Турбина ( / ˈ t ɜːr b aɪ 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.
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
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.
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)
Паровые турбины используются для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, использующих уголь , мазут или ядерное топливо . Когда-то они использовались для непосредственного привода механических устройств, таких как гребные винты кораблей (например, Turbinia , первый паровой катер с турбинным приводом [7] ), но в большинстве таких приложений сейчас используются редукторы или промежуточная электрическая ступень, где турбина используется для выработки электроэнергии, которая затем питает электродвигатель, подключенный к механической нагрузке. Турбоэлектрическое судовое оборудование было особенно популярно в период непосредственно перед и во время Второй мировой войны , в первую очередь из-за отсутствия достаточного количества зуборезных установок на верфях США и Великобритании.
Авиационные газотурбинные двигатели иногда называют турбинными двигателями, чтобы отличать их от поршневых двигателей. [8]
Трансзвуковая турбина. Газовый поток в большинстве турбин, используемых в газотурбинных двигателях, остается дозвуковым на протяжении всего процесса расширения. В трансзвуковой турбине газовый поток становится сверхзвуковым, когда он выходит из направляющих лопаток сопла, хотя скорости ниже по потоку обычно становятся дозвуковыми. Трансзвуковые турбины работают при более высоком отношении давления, чем обычно, но обычно менее эффективны и не распространены.
Турбины противоположного вращения . С осевыми турбинами некоторое преимущество в эффективности может быть получено, если турбина ниже по потоку вращается в противоположном направлении по отношению к блоку выше по потоку. Однако усложнение может быть контрпродуктивным. Паровая турбина противоположного вращения, обычно известная как турбина Люнгстрема, была первоначально изобретена шведским инженером Фредриком Люнгстремом (1875–1964) в Стокгольме, и в партнерстве со своим братом Биргером Люнгстремом он получил патент в 1894 году. Конструкция по сути представляет собой многоступенчатую радиальную турбину (или пару «вложенных» роторов турбины), обеспечивающую большую эффективность, в четыре раза больший перепад тепла на ступень, чем в реактивной (Парсонс) турбине, чрезвычайно компактную конструкцию и тип, который имел особый успех на электростанциях с противодавлением. Однако, в отличие от других конструкций, большие объемы пара обрабатываются с трудом, и только сочетание с турбинами осевого потока (DUREX) позволяет построить турбину для мощности более 50 МВт. В морских применениях в 1917–1919 годах было заказано всего около 50 турбоэлектрических установок (значительная часть которых в конечном итоге была продана наземным заводам), а в 1920–22 годах было продано несколько не очень удачных турбомеханических установок. [9] Лишь несколько турбоэлектрических морских установок все еще использовались в конце 1960-х годов (SS Ragne, SS Regin), в то время как большинство наземных установок остаются в эксплуатации и в 2010 году.
Турбина без статора . Многоступенчатые турбины имеют набор статических (то есть неподвижных) направляющих лопаток входного отверстия, которые направляют поток газа на вращающиеся лопатки ротора. В турбине без статора поток газа, выходящий из ротора выше по потоку, сталкивается с ротором ниже по потоку без промежуточного набора лопаток статора (которые перестраивают уровни энергии давления/скорости потока).
Керамическая турбина. Традиционные лопатки турбин высокого давления (и лопасти) изготавливаются из сплавов на основе никеля и часто используют сложные внутренние каналы воздушного охлаждения для предотвращения перегрева металла. В последние годы экспериментальные керамические лопатки были изготовлены и испытаны в газовых турбинах с целью повышения температуры на входе ротора и/или, возможно, устранения воздушного охлаждения. Керамические лопатки более хрупкие, чем их металлические аналоги, и несут в себе больший риск катастрофического отказа лопатки. Это, как правило, ограничивает их использование в реактивных двигателях и газовых турбинах статорными (стационарными) лопатками.
Турбина с канальным вентилятором (кожухом). Многие лопатки ротора турбины имеют кожух в верхней части, который сцепляется с кожухом соседних лопаток, чтобы увеличить демпфирование и тем самым уменьшить флаттер лопаток. В больших паровых турбинах для производства электроэнергии на суше кожух часто дополняется, особенно в длинных лопатках турбины низкого давления, стяжными проволоками. Эти проволоки проходят через отверстия, просверленные в лопатках на подходящих расстояниях от основания лопатки, и обычно припаиваются к лопаткам в точке, где они проходят. Стяжные проволоки уменьшают флаттер лопаток в центральной части лопаток. Введение стяжных проволок существенно снижает случаи отказа лопаток в больших или низконапорных турбинах.
Винтовой вентилятор (турбина без кожуха). Современная практика заключается в том, чтобы, где это возможно, исключить кожух ротора, тем самым снижая центробежную нагрузку на лопатку и требования к охлаждению.
Турбина Теслы или безлопастная турбина использует эффект пограничного слоя, а не падение жидкости на лопатки, как в обычной турбине.
Турбина Турго — модифицированная форма колеса Пелтона.
Турбина Тайсона — коническая водяная турбина с винтовыми лопастями, выходящими частично вниз от вершины, постепенно увеличивающимися в радиальном размере и уменьшающимися в шаге по мере их спирали к основанию конуса.
Ветровая турбина . Обычно они работают как одноступенчатые без сопла и межступенчатых направляющих лопаток. Исключением является Éolienne Bollée , у которой есть статор и ротор.
Velocity composite "Curtis". Curtis объединил турбину de Laval и Parsons, используя набор фиксированных сопел на первой ступени или статоре, а затем ряд фиксированных и вращающихся рядов лопаток, как в Parsons или de Laval, обычно до десяти по сравнению с сотней ступеней конструкции Parsons. Общая эффективность конструкции Curtis ниже, чем у конструкций Parsons или de Laval, но она может удовлетворительно работать в гораздо более широком диапазоне скоростей, включая успешную работу на низких скоростях и при более низких давлениях, что сделало ее идеальной для использования в силовых установках кораблей. В конструкции Curtis весь перепад тепла в паре происходит в начальном ряду сопел, а как последующие подвижные ряды лопаток, так и неподвижные ряды лопаток просто изменяют направление пара. Использование небольшой секции компоновки Кертиса, как правило, одной сопловой секции и двух или трех рядов подвижных лопаток, обычно называется «колесом» Кертиса, и в этой форме Кертис нашел широкое применение в море в качестве «управляющей ступени» на многих реактивных и импульсных турбинах и турбоустановках. Эта практика до сих пор распространена в морских паровых установках. [ требуется ссылка ]
Многоступенчатый импульс давления , или «Rateau», в честь его французского изобретателя Огюста Рато . В Rateau используются простые импульсные роторы, разделенные сопловой диафрагмой. Диафрагма по сути является перегородкой в турбине с серией вырезанных в ней туннелей, имеющих форму воронки, широкий конец которой обращен к предыдущей ступени, а узкий — к следующей; они также расположены под углом, чтобы направлять струи пара на импульсный ротор.
Турбины на ртутном паре использовали ртуть в качестве рабочей жидкости для повышения эффективности электростанций, работающих на ископаемом топливе. Хотя несколько электростанций были построены с комбинированными турбинами на ртутном паре и обычным паром, токсичность металлической ртути быстро стала очевидной.
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.
^ 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.
^ Annales de chimie et de Physique, vol. 21, стр. 183 (1822 г.)
^ «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)
^
Тим Дж. Картер. «Распространенные отказы лопаток газовых турбин». 2004. С. 244-245.
^ 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.
^ Wragg, David W. (1973). Словарь авиации (первое издание). Osprey. стр. 267. ISBN9780850451634.
^ Ингвар Юнг, 1979, История морской турбины, часть 1, Королевский технологический институт, Стокгольм, кафедра истории техники
Дальнейшее чтение
Лейтон, Эдвин Т. «От правила большого пальца 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
На Викискладе есть медиафайлы по теме Турбины (компонент турбомашины) .
