Turbina

Izvor: Wikipedia
Siemens parna turbina sa otvorenim kučištem.

Turbina je rotacijski motor koji izdvaja energiju iz tekućine ili protoka zraka i pretvara u koristan rad. Najjednostavnije turbine imaju jedan pomični dio, rotor, a to je vratilo ili bubanj, sa lopaticama. Protok tekućine djeluje na lopatice tako da se okreću i daju energiju rotacije na rotor. Rani primjeri turbina su vjetrenjače i vodeni mlinovi. Plinske, parne i vodne turbine obično imaju kućište oko lopatica koje sadrži i kontrolira radnu tvar. Za izum parne turbine zaslužan je britanski inženjer Sir Charles Parsons (1854.-1931.), za pronalazak reakcije u turbini, i švedski inženjer Gustav de Laval (1845.-1913.), za izum pogonske turbine. Moderne parne turbine često upotrebljavaju reakciju i impuls u istoj jedinici, obično različiti stupanj reakcije i impulsa iz korijena lopatica svoje periferije. Uređaj sličan turbini, ali u obrnutom procesu, je kompresor ili pumpa. Osovinski kompresor u mnogim plinskim turbinama dobar je primjer. Ovdje ponovno, i reakcija i impuls su iskorišteni i opet, u modernim osovinskim kompresorima, stupanj reakcije i impulsa obično će se razlikovati od korijena lopatica periferije. Claude Burdin 1828. je upotrijebio termin turbo iz latinskog što označava vrtlog, tijekom inženjerskog natjecanja. Benoit Fourneyron, student Claude Burdin-a, izgradio je prvu praktičnu vodenu turbinu.

Teorija operacije[uredi - уреди]

Shematski dijagram koji prikazuje razliku između impulsne i reakcijske turbine.

Radna tekućina sadrži potencijalnu energiju (tlak) i kinetičku energiju (brzina). Tekućina može biti stlačiva ili nestlačiva. Nekoliko principa turbine za prikupljanje energije:

Impulsne turbine[uredi - уреди]

Ove turbine mijenjaju smjer protoka tekućine velike brzine ili mlaza plina. Rezultiranje impulsa okreće turbinu i ostavlja protok tekućine sa smanjenom kinetičkom energijom. Nema promjene tlaka tekućine ili plina na lopatice u rotoru turbine (pomičnih lopatica),

kao u slučaju parne ili plinske turbine, sav pad tlaka odvija se u stacionarnim lopaticama (mlaznice).

Prije stizanja u turbinu, tlak tekućine mijenja se s brzinom, ubrzavajući tekućinu mlaznicom. Peltonov kotač i de Laval-ova turbina isključivo koriste taj proces. Impuls turbine ne zahtijevaju pritisak na krilo oko rotora budući da je mlaz tekućine oformljen mlaznicom prije dostizanja na lopatice rotora. Drugi Newtonov zakon opisuje prijenos impulsa energije za turbine.

Reakcijske turbine[uredi - уреди]

Ove turbine razvijaju okretni moment reakcijom tlaka na plin ili tekućinu ili na njihovu masu. Tlak plina ili tekućine mjenja se prolaskom kroz turbinske lopatice rotora. Pritisak na krilo je potrebno da bi zadrzavalo tekućinu dok djeluje na turbinu(e) ili turbina mora biti u potpunosti uronjena u tekućinu koja je pokreće (kao kod vjetroagregata). Kućište sadrži i usmjerava radnu tekućinu i, za vodene turbine, održava usisavanje kroz danu cijev. Francisova turbina i većina parnih turbina koristi ovaj koncept. Za stlačene radne plinove, obično se koristi više turbina za efikasno upregnuće raširenog plina. Treći Newtonov zakon opisuje prijenos energije za reakcijske turbine.

U slučaju parnih turbina, koje bi se koristile za brodske aplikacije ili za kopnene generatore, Parson-ov tip reakcijske turbine zahtijevao bi otprilike dvostruki broj redaka lopatica, kao de Laval-ova pogonska turbina, za isti stupanj ispuštanja topline. Dok to Parson-ova turbina radi mnogo duže i teže, ukupna efikasnost reakcijske turbine malo je veća nego ekvivalentna pogonska turbina za isto ispuštanje topline. Parne turbine i kasnije, plinske turbine, neprekidno su razvijane tijekom 20. stoljeća, nastavljajući to činiti i u praksi, projekti modernih turbina će koristiti obje reakcije i impuls za mjenjanje stupnjeva, kad god je to moguće. Turbine na vjetar (vjetroagregati) koriste aerodinamički profil za generiranje uzgona vjetra i slanja na rotor (to je oblik reakcije). Vjetrenjače dobivaju neku energiju i iz pobude vjetra, uz skretanje kuta. Banki-Michell turbine su dizajnirane kao pobudni strojevi sa mlaznicama, ali održavaju neku efikasnost u nižim zadaćama kroz reakcije, kao što je tradicionalno vodeno kolo. Turbine s više razina mogu koristiti bilo reakcije ili za poticaj lopatica pod visokim pritiskom. Parne turbine su tradicionalno više poticajne, ali se dalje kreću ka reakcijskom dizajnu slične onima koje se koriste u plinskim turbinama. Na niskom tlaku operativni medij ekspandira u volumenu za malo smanjenje tlaka. Pod tim uvjetima (termin niskotlačnih turbina) lopatice postaju strogo dizajnirane isključivo za impulsno postolje. Razlog tome je djelovanje brzine rotacije za svaku oštricu. Kao što povećava volumen, oštrica povećava visinu, a postolje lopatica se okreće na sporijoj brzini. Ova promjena u brzini tjera dizajnere na promjenu postolja sa impulsnog na visoko reakcijski tip. Projektantske metode klasične turbine razvijene su sredinom 19. stoljeća. Vektorska analiza povezuje protok tekućine sa oblikom turbine i rotacijom. Prvo su korištene grafičke metode. Formule za osnovne dimenzije dijelova turbina su dobro dokumentirane i visoko učinkovit stroj se može pouzdano dizajnirati za bilo koje stanje fluida. Neki izračuni su empirijski ili 'pravilo' formule, a drugi su temeljeni na klasičnoj mehanici. Kao i kod većine inženjerskih izračuna, pretpostavke su pojednostavljene. Trokut ubrzanja može se koristiti za izračun osnovne razine performanse turbine. Plin izlazi mlaznicama stacionarnih turbina vođen lopaticama na apsolutnoj brzini Va1. Rotor se vrti na brzini U. U odnosu na rotor, brzina plina jer impinges rotora na ulazu je Vr1. Plin se okrenuo prema rotoru i izlazi, u odnosu na rotor, na brzinu Vr2. Međutim, u apsolutnom smislu brzine rotora izlaz je Va2. Trokuti brzina konstruirani su pomoću tih različitih vektora brzine. Trokut ubrzanja može biti izgrađeni u svakom dijelu kroz lopatice (na primjer: koncentrator, glavu, središnji presjek i tako dalje), ali se obično prikazuju u radijusu srednje faze. Prosječne performanse za faze mogu biti izračunate iz trokuta brzina, na ovom radijusu, koristeći Eulerovu jednadžbu:

\Delta\;h = u\cdot \Delta\;v_w

Odakle:

\left (\frac{\Delta\;h}{T}\right) =  \left(\frac{u}{\sqrt{T}}\right)\cdot\left(\frac{\Delta\;v_w}{\sqrt{T}}\right)

gdje je:

\Delta\;h =\, = pad specifične entalpija po fazi
T =\, = ukupna ulazna temperatura turbine (ili stagnacija)
u =\, = periferna brzina turbine rotora
\Delta\;v_w =\, = promjena brzine vrtloga

Omjer pritiska turbine je funkcija \left(\frac{\Delta\;H}{T}\right) i efikasnost turbine.

S dolaskom modernijeg dizajna turbina dolaze i neki novi izračuni mjera. Računalna dinamika fluida daje rezultate i bez upotrebe mnogih pojednostavljujućih pretpostavki koje su prije služile da bi se izvele klasične formule, a kompjuterski programi (softweri) olakšavaju optimizaciju. Ovi alati su doveli do stalnog napretka u dizajniranju turbina u zadnjih 40 godina. Primarno numeričko klasificiranje turbina se mjeri prema njihovim specifičnim brzinama. Specifična brzina opisuje brzinu turbine i njezinu maksimalnu efikasnost s obzirom na snagu i protok. Specifična brzina je izvedena tako da bude neovisna o veličini turbine. S obzirom na uvjete protoka fluida i željene izlazne brzine vratila, specifična brzina se može izračunati i tako se može izabrati odgovarajući dizajn turbine. Specifične brzine se zajedno s nekim fundamentalnim formulama mogu iskoristiti za pouzdano unaprijeđivanje postojećih dizajna poznatih izvedbi na novu razinu s novim performansama.

Tipovi turbina[uredi - уреди]

Protok plina u većini turbina ostaje podzvučni kroz cijeli proces ekspanzije. U ultrazvučnoj turbini, protok plina postaje nadzvučan onda kad izlazi iz lopatica vodičkih mlaznica, iako nizvodne brzine postaju podzvučne. Transonične iliti ultrazvučne turbine rade na većem omjeru tlaka nego je normalno, ali su obično manje učinkovite i nisu tako česte. Ovakva turbina dobro dođe i kod stvaranja energije iz vode.

Kod aksijalnih turbina ponešto veću efikasnost možemo postići ako se nizvodna turbina rotira u obrnutom smjeru od uzvodne. Ali komplikacije bi u tom slučaju mogle biti kontraproduktivne. Kontra-rotirajuću parnu turbinu još poznatu kao Ljungström turbinu, osmislio je švedski inženjer Fredrik Ljungstrom (1875-1964), u Stockholmu, a patentirao ju je zajedno sa svojim bratom Birgerom Ljungstrom 1894. godine. Po dizajnu je to zapravo višestupanjska radijalna turbina (sa parom ugnježdenih turbinskih rotora) koja se koristi najčešće u pomorstvu zbog svoje kompaktnosti i male težine. Uzeći u obzir sve njezine karakteristike, može se zaključiti da je ukupna efikasnost ove turbine ipak manja od one Parsonove ili Lavalove turbine.

Višestupanjske turbine imaju skup statičnih (stacionarnih) ulaznih vodičkih lopatica/krila koje usmjeravaju protok plina na rotirajuće rotorske oštrice. U turbini bez statora, protok plina koji izlazi iz uzvodnog rotora sudara se sa silaznim rotorom bez da naiđe na središnji set rotorskih lopatica/krila (koje preuređuju energijske razine protoka).

Konvencionalne visokotlačno turbinske oštrice ( i lopatice) se prave od legura na bazi nikla i često se koriste za sprječavanje pregrijavanja metala. U posljednjih nekoliko godina stvorene su neke eksperimentalne keramičke oštrice koje se i ispituju u plinskim turbinama, a stvorene su s ciljem da se poveća temperatura dođenog zraka na rotor i/ili eventualno da se eliminira zračno hlađenje. Keramičke oštrice su ipak puno krhkije od metalnih i stoga nose sa sobom i veći rizik. Zbog toga se ograničava njihova upotreba u mlaznim motorima i plinskim turbinama.

Mnoge turbinske rotorske oštrice imaju namotanu čeličnu žicu na vrhu koji ih povezuje sa susjednim oštricama iz drugih turbina čime se povećava prigušenje i smanjuje vibriranje. U velikim kopnenim parnim turbinama koje generiraju struju, a posebice u dugim oštricama niskotlačnih turbina ta namotana čelična žica se često zamijenjuje pletenom (uvezanom) žicom. To su vodovi koji prolaze kroz rupe izbušene na oštricama na odgovarajućim udaljenostima od korijena oštrice i one su često i zakalemljene na mjestu gdje prolaze kroz njih. Te uvezane žice su dizajnirane tako da smanje vibriranje oštrice u njenom središnjem dijelu. Uvođenje uvezanih žica je znatno smanjilo probleme sa oštricama i velikim ili niskotlačnim turbinama.

U modernoj praksi se u koliko je god moguće pokušava eliminirati postavljanje čelične žice na rotor i time se reducira opterećenje koje dolazi od centrifugalne sile koja djeluje na oštricu pa se time i smanjuju zahtjevi za hlađenje sustava. Turbina bez oštrica koristi efekt graničnog sloja, a ne sudaranje fluida na oštricama kao u konvencionalnoj turbini.

  • Turbine na vodu
    • Pelton turbina je vrsta impulsne vodene turbine
    • Francis turbina je vrsta turbine na vodu koja se najčešće koristi
    • Kaplan turbina je varijacija Francis turbine
    • Voith je još jedna inačina vodene turbine
  • Turbine na vjetar

Takve turbine normalno funkcioniraju kao jedna cijelina bez sapnica i unutrašnjih vodičkih lopatica. Izuzetak je Éolienne Bollée koja ima stator i rotor i time stvarno i jest prava turbina.

Veze[uredi - уреди]

Vanjske veze[uredi - уреди]

  • [1] - članak o Turbinama na engleskog wikipediji
  • [2] - Modul plinske turbine
  • [3] - Vrste vjetroagregata