Турбина

Для использования в других целях, см Турбина (значения). Паровая турбина с корпусом открыта.

Турбины ( / т ɜːr б aɪ п / или / т ɜːr б ɪ п / ) (от греческого τύρβη, tyrbē или Латинской турбо, то есть вихрь ) представляет собой вращающуюся механическое устройство, которое извлекает энергию из текучей среды потока и обращенных это в полезную работу. Работа, производимая турбиной, может использоваться для выработки электроэнергии в сочетании с генератором. Турбина - это турбомашина с по меньшей мере одной движущейся частью, называемой роторным узлом, которая представляет собой вал или барабан с прикрепленными лопатками. Движущаяся жидкость воздействует на лопасти, так что они перемещаются и передают энергию вращения ротору. Ранними примерами турбин являются ветряные мельницы и водяные колеса.

Газовые, паровые и водяные турбины имеют кожух вокруг лопастей, который содержит и регулирует рабочую жидкость. Кредит на изобретение паровой турбины дан как англо-ирландскому инженеру сэру Чарльзу Парсонсу (1854–1931) за изобретение реакционной 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 устройстве, обычно изменяя степень реакции и импульса от хвостовика лопатки к ее периферии. Герой Александрии продемонстрировал принцип турбины на эолипиле в первом веке нашей эры, а Витрувий упомянул о них около 70 года до нашей эры.

Слово «турбина» было придумано в 1822 году французским горным инженером Клодом Бурдином от греческого τύρβη, tyrbē, что означает « вихрь » или « вихрь », в записке «Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse», которую он представлен в Королевскую академию наук в Париже. Бенуа Фурнейрон, бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практическую водяную турбину.

Гудение небольшой пневматической турбины, используемой в немецкой предохранительной лампе 1940-х годов

• 1 Теория работы
• 2 Типы
• 3 использования
• 4 См. Также
• 5 Примечания
• 6 Дальнейшее чтение
• 7 Внешние ссылки

Схема импульсной и реактивной турбин, где ротор - вращающаяся часть, а статор - неподвижная часть машины.

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

Импульсные турбины изменяют направление потока высокоскоростной жидкости или газа. Результирующий импульс раскручивает турбину и покидает поток жидкости с уменьшенной кинетической энергией. В турбинных лопатках (движущихся лопатках) не происходит изменения давления жидкости или газа, как в паровой или газовой турбине, весь перепад давления происходит в неподвижных лопатках (соплах). Перед достижением турбины напор жидкости изменяется на скоростной за счет ускорения жидкости с помощью сопла. Колеса Пелтона и турбины де Лаваль используют исключительно этот процесс. Для импульсных турбин не требуется кожух давления 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 расход низкий, а давление на входе высокое.

Реакционные турбины развивают крутящий момент, реагируя на давление или массу газа или жидкости. Давление газа или жидкости изменяется при прохождении через лопатки ротора турбины. Створка высокого давления необходима для удержания рабочего тела при его воздействии на ступень (ступени) турбины, иначе турбина должна быть полностью погружена в поток жидкости (например, в ветряных турбинах). Кожух содержит и направляет рабочую жидкость, а для водяных турбин поддерживает всасывание, создаваемое вытяжной трубой. Турбины Фрэнсиса и большинство паровых турбин используют эту концепцию. Для сжимаемых рабочих жидкостей обычно используются несколько ступеней турбины, чтобы эффективно использовать расширяющийся газ. Третий закон Ньютона описывает передачу энергии для реакционных турбин. Реакционные турбины лучше подходят для более высоких скоростей потока или приложений, где напор жидкости (давление на входе) низкий.

В случае паровых турбин, которые будут использоваться для морских применений или для производства электроэнергии на суше, реакционная турбина типа Парсонса потребует примерно вдвое большего количества рядов лопаток, чем импульсная турбина типа де Лаваля, для того же степень преобразования тепловой энергии. Хотя это делает турбину Парсонса намного длиннее и тяжелее, общий КПД реактивной турбины немного выше, чем у эквивалентной импульсной турбины для того же преобразования тепловой энергии.

На практике современные конструкции турбин используют концепции как реакции, так и импульса в разной степени, когда это возможно. В ветровых турбинах используется аэродинамический профиль для создания реактивной подъемной силы от движущейся жидкости и передачи ее ротору. Ветровые турбины также получают некоторую энергию от порыва ветра, отклоняя его под углом. В многоступенчатых турбинах может использоваться либо реактивная, либо импульсная лопатка 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 увеличивается в объеме для небольшого снижения давления. В этих условиях лопасть становится строго реактивной конструкцией, при которой основание лопасти является исключительно импульсным. Причина заключается в влиянии скорости вращения каждой лопасти. По мере увеличения объема высота лезвия увеличивается, и основание лезвия вращается с меньшей скоростью по сравнению с острием. Это изменение скорости вынуждает дизайнера перейти от импульсивного базового стиля к острому реактивному кончику.

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 задокументированы, и высокоэффективная машина может быть надежно спроектирована для любых условий потока жидкости. Некоторые расчеты являются эмпирическими формулами или формулами «практического опыта», а другие основаны на классической механике. Как и в большинстве инженерных расчетов, были сделаны упрощающие предположения.

Направляющие лопатки входа турбины турбореактивного двигателя

Треугольники скорости можно использовать для расчета основных характеристик ступени турбины. Газ выходит из неподвижных направляющих лопаток сопла турбины с абсолютной скоростью V a1. Ротор вращается со скоростью U. По отношению к ротору скорость газа, когда он сталкивается с входом в ротор, равна V r1. Газ вращается ротором и выходит относительно ротора со скоростью V r2. Однако в абсолютном выражении скорость на выходе из ротора равна V a2. Треугольники скорости построены с использованием этих различных векторов скорости. Треугольники скорости могут быть построены в любом сечении лопасти (например, ступица, наконечник, мидель и т. Д.), Но обычно отображаются на среднем радиусе ступени. Средняя производительность ступени может быть рассчитана из треугольников скорости на этом радиусе с использованием уравнения Эйлера:

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

Следовательно:

${\ displaystyle {\ frac {\ Delta h} {T}} = {\ frac {u \ cdot \ Delta v_ {w}} {T}}}$

куда:

${\ displaystyle \ Delta h}$ - удельное падение энтальпии на стадии

${\ displaystyle T}$ полная (или застойная) температура на входе в турбину

${\ displaystyle u}$ окружная скорость ротора турбины

${\ displaystyle \ Delta v_ {w}}$ изменение скорости вихря

Степень давления турбины является функцией КПД турбины. ${\ displaystyle {\ frac {\ Delta h} {T}}}$

Современная конструкция турбины способствует дальнейшим расчетам. Вычислительная гидродинамика избавляется от многих упрощающих допущений, используемых для вывода классических формул, а компьютерное программное обеспечение облегчает оптимизацию. Эти инструменты привели к постоянному совершенствованию конструкции турбин на протяжении последних сорока лет.

Основная числовая классификация турбины - ее удельная скорость. Это число описывает скорость турбины при максимальном КПД по мощности и расходу. Конкретная скорость не зависит от размера турбины. Учитывая условия потока жидкости и желаемую частоту вращения выходного вала, можно рассчитать конкретную скорость и выбрать подходящую конструкцию турбины.

Конкретная скорость вместе с некоторыми фундаментальными формулами может использоваться для надежного масштабирования существующей конструкции с известной производительностью до нового размера с соответствующей производительностью.

Непроектные характеристики обычно отображаются в виде карты или характеристики турбины.

Количество лопаток в роторе и количество лопаток в статоре часто - это два разных простых числа, чтобы уменьшить гармоники и максимизировать частоту прохождения лопаток.

• Паровые турбины используются для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, работающих на угле, мазуте или ядерном топливе. Когда-то они использовались для непосредственного привода механических устройств, таких как гребные винты судов (например, Turbinia, первый паровой запуск с приводом от турбины), но в большинстве таких приложений теперь используются редукторы или промежуточная электрическая ступень, где турбина используется для генерации электричество, которое затем приводит в действие электродвигатель, подключенный к механической нагрузке. Турбоэлектрическое судовое оборудование было особенно популярным в период непосредственно перед и во время Второй мировой войны, в первую очередь из-за отсутствия достаточного оборудования для нарезки зубчатых колес на верфях США и Великобритании.
• Авиационные газотурбинные двигатели иногда называют газотурбинными двигателями, чтобы различать поршневые двигатели.
• Трансзвуковая турбина. Поток газа в большинстве турбин, используемых в газотурбинных двигателях, остается дозвуковым на протяжении всего процесса расширения. В трансзвуковой турбине поток газа становится сверхзвуковым, когда он выходит из направляющих лопаток сопла, хотя скорости на выходе обычно становятся дозвуковыми. Трансзвуковые турбины работают при более высоком перепаде давлений, чем обычно, но обычно менее эффективны и встречаются редко.
• Турбины встречного вращения. С осевыми турбинами можно получить некоторое преимущество в эффективности, если турбина, расположенная ниже по потоку, вращается в направлении, противоположном направлению блока, расположенного выше по потоку. Однако осложнение может привести к обратным результатам. Паровая турбина встречного вращения, обычно известная как турбина Люнгстрема, была первоначально изобретена шведским инженером Фредриком Люнгстремом (1875–1964) в Стокгольме, и в сотрудничестве со своим братом Биргером Люнгстремом он получил патент в 1894 году. многоступенчатая радиальная турбина (или пара «вложенных» роторов турбин), обеспечивающая высокий КПД, в четыре раза большее тепловое падение на ступень, чем в реакционной турбине (Парсонса), чрезвычайно компактная конструкция, и этот тип особенно успешно применяется на электростанциях с противодавлением.. Однако, в отличие от других конструкций, большие объемы пара обрабатываются с трудом, и только комбинация с осевыми турбинами (DUREX) позволяет построить турбину на мощность более 50 МВт. Для морского применения было заказано только около 50 турбоэлектрических агрегатов (из которых значительное количество было наконец продано наземным заводам) в 1917–19, а в течение 1920–1922 годов было продано несколько не очень удачных турбомеханических агрегатов. Лишь несколько турбоэлектрических морских установок все еще использовались в конце 1960-х годов (ss Ragne, ss Regin), в то время как большинство наземных станций все еще использовалось в 2010 году.
• Бесстаторная турбина. Многоступенчатые турбины имеют набор статических (то есть стационарных) входных направляющих лопаток, которые направляют поток газа на вращающиеся лопасти ротора. В турбине без статора поток газа, выходящий из верхнего по потоку ротора, сталкивается с нижним по потоку ротором без промежуточного набора лопаток статора (которые изменяют уровни энергии давления / скорости потока).
• Керамическая турбина. Обычные лопатки турбины высокого давления (и лопатки) изготавливаются из сплавов на основе никеля и часто используют сложные внутренние каналы для 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, исключения воздушного охлаждения. Керамические лезвия более хрупкие, чем их металлические аналоги, и несут больший риск катастрофического отказа лезвия. Это привело к тому, что их использование в реактивных двигателях и газовых турбинах ограничивалось (стационарными) лопатками статора.
• Закрытая турбина. Многие лопатки ротора турбины имеют кожух в верхней части, который блокируется с кожухом соседних лопаток для увеличения демпфирования и, таким образом, уменьшения вибрации лопаток. В больших наземных паровых турбинах для выработки электроэнергии кожух часто дополняется, особенно в длинных лопатках турбины низкого давления, связующими проволоками. 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. Проволока шнуровки снижает вибрацию лезвия в центральной части лезвия. Использование проволочных шнуровок существенно снижает вероятность выхода из строя лопаток в турбинах большого или низкого давления.
• Бесконтактная турбина. Современная практика заключается в том, чтобы по возможности исключить кожух ротора, тем самым уменьшив центробежную нагрузку на лопасть и требования к охлаждению.
• В безлопаточной турбине используется эффект пограничного слоя, а не жидкость, попадающая на лопатки, как в обычной турбине.

Три типа водяных турбин: Каплан (спереди), Пелтон (в центре) и Фрэнсис (сзади слева)

• Водяные турбины
  • Турбина Пелтона, тип импульсной водяной турбины.
  • Турбина Фрэнсиса, тип широко используемой водяной турбины.
  • Турбина Каплана, разновидность турбины Фрэнсиса.
  • Турбина Turgo, модифицированная форма колеса Пелтона.
  • Поперечно-проточная турбина, также известная как турбина Банки-Мичелла или турбина Оссбергера.
• Ветряк. Обычно они работают как одноступенчатые, без сопла и межкаскадных направляющих лопаток. Исключение составляет Éolienne Bollée, у которого есть статор и ротор.
• Скоростное соединение "Кертис". Кертис объединил турбину де Лаваля и Парсонса, используя набор фиксированных сопел на первой ступени или статоре, а затем ряд фиксированных и вращающихся рядов лопастей, как в турбинах Парсонса или де Лаваля, обычно до десяти по сравнению с сотней. этапы дизайна Парсонса. Общая эффективность конструкции Curtis ниже, чем у конструкции Парсонса или де Лаваля, но она может удовлетворительно эксплуатироваться в гораздо более широком диапазоне скоростей, включая успешную работу на низких скоростях и при более низком давлении, что делало ее идеальной для использование в силовой установке кораблей. В устройстве Кертиса весь перепад тепла в паре происходит в начальном ряду сопел, и как последующие ряды движущихся лопастей, так и ряды неподвижных лопастей просто изменяют направление пара. Использование небольшой секции устройства Кертиса, обычно одной секции сопла и двух или трех рядов движущихся лопастей, обычно называют «колесом» Кертиса, и в этой форме Curtis нашел широкое применение в море в качестве «регулирующей ступени» на море. множество реактивных и импульсных турбин и турбоагрегатов. Эта практика до сих пор является обычным явлением на морских паровых установках.
• Составной многоступенчатый импульс давления, или «Рато», в честь его французского изобретателя Огюста Рато. В Rateau используются простые импульсные роторы, разделенные диафрагмой сопла. Диафрагма, по сути, представляет собой перегородку в турбине с серией прорезанных в ней туннелей, имеющих форму воронки с широким концом, обращенным к предыдущей ступени, и узким концом следующей, они также расположены под углом, чтобы направлять струи пара на импульсный ротор.
• В турбинах на парах ртути в качестве рабочего тела использовалась ртуть для повышения эффективности электростанций, работающих на ископаемом топливе. Хотя несколько электростанций были построены с комбинированием паров ртути и обычных паровых турбин, токсичность металлической ртути стала очевидной.
• Винтовая турбина - это водяная турбина, в которой используется принцип архимедова винта для преобразования потенциальной энергии воды на верхнем уровне в кинетическую энергию.

Большая часть мировой электроэнергии вырабатывается турбогенераторами.

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

Турбокомпрессоры используются на поршневых двигателях.

Газовые турбины имеют очень высокую плотность мощности (то есть отношение мощности к массе или мощности к объему), потому что они работают на очень высоких скоростях. В главных двигателях космического челнока использовались турбонасосы (машины, состоящие из насоса с приводом от газотурбинного двигателя) для подачи топлива (жидкий кислород и жидкий водород) в камеру сгорания двигателя. Турбонасос с жидким водородом немного больше автомобильного двигателя (весит около 700 фунтов), а турбина производит около 70 000 л.с. (52,2 МВт ).

Турбодетандеры используются для охлаждения в промышленных процессах.

• Балансировочная машина
• Насос Эйлера и уравнение турбины
• Теоремы Гельмгольца
• Роторная динамика
• Взаимодействие ротора и статора
• Вторичный поток
• Колесо Сегнера
• Турбогенератор
• Турбобур
• Турбовентилятор
• Турбореактивный
• Турбовинтовой
• Турбовальный
• Турбинно-электрическая трансмиссия

• Лейтон, Эдвин Т. «От практических правил до научной инженерии: Джеймс Б. Фрэнсис и изобретение турбины Фрэнсиса», Серия монографий NLA. Стоуни-Брук, штат Нью-Йорк: Исследовательский фонд Государственного университета Нью-Йорка, 1992.

• Турбины