.jpg/1280px-N7771@GVA;09.09.1995-engine_(6083468531).jpg)
Турбомашиностроение в машиностроении описывает машины , которые передают энергию между ротором и жидкостью , включая турбины и компрессоры . В то время как турбина передает энергию от жидкости к ротору, компрессор передает энергию от ротора к жидкости. [1] [2] Это важное приложение механики жидкости . [3]
Эти два типа машин управляются одними и теми же основными соотношениями, включая второй закон движения Ньютона и уравнение насоса и турбины Эйлера для сжимаемых жидкостей . Центробежные насосы также являются турбомашинами, которые передают энергию от ротора к текучей среде, обычно жидкости, в то время как турбины и компрессоры обычно работают с газом. [1]
Первые турбомашины можно идентифицировать как водяные колеса , которые появились между 3 и 1 веками до н. э. в Средиземноморском регионе. Они использовались на протяжении всего средневекового периода и положили начало первой промышленной революции . Когда начала использоваться паровая энергия , как первый источник энергии, приводимый в действие сгоранием топлива, а не возобновляемыми природными источниками энергии, это были поршневые двигатели . Примитивные турбины и концептуальные проекты для них, такие как дымовой домкрат , появлялись периодически, но температуры и давления, необходимые для практически эффективной турбины, превосходили производственные технологии того времени. Первый патент на газовые турбины был подан в 1791 году Джоном Барбером . Практические гидроэлектрические водяные турбины и паровые турбины появились только в 1880-х годах. Газовые турбины появились в 1930-х годах.
Первая турбина импульсного типа была создана Карлом Густавом де Лавалем в 1883 году. За ней последовала первая практическая турбина реактивного типа в 1884 году, построенная Чарльзом Парсонсом . Первой разработкой Парсонса была многоступенчатая осевая установка, которую Джордж Вестингауз приобрел и начал производить в 1895 году, в то время как General Electric приобрела проекты де Лаваля в 1897 году. С тех пор развитие резко возросло от ранней конструкции Парсонса, производившей 0,746 кВт, до современных ядерных паровых турбин, производящих свыше 1500 МВт. Кроме того, паровые турбины составляли примерно 45% электроэнергии, вырабатываемой в Соединенных Штатах в 2021 году. [4] Затем первые функционирующие промышленные газовые турбины использовались в конце 1890-х годов для питания уличного освещения (Meher-Homji, 2000).
В целом, два типа турбомашин, встречающихся на практике, — это открытые и закрытые турбомашины. Открытые машины, такие как пропеллеры , ветряные мельницы и вентиляторы без кожуха , действуют на бесконечное количество жидкости, тогда как закрытые машины действуют на конечное количество жидкости, когда она проходит через корпус или кожух. [2]
Турбомашины также классифицируются по типу потока. Когда поток параллелен оси вращения , они называются машинами с осевым потоком, а когда поток перпендикулярен оси вращения, они называются машинами с радиальным (или центробежным) потоком. Существует также третья категория, называемая машинами со смешанным потоком, где присутствуют как радиальные, так и осевые компоненты скорости потока. [2]
Турбомашины можно дополнительно классифицировать на две дополнительные категории: те, которые поглощают энергию для увеличения давления жидкости , то есть насосы , вентиляторы и компрессоры , и те, которые производят энергию, такие как турбины , расширяя поток до более низких давлений. Особый интерес представляют приложения, которые содержат насосы, вентиляторы, компрессоры и турбины. Эти компоненты необходимы почти во всех системах механического оборудования, таких как энергетические и холодильные циклы . [2] [5]
Любое устройство, которое извлекает энергию из непрерывно движущегося потока жидкости или передает ее ему, можно назвать турбомашиной. Уточняя, турбомашина — это машина для выработки электроэнергии или тепла, которая использует динамическое действие вращающегося элемента, ротора; действие ротора изменяет уровень энергии непрерывно текущей жидкости через машину. Турбины, компрессоры и вентиляторы — все это члены этого семейства машин. [6]
В отличие от машин объемного вытеснения (особенно поршневого типа, которые являются низкоскоростными машинами с точки зрения механического и объемного КПД), большинство турбомашин работают на сравнительно более высоких скоростях без каких-либо механических проблем, а объемный КПД близок к ста процентам. [7]
Турбомашины можно классифицировать по направлению преобразования энергии: [1] [2]
Турбомашины можно классифицировать на основе характера пути потока через ротор: [8]
Турбомашины с осевым потоком - Когда путь сквозного потока полностью или в основном параллелен оси вращения, устройство называется турбомашиной с осевым потоком. [9] Радиальная составляющая скорости жидкости незначительна. Поскольку нет изменения направления жидкости, для увеличения выходной мощности можно использовать несколько осевых ступеней.
Турбина Каплана является примером турбины с осевым потоком.
На рисунке:
Турбомашины с радиальным потоком - Когда путь сквозного потока полностью или в основном находится в плоскости, перпендикулярной оси вращения, устройство называется турбомашиной с радиальным потоком. [9] Таким образом, изменение радиуса между входом и выходом конечно. Радиальная турбомашина может быть с потоком внутрь или наружу в зависимости от цели, которую необходимо удовлетворить. Тип потока наружу увеличивает уровень энергии жидкости и наоборот. Из-за постоянного изменения направления несколько радиальных ступеней, как правило, не используются.
Центробежный насос является примером турбомашины с радиальным потоком.
Турбомашины со смешанным потоком – Когда присутствуют как осевой, так и радиальный поток и ни один из них не является незначительным, устройство называется турбомашиной со смешанным потоком. [9] Он сочетает в себе компоненты потока и силы как радиального, так и осевого типов.
Турбина Фрэнсиса является примером турбины смешанного потока.
Турбомашины, наконец, можно классифицировать по относительной величине изменений давления , происходящих на ступени: [2] [5]
Импульсные турбомашины работают за счет ускорения и изменения направления потока жидкости через неподвижное сопло (лопасть статора) на лопатку ротора. Сопло служит для изменения входящего давления в скорость, энтальпия жидкости уменьшается по мере увеличения скорости. Падение давления и энтальпии на лопатках ротора минимально. Скорость будет уменьшаться по ротору. [1] [9]
Второй закон Ньютона описывает передачу энергии. Импульсные турбомашины не требуют напорного кожуха вокруг ротора, поскольку струя жидкости создается соплом до того, как достигает лопаток на роторе.
Колесо Пельтона — это импульсная конструкция.
Реакционные турбомашины работают, реагируя на поток жидкости через ротор и лопатки статора в форме аэродинамического профиля. Скорость жидкости через наборы лопаток немного увеличивается (как в сопле) по мере прохождения от ротора к статору и наоборот. Затем скорость жидкости снова уменьшается, как только она проходит через зазор. Давление и энтальпия последовательно уменьшаются через наборы лопаток. [1]
Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реактивных турбин. Для удержания рабочей жидкости необходим напорный клапан. Для сжимаемых рабочих жидкостей обычно используются несколько ступеней турбины для эффективного использования расширяющегося газа.
В конструкции большинства турбомашин используется сочетание импульса и реакции, часто с расположением импульсных и реактивных частей на одной лопатке.
Для характеристики гидравлических машин часто используются следующие безразмерные соотношения. Они позволяют сравнивать гидравлические машины с различными размерами и граничными условиями.
Гидроэлектростанция - Гидроэлектрическая турбомашина использует потенциальную энергию, запасенную в воде, для ее протекания через открытое рабочее колесо и вращения генератора, который вырабатывает электроэнергию.
Паровые турбины - Паровые турбины, используемые в производстве электроэнергии, бывают разных видов. Общий принцип заключается в том, что пар высокого давления нагнетается на лопатки, прикрепленные к валу, который вращает генератор. Когда пар проходит через турбину, он проходит через меньшие лопатки, заставляя вал вращаться быстрее, вырабатывая больше электроэнергии.
Газовые турбины - Газовые турбины работают во многом как паровые турбины. Воздух нагнетается через ряд лопастей, которые вращают вал. Затем топливо смешивается с воздухом и вызывает реакцию сгорания, увеличивая мощность. Затем это заставляет вал вращаться быстрее, создавая больше электроэнергии.
Ветряные мельницы - также известные как ветряные турбины , ветряные мельницы становятся все более популярными из-за своей способности эффективно использовать ветер для выработки электроэнергии. Хотя они бывают разных форм и размеров, наиболее распространенной является большая трехлопастная. Лопасти работают по тому же принципу, что и крыло самолета . Когда ветер проходит над лопастями, он создает область низкого и высокого давления, заставляя лопасть двигаться, вращая вал и вырабатывая электричество. Это больше всего похоже на паровую турбину, но работает с бесконечным запасом ветра.
Паровая турбина - Паровые турбины в морских применениях очень похожи на те, что используются в производстве электроэнергии. Немногие различия между ними заключаются в размере и выходной мощности. Паровые турбины на кораблях намного меньше, поскольку им не нужно обеспечивать энергией целый город. Они не очень распространены из-за высокой начальной стоимости, высокого удельного расхода топлива и дорогостоящего оборудования, которое идет с ними.
Газовые турбины - Газовые турбины в морских применениях становятся все более популярными из-за их меньшего размера, повышенной эффективности и способности сжигать более чистое топливо. Они работают так же, как газовые турбины для выработки электроэнергии, но также намного меньше и требуют больше машин для движения. Они наиболее популярны на военных кораблях, поскольку они могут быть полностью остановлены до полной мощности за считанные минуты (Kayadelen, 2013), и они намного меньше для заданного количества мощности.
Водометный движитель - По сути, водометный движитель похож на турбореактивный двигатель самолета, с той разницей, что рабочей жидкостью является вода, а не воздух. [10] Водометные движители лучше всего подходят для быстроходных судов и поэтому часто используются военными. Водометный движитель имеет много преимуществ по сравнению с другими формами морского движителя, такими как кормовые приводы , подвесные моторы , вальные гребные винты и поверхностные приводы. [11]
Турбокомпрессоры - Турбокомпрессоры являются одними из самых популярных турбомашин. Они используются в основном для увеличения мощности двигателей путем добавления большего количества воздуха. Он объединяет обе формы турбомашин. Выхлопные газы из двигателя вращают лопастное колесо, очень похожее на турбину. Это колесо затем вращает другое лопастное колесо, всасывая и сжимая наружный воздух в двигатель.
Нагнетатели - Нагнетатели используются также для повышения мощности двигателя, но работают только по принципу сжатия. Они используют механическую энергию двигателя для вращения винта или лопасти, своего рода всасывания и сжатия воздуха в двигателе.
Насосы - Насосы - еще одна очень популярная турбомашина. Хотя существует очень много различных типов насосов, все они делают одно и то же. Насосы используются для перемещения жидкостей с использованием какой-либо механической энергии, от электродвигателей до полноразмерных дизельных двигателей. Насосы имеют тысячи применений и являются истинной основой турбомашин (Škorpík, 2017).
Воздушные компрессоры - Воздушные компрессоры - еще одна очень популярная турбомашина. Они работают по принципу сжатия, всасывая и сжимая воздух в накопительном баке. Воздушные компрессоры - одна из самых простых турбомашин.
Вентиляторы - Вентиляторы являются наиболее распространённым типом турбомашин.
Газовые турбины . Аэрокосмические газовые турбины, более известные как реактивные двигатели, являются наиболее распространенными газовыми турбинами.
Турбонасосы - Ракетные двигатели требуют очень высокого давления топлива и массового расхода, что означает, что их насосы требуют большой мощности. Одним из наиболее распространенных решений этой проблемы является использование турбонасоса , который извлекает энергию из энергетического потока жидкости. Источником этого энергетического потока жидкости может быть одно или комбинация многих вещей, включая разложение перекиси водорода, сгорание части топлива или даже нагрев криогенного топлива, проходящего через рубашки охлаждения в стенках камеры сгорания.
Существует множество типов динамических турбомашин непрерывного потока. Ниже приведен частичный список этих типов. Что примечательно в этих турбомашинах, так это то, что для всех них применяются одни и те же основы. Конечно, существуют значительные различия между этими машинами и между типами анализа, которые обычно применяются в конкретных случаях. Это не отменяет того факта, что они объединены одной и той же базовой физикой динамики жидкости, газовой динамики, аэродинамики, гидродинамики и термодинамики.
