Турбины и их типы

Турбина представляет собой вращающуюся часть, преобразующую кинетическую энергию рабочего тела в полезную механическую и/или электрическую энергию. На роторе установлен набор лопастей, которые помогают извлекать энергию из движущейся жидкости. КПД турбин зависит от конструкции лопастей. Разным приложениям нужен разный дизайн, и их разработка — непростая задача.

Существует четыре типа турбин:

1. Водяные турбины;
2. Паровые турбины;
3. Газовые турбины;
4. Ветряные турбины.

Водяные турбины

Турбины, используемые на гидроэлектростанциях, представляют собой водяные турбины, в которых вода является рабочим телом. Во-первых, в плотине собираются миллионы литров воды. Чем больше высота плотины, тем больше давление. Затем вода под высоким давлением течет по большой трубе, называемой затвором. Турбина расположена в конце водовода, откуда вода под давлением ударяет по лопастям турбины с высокой скоростью, заставляя ее вращаться. Эта турбина подключена к генератору, который вырабатывает электричество.

Форма лопастей турбины зависит от давления и скорости воды. Водяные турбины делятся на два типа:

1. Импульсный тип. Импульсные турбины в основном работают по второму закону Ньютона. В импульсных турбинах вместо лопаток на втулке ротора устанавливается ряд эллиптических лопаток половинного размера. Когда вода попадает на ковши на высокой скорости, ротор начинает вращаться. Короче говоря, кинетическая энергия воды преобразуется в механическую энергию вращения. Таким образом, электричество вырабатывается, когда один конец вала турбины соединен с генератором.
2. Реактивный тип. Лопасти турбины или лопасти рабочего колеса сконструированы таким образом, что сила создается с одной стороны, когда вода течет через них, как аэродинамический профиль. Сила, создаваемая аэродинамическим профилем, отвечает за подъемную силу самолета. Точно так же и здесь эта сила заставляет вращаться лопасти.

Паровые турбины

Также называемые паровыми турбинами, они используются на атомных и тепловых электростанциях, где вода нагревается для образования пара, а затем проходит через турбины для производства электроэнергии. Как и водяные турбины, паровые турбины также подразделяются на импульсные и реактивные, но их устройство и конструкция отличаются. Все современные паровые турбины представляют собой комбинацию импульсного и реактивного типа.

Паровые турбины состоят не только из вращающихся лопастей, называемых ротором, но и из неподвижных лопастей, называемых статором. Роторы и статоры расположены поочередно, чтобы извлекать из них наибольшую энергию. Этот метод называется компаундированием.

Кроме того, если вы заметили, движущиеся лопатки в импульсной турбине рассчитаны на то, чтобы их толкал пар. В то время как лопасти ротора в реактивной турбине имеют аэродинамическую форму, которая позволяет создавать реакцию, а также позволяет пару поддерживать свою скорость.

Пар сначала проходит через турбину высокого давления, а затем через турбину среднего давления. Затем, снова после повторного нагрева пара, он проходит через турбины низкого давления.

Причина увеличения размеров лопастей от внутренней стороны к внешней заключается в том, что пар расширяется, теряя свое давление и кинетическую энергию и отдавая ее турбинам.

Газовые турбины

Газовые турбины — это двигатели внутреннего сгорания, которые используются не только в силовых установках для выработки электроэнергии, но и для приведения в движение самолетов и вертолетов. Газовые турбины в целом имеют на входе осевой компрессор. Это набор вращающихся лопастей, которые всасывают огромное количество воздуха и сжимают его, что также увеличивает температуру. Затем этот воздух подается в камеру сгорания. Топливо добавляется в камеру сгорания, и воспламенитель воспламеняет топливо. Таким образом, образуется большое количество выхлопных газов, которые проходят через турбины. Различные типы газовых турбин/реактивных двигателей:

• Турбореактивный;
• Турбовентиляторный;
• Турбовальный.

Вышеупомянутые газовые турбины открытого цикла, в которых выхлопные газы выбрасываются непосредственно в атмосферу. Другой тип, т.е. газовые турбины с замкнутым циклом, в которых выхлопные газы снова используются для повторного нагрева, используются в силовых установках.

Ветряные турбины

Ветряные турбины — это благо для человечества: они доступны по цене, чисты и долговечны. Некоторые ветряные электростанции настолько велики, что могут производить 50 МВт электроэнергии. Что ж, что касается работы ветряных турбин, история остается такой же, как и с другими турбинами. Ротор имеет 3 лопасти и сконструирован таким образом, что когда ветер проходит прямо через них, они начинают вращаться. Единственная проблема здесь в том, что ветряные турбины вращаются на очень низких оборотах. Низкие обороты не производят электричество необходимой частоты, поэтому нам нужна коробка передач, которая увеличивает скорость вращения вала. Затем выходной вал соединяется с генератором.

Два основных типа ветряных турбин:

1. Ветряные турбины с горизонтальной осью;
2. Ветродвигатели с вертикальной осью.

Добавление большего количества лопастей увеличивает крутящий момент, который здесь не нужен. Увеличение крутящего момента снижает обороты, что нежелательно. Также существенно возрастает стоимость. Также уменьшение количества лопастей до 2 приводит к гироскопической нестабильности и периодическим напряжениям, что делает его небезопасным. Следовательно, 3 лопасти делают ветряные турбины наиболее эффективными во всех отношениях.