турбинии статуса международной инженерной достопримечательности) . Музеи Совета графства Тайн-энд-Уир. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2011 года . Проверено 13 апреля 2011 г.
^ Рэгг, Дэвид В. (1973). Словарь авиации (первое изд.). Скопа. п. 267. ИСБН9780850451634.
^ Ингвар Юнг, 1979, История морской турбины, часть 1, Королевский технологический институт, Стокгольм, кафедра истории техники.
дальнейшее чтение
Лейтон, Эдвин Т. «От практического правила к научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса», Серия монографий NLA. Стоуни-Брук, Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы, связанные с турбинами (компонентами турбомашин) .
