Турбина - Turbine

Для использования в других целях см. Турбина (значения).

А паровая турбина с открытым корпусом.

А турбина (/ˈтɜːrбаɪп/ или же /ˈтɜːrбɪп/) (от греч. τύρβη, тырбе, смысл "вихрь ", связанный с латинский турбо, что означает вихрь,^[1][2] представляет собой вращательное механическое устройство, извлекающее энергия из жидкость поток и превращает его в полезный работай. Работа, производимая турбиной, может быть использована для выработки электроэнергии в сочетании с генератор.^[3] Турбина - это турбомашина по крайней мере с одной движущейся частью, называемой роторным узлом, которая представляет собой вал или барабан с лезвия прикрепил. Движущаяся жидкость воздействует на лопасти, так что они перемещаются и передают энергию вращения ротору. Ранние примеры турбин ветряные мельницы и водяные колеса.

Газ, пар, и воды турбины имеют кожух вокруг лопастей, который содержит и регулирует рабочую жидкость. Авторство изобретения паровой турбины принадлежит англо-ирландскому инженеру. Сэр Чарльз Парсонс (1854–1931) за изобретение реакционной турбины и шведскому инженеру Густав де Лаваль (1845–1913) за изобретение импульсной турбины. Современные паровые турбины часто используют как реакцию, так и импульс в одном и том же агрегате, обычно изменяя степень реакции и импульс от основания лопатки к ее периферии.

Слово «турбина» было придумано в 1822 году французским горным инженером. Клод Бурдин с греческого τύρβη, тырбе, смысл "вихрь "или" вращение "в записке" Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse ", которую он представил Королевская академия наук в Париже.^[4] Бенуа Фурнейрон, бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практическую водяную турбину.

Гудение небольшой пневматической турбины, используемой в немецком винтажном стиле 1940-х годов. лампа безопасности

Теория работы

Схема импульсной и реактивной турбин, где ротор является вращающейся частью, а ротор статор это стационарная часть машины.

Рабочая жидкость содержит потенциальная энергия (давление голова ) и кинетическая энергия (скоростной напор). Жидкость может быть сжимаемый или же несжимаемый. Для сбора этой энергии в турбинах используются несколько физических принципов:

Импульс турбины изменяют направление потока высокоскоростной жидкости или газа. Результирующий импульс раскручивает турбину и покидает поток жидкости с уменьшенной кинетической энергией. Нет изменения давления жидкости или газа в лопатки турбины (движущиеся лопасти), как и в случае паровой или газовой турбины, весь перепад давления происходит в неподвижных лопатках (соплах). Не доходя до турбины, жидкость напор изменен на скоростной напор ускоряя жидкость с помощью сопло. Колеса Пелтона и турбины де Лаваля используйте исключительно этот процесс. Для импульсных турбин не требуется кожух давления вокруг ротора, поскольку струя жидкости создается соплом до того, как достигает 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. ^[3]

Реакция турбины развиваются крутящий момент реагируя на давление или массу газа или жидкости. Давление газа или жидкости изменяется при прохождении через лопатки ротора турбины.^[3] Створка высокого давления необходима для удержания рабочей жидкости, когда она действует на ступень (ступени) турбины, 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 вытяжной трубы. Турбины Фрэнсиса и большинство паровые турбины используйте 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. ^[3]

В случае паровых турбин, которые будут использоваться для морских применений или для выработки электроэнергии на суше, реакционная турбина типа Парсонса потребует примерно вдвое большего количества рядов лопастей, 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 по возможности в различной степени используют концепции как реакции, так и импульса. Ветряные турбины использовать профиль вызвать реакцию поднимать от движущейся жидкости и передать 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 расширяется в объеме для небольшого снижения давления. В этих условиях лопасть становится конструкцией строго реактивного типа, при этом основание лопасти является исключительно импульсным. Причина связана с эффектом 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 реагированию.

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 сконструирована для любой жидкости. состояние потока. Некоторые из расчетов являются эмпирическими формулами или формулами «практического опыта», а другие основаны на классическая механика. Как и в большинстве инженерных расчетов, были сделаны упрощающие предположения.

Входные направляющие лопатки турбины а турбореактивный

Треугольники скорости может использоваться для расчета основных характеристик ступени турбины. Газ выходит из неподвижных направляющих лопаток сопла турбины с абсолютной скоростью V_а1. Ротор вращается со скоростью U. По отношению к ротору скорость газа, падающего на вход ротора, 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_а2. 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 скоростей на этом радиусе с использованием уравнения Эйлера:

${displaystyle Delta h=ucdot Delta v_{w}}$

Следовательно:

${displaystyle {frac {Delta h}{T}}={frac {ucdot Delta v_{w}}{T}}}$

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 в турбине зависит от ${displaystyle {frac {Delta h}{T}}}$ и КПД турбины.

Современная конструкция турбины способствует дальнейшим расчетам. Вычислительная гидродинамика избавляется от многих упрощающих допущений, используемых при выводе классических формул, а компьютерное программное обеспечение облегчает оптимизацию. Эти инструменты привели к постоянным улучшениям в конструкции турбин на протяжении последних сорока лет.

Основная числовая классификация турбины - это ее удельная скорость. Это число описывает скорость турбины при ее 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 как карта турбины или характеристика.

Количество лопаток в роторе и количество лопаток в статоре часто два разных простые числа чтобы уменьшить гармоники и максимизировать частоту прохождения лезвия.^[5]

Типы

• Паровые турбины используются для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, использующих каменный уголь, горючее или же ядерное топливо. Когда-то они использовались для непосредственного управления механическими устройствами, такими как корабельные пропеллеры (например, Турбиния, первый турбинный паровой запуск,^[6]), но в большинстве таких приложений сейчас используются редукторы или промежуточная электрическая ступень, где турбина используется для выработки электроэнергии, которая затем питает электрический двигатель подключен к механической нагрузке. Турбоэлектрическое судовое оборудование было особенно популярно в период непосредственно до и во время Вторая Мировая Война в первую очередь из-за отсутствия на верфях США и Великобритании достаточного оборудования для нарезания зубчатых колес.
• Самолет газовая турбина двигатели иногда называют газотурбинными двигателями, чтобы различать поршневые двигатели.
• Трансзвуковой 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 из него обычно становятся дозвуковыми. Трансзвуковые турбины работают при более высоком перепаде давлений, чем обычно, но обычно менее эффективны и встречаются редко.
• Противоположное вращение турбины. С осевые турбины некоторое преимущество в эффективности может быть получено, 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 Люнгстрёма, была изобретена шведским инженером. Фредрик Люнгстрём (1875–1964) в Стокгольме, и в партнерстве со своим братом Биргером Люнгстремом он получил патент в 1894 году. По сути, конструкция представляет собой многоступенчатую радиальная турбина (или пара «вложенных» роторов турбин), обеспечивающие высокий КПД, в четыре раза большее падение тепла на ступень, чем в реакционной турбине (Парсонса), чрезвычайно компактную конструкцию, 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 строить 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 течение 1917-1919 годов, а в течение 1920-22 годов было продано несколько турбомеханических не очень удачных агрегатов.^[7] Лишь несколько турбоэлектрических морских установок все еще использовались в конце 1960-х годов (ss Ragne, ss Regin), в то время как большинство наземных станций продолжало работать в 2010 году.
• Без статора 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).
• Керамика турбина. Обычные лопатки (и лопатки) турбин высокого давления 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 лопатками статора (неподвижными).
• Окутанный турбина. Многие лопатки ротора турбины имеют кожух в верхней части, который блокируется с кожухом соседних лопаток, чтобы увеличить демпфирование и, таким образом, уменьшить флаттер 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 колебание лезвия в центральной части лезвия. Использование проволочных шнуровок существенно снижает вероятность выхода из строя лопаток в турбинах большого или низкого давления.
• Турбина без кожуха. Современная практика заключается в том, чтобы по возможности исключить кожух ротора, тем самым уменьшив центробежный нагрузка на лезвие и требования к охлаждению.
• Безлопастная турбина использует эффект пограничного слоя, а не жидкость, попадающую на лопасти, 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, вариант турбины Фрэнсиса.
  • Турго турбина, модифицированная форма колеса Пелтона.
  • Поперечная турбина, также известная как турбина Банки-Мичелла или турбина Оссбергера.
• Ветряная турбина. Обычно они работают как одноступенчатые, без сопла и межступенчатых направляющих лопаток. Исключением является Эольенн Болле, имеющий 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 сделало ее идеальной для использование в силовой установке кораблей. В устройстве Кертиса весь перепад тепла в паре происходит в начальном ряду сопел, а последующие ряды движущихся лопастей и ряды неподвижных лопастей просто изменяют направление пара. Использование небольшой секции устройства Curtis, обычно одной секции сопла и двух или трех рядов движущихся лопастей, обычно называют «колесом» Curtis, и в этой форме Curtis нашел широкое применение в море в качестве «регулирующей ступени» на множество реактивных и импульсных турбин и турбоагрегатов. Эта практика до сих пор является обычным явлением на морских паровых установках.
• Компаунд под давлением многоступенчатый импульс, или «Рато», в честь его французского изобретателя, Огюст 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 - к следующей, они также расположены под углом, чтобы направлять струи пара на импульсный ротор.
• Турбины на парах ртути использовал Меркурий в качестве рабочего тела 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 который использует принцип Архимедов винт преобразовать потенциальная энергия воды на верхнем уровне в кинетическая энергия.

Использует

Большая часть мирового электричество генерируется турбогенераторы.

Турбины используются в газовая турбина двигатели 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 Главные двигатели космического корабля использовал 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 мощность турбины составляет около 70000 фунтов. л.с. (52.2 МВт ).

Турбодетандеры используются для охлаждения в промышленных процессах.

Смотрите также

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

Примечания

1. "турбина".«мутный». Интернет-словарь этимологии.
2. τύρβη. Лидделл, Генри Джордж; Скотт, Роберт; Греко-английский лексикон на Проект Персей.
3. Мансон, Брюс Рой, Т. Х. Окииши и Уэйд В. Хюбш. «Турбомашины». Основы механики жидкости. 6-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: J. Wiley & Sons, 2009. Печать.
4. В 1822 году Клод Бурдин представил свою памятную записку «Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse» (Гидравлические турбины или высокоскоростные вращающиеся машины) в Королевскую академию наук в Париже. (Видеть: Анналы химии и тела, т. 21, стр.183 (1822).) Однако только в 1824 году комитет Академии (состоящий из Прони, Дюпена и Жирара) положительно отозвался о записке Бурдина. См .: Прони и Жирар (1824 г.) "Rapport sur le mémoire de M. Burdin intitulé: Des turbines Hydrauliques ou" Rotatoires à grande vitesse " (Отчет по служебной записке г-на Бурдина «Гидротурбины или высокоскоростные роторные машины»), Анналы химии и тела, т. 26, страницы 207-217.
5. Тим Дж. Картер.«Распространенные отказы лопаток газовых турбин».2004.p. 244-245.
6. Адриан Ослер (октябрь 1981 г.). «Турбиня» (PDF). (Буклет, спонсируемый ASME, посвященный объявлению Турбинии международной инженерной достопримечательностью). Музеи Совета графства Тайн-энд-Уир. Архивировано из оригинал (PDF) 28 сентября 2011 г.. Получено 13 апреля 2011.
7. Ингвар Юнг, 1979 г., История морской турбины, часть 1, Королевский технологический институт, Стокгольм, отдел истории технологий

дальнейшее чтение

• 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.

внешняя ссылка

• Турбины