Turbina

Turbina (franc. turbine < lat. turbo, genitiv turbinis: vihor, vrtlog) rotaciona je mašina (strujni motor) koja strujnu energiju radnog fluida transformiše u mehanički rad. Ona pretvara potencijalnu ili toplotnu energiju toka fluida u kinetičku energiju, te dalje vrtnjom rotora u mehanički rad. Mehanički rad dobijen na ovaj način se može iskoristiti za dobijanje električne energije ili pokretanje neke druge rotacione mašine (najčešće pumpe, kompresori i drugo).Turbina je u odnosu na reciprocirajuće mašine iste snage znatno manje i lakše, imaju bolje uravnoteženje rotirajućih masa, konstantan obrtni moment i drugo. Zavisno od vrste fluida, razlikuju se turbine koje pokreće nestišljivi radni fluid, na primer voda (vodna turbina), te turbine koje pokreće stišljivi fluid, na primer vodena para, plinovi izgaranja ili vazduh (parna turbina; plinska turbina; vetrena turbina). U mirujućem kućištu turbine nalaze se statorske lopatice, elementi za regulaciju i upravljanje, priključci za dovod i odvod radnoga fluida, te ležajevi rotora. Rotor nosi red lopatica koje zajedno s redom statorskih lopatica čine jedan stupanj turbine. Parne i plinske turbine mogu imati više od jednoga stupnja (višestupanjske turbine). Prve spoznaje o uporabi turbina potiču iz antičke Grčke. Današnje su turbine različitih veličina i snaga, od najmanjih, koje kao pneumatski aktuatori pogone različite ručne alate (pneumatika), do onih najvećih, kakve su vodne turbine za pogon električnih generatora, koje imaju promer od nekoliko metara i snagu do 1 500 MW.

Parna turbina nemačkog proizvođača Simens

Rotor Francisove turbine, snage od skoro milion KS (750 MW), za vreme ugradnje u Hidroelektrani Grand Kuli, SAD.

Najjednostavnije turbine imaju jedan pomični deo, rotor, a to je vratilo ili bubanj, sa lopaticama. Protok tečnosti deluje na lopatice tako da se okreću i daju energiju rotacije na rotor. Rani primeri turbina su vetrenjače i vodeni mlinovi. Plinske, parne i vodne turbine obično imaju kućište oko lopatica koje sadrži i kontroliše radnu materiju. Za izum parne turbine zaslužan je britanski inženjer Čarls Aldžernon 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 korena lopatica svoje periferije. Uređaj sličan turbini, ali u obrnutom procesu, je kompresor ili pumpa. Aksijalni turbokompresor u mnogim plinskim turbinama dobar je primer. 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. Klod Burdin 1828. je upotrebio termin turbo iz latinskog što označava vrtlog, tokom inženjerskog takmičenja. Benua Furneron, student Kloda Burdina, izgradio je prvu praktičnu vodnu turbinu.

Način rada

Šematski dijagram koji prikazuje razliku između impulsne i reakciona turbina.

Radna tečnost sadrži potencijalnu energiju (pritisak) i kinetičku energiju (brzina). Tečnost može biti stišiva ili nestišnjava. Nekoliko principa turbine za prikupljanje energije:

Impulsne turbine

Ove turbine menjaju smer protoka tečnosti velike brzine ili mlaza plina. Nastali impuls sile okreće turbinu i ostavlja protok tečnosti sa smanjenom kinetičkom energijom. Nema promene pritiska tečnosti ili plina na lopaticama u rotoru turbine (pomičnim lopaticama), kao u slučaju parne ili gasne turbine, sav pad pritiska odvija se u stacionarnim lopaticama (mlaznice). Pre stizanja u turbinu, pritisak tečnosti menja se s brzinom, ubrzavajući tečnost mlaznicom. Peltonova turbina isključivo koristi tu pojavu. Impuls turbine ne zahteva pritisak na krilo oko rotora budući da je mlaz tečnosti stvoren mlaznicom pre dostizanja na lopatice rotora. Drugi Njutnov zakon opisuje prenos impulsa energije za turbine.

Reakcijske turbine

Ove turbine razvijaju moment sile dejstvom priska na plin ili tečnost ili na njihovu masu. Pritisak plina ili tečnosti menja se prolaskom kroz turbinske lopatice rotora. Pritisak na krilo je potreban da bi zadržavala tečnost dok deluje na turbinu ili turbina mora biti u potpunosti uronjena u tečnost koja je pokreće (kao kod vetroagregata). Kućište sadrži i usmerava radnu tečnost i, za vodne turbine, održava usisavanje kroz danu cev. Francisova turbina i većina parnih turbina koristi ovu pojavu. Za utečnjene radne gasove, obično se koristi više turbina za delotvorno upregnuće raširenog gasa. Treći Njutnov zakon opisuje prenos energije za reakcijske turbine.

U slučaju parnih turbina, koje bi se koristile za brodske primene ili za kopnene generatore, Parsonov tip reakcijske turbine zahtevao bi otprilike dvostruki broj redova lopatica, kao de Lavalova pogonska turbina, za isti stupanj ispuštanja toplote. Dok to Parsonova turbina radi mnogo duže i teže, ukupna delotvornost reakcijske turbine malo je veća nego ekvivalentna pogonska turbina za isto ispuštanje toplote. Parne turbine i kasnije, gasne turbine, neprekidno su razvijane tokom 20. veka. Nastavljajući da to čine i u praksi, projekti modernih turbina su koristili obe reakcije i impuls za menjanje stupnjeva, kad god je to moguće. Turbine na vetar koriste aerodinamički profil za generiranje uzgona vetra i slanja na rotor (to je oblik reakcije). Vetrenjače dobivaju neku energiju i iz pobude vetra, uz skretanje ugla. Banki-Mišelove turbine su dizajnirane kao pobudne mašine sa mlaznicama, ali održavaju neku efikasnost pri nižim zadacima kroz reakcije, kao što je tradicionalno vodeničko kolo. Turbine s više nivoa mogu koristiti bilo reakcije ili za podsticaj lopatica pod visokim pritiskom. Parne turbine su tradicionalno više podsticajne, ali se dalje kreću ka reakcijskom dizajnu slične onima koje se koriste u gasnim turbinama. Na niskom pritisku operativni medijum ekspandira u zapremini za malo smanjenje pritiska. Pod tim uslovima (pojam niskopritisnih turbina) lopatice postaju strogo dizajnirane isključivo za impulsno postolje. Razlog tome je delovanje brzine rotacije za svaku oštricu. Kao što povećava zapreminu, oštrica povećava visinu, a postolje lopatica se okreće na sporijoj brzini. Ova promena u brzini tera dizajnere na promenu postolja sa impulsnog na visoko reakcijski tip.

Projektantske metode klasične turbine razvijene su sredinom 19. veka. Vektorska analiza povezuje protok tečnosti sa oblikom turbine i rotacijom. Prvo su korištene grafičke metode. Jednačine za osnovne dimenzije delova turbina su dobro dokumentirane i visoko delotvorne mašine se mogu pouzdano dizajnirati za bilo koje stanje fluida. Neki prozračuni su empirijski, a drugi su temeljeni na klasičnoj mehanici. Kao i kod većine inženjerskih prozračuna, pretpostavke su pojednostavljene. Trougao ubrzanja može se koristiti za proračun osnovnog nivoa svojstava turbine. Gas izlazi mlaznicama stacionarnih turbina vođen lopaticama na apsolutnoj brzini V_a1. Rotor se vrti na brzini U. U odnosu na rotor, brzina plina na ulazu je V_r1. Plin se okrenuo prema rotoru i izlazi, u odnosu na rotor, brzinom V_r2. Međutim, u apsolutnom smislu brzine rotora izlaz je V_a2. Trouglovi brzina konstruisani su pomoću tih različitih vektora brzine. Trouglovi ubrzanja mogu biti izgrađeni u svakom delu kroz lopatice (na primer: koncentrator, glavu, središnji presek i tako dalje), ali se obično prikazuju u prečniku srednje faze. Prosečna svojstva za faze mogu biti izračunate iz trougla brzina, na ovom radijusu, koristeći Ojlerovu jednačinu:

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

Odakle:

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

gde je:

$\Delta \;h=\,$ pad specifične entalpija po fazi,

$T=\,$ ukupna ulazna temperatura turbine (ili stagnacija),

$u=\,$ periferna brzina turbine rotora,

$\Delta \;v_{w}=\,$ promena brzine vrtloga.

Odnos pritiska turbine je funkcija $\left({\frac {\Delta \;H}{T}}\right)$ i delotvornosti turbine.

S dolaskom modernijeg dizajna turbina dolaze i neki novi proračuni mera. Računarska dinamika fluida daje rezultate i bez upotrebe mnogih pojednostavljujućih pretpostavki koje su pre služile da bi se izvele klasične jednačine, a kompjuterski programi (softveri) olakšavaju optimizaciju. Ovi alati su doveli do stalnog napretka u dizajniranju turbina u zadnjih 40 godina. Primarno numeričko klasifikovanje turbina se meri prema njihovim specifičnim brzinama. Specifična brzina opisuje brzinu turbine i njezinu maksimalnu delotvornost s obzirom na snagu i protok. Specifična brzina je izvedena tako da bude nezavisna od veličine turbine. S obzirom na uslove 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 osnovnim jednačinama mogu iskoristiti za pouzdano unapređivanje postojećih dizajna poznatih izvedbi na novi nivo s novim svojstava.

Osnovna konstrukcija turbina

Sve turbine se konstruktivno sastoje iz pokretnog dela koga strujanje fluida obrće − rotora (radnog kola) i nepokretnog dela − statora (kućišta) preko koga su vratilo i rotor uležišteni i koje omogućava konverziju strujne energije radnog fluida u mehanički rad.

Podela turbina

Radni fluid

Zavisno od vrste fluida koji se koristi kao radni medij, odnosno čime se proizvodi rotaciona sila, turbine se mogu podeliti na:

• hidraulične turbine (fluid je voda) - vodne
• vazdušne turbine (fluid je vazduh) - vazdušne
• parne turbine (fluid je vodena para) - parne
• gasne turbine (fluid je gas) - gasne

Namena

U zavisnosti od toga za šta se koristi mehanički rad, turbine se upotrebljavaju za sledeće svrhe

• mlinove za mlevenje
  • vodenice za mlevenje žita
  • vetrenjače za mlevenje žita i navodnjavanja
• razne mašine
• generatore za proizvodnju električne struje
  • generatori za proizvodnju jednosmerne struje
  • generatori za proizvodnju naizmenične struje

Literatura

• Grupa autora, Enciklopedija Britanika, Politika, Beograd, 2005.
• Grupa autora, Mala enciklopedija Prosveta, Prosveta, treće izdanje, Beograd, 1978.
• Grupa autora, Tehnička enciklopedijaZagreb, 1963 - 1997.
• Layton, Edwin T. "From Rule of Thumb to Scientific Engineering: James B. Francis and the Invention of the Francis Turbine," NLA Monograph Series. Stony Brook, NY: Research Foundation of the State University of New York, 1992.
• Bayar, Tildy (31. 7. 2014). „Global gas and steam turbine market to reach $43.5bn by 2020”. Power Engineering International. Arhivirano iz originala 30. 08. 2016. g. Pristupljeno 17. 03. 2021. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Bhadeshia, HKDH (2003). „Nickel Based Superalloys”. University of Cambridge. Arhivirano iz originala 25. 08. 2006. g. Pristupljeno 4. 9. 2008. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Bowie, David (2010). „Cruising Turbines of the Y-100 Naval Propulsion Machinery” (PDF). 
• Deckers, Matthias (leto 2003). „CFX Aids Design of World's Most Efficient Steam Turbine” (PDF). CFXUpdate (23). Arhivirano iz originala (PDF) 24. 10. 2005. g. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Giampaolo, Tony (2014). Gas Turbine Handbook Principles and Practices By Tony Giampaolo: Gas Turbine Handbook. Digital Designs. 
• Friedman, Norman (2004). U.S. Destroyers: An Illustrated Design History. Annapolis: Naval Institute Press. ISBN 978-1-55750-442-5. 
• Hassan, Ahmad Y (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo. 
• Keyser, Paul (1992). „A new look at Heron's Steam Engine”. Archive for History of Exact Sciences. 44 (2): 107—124. ISSN 0003-9519. doi:10.1007/BF00374742. 
• Latief, Fahamsyah H; Kakehi, Koji (2013). „Effects of Re content and crystallographic orientation on creep behavior of aluminized Ni-base single crystal superalloys”. Materials & Design. 49: 485—492. ISSN 0261-3069. doi:10.1016/j.matdes.2013.01.022. 
• Leyzerovich, Alexander S (1. 8. 2002). „New Benchmarks for Steam Turbine Efficiency”. Power Engineering. Arhivirano iz originala 18. 9. 2009. g. Pristupljeno 12. 9. 2010. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Leyzerovich, Alexander (2005). Wet-steam Turbines for Nuclear Power Plants. PennWell Books. ISBN 978-1-59370-032-4. 
• Moran, Michael J; Shapiro, Howard N; Boettner, Daisie D; Bailey, Margaret B (2010). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-49590-2. 
• Nag, PK (2002). Power Plant Engineering. Tata McGraw-Hill Education. ISBN 978-0-07-043599-5. 
• Parsons, Charles A (1911). The Steam Turbine. Cambridge University Press. 
• O'Connor, JJ; Robertson, EF (1999). „Heron of Alexandria”. The MacTutor History of Mathematics. 
• Sanders, William P (2004). Turbine Steam Path: Mechanical Design and Manufacture. III a. PennWell. 
• Stodola, A (2013) [1924]. Dampf- und Gasturbinen. Mit einem Anhang über die Aussichten der Wärmekraftmaschinen [Steam and Gas Turbines: With an appendix on the prospective use as heat engines] (Supplement to the 5th izd.). Springer-Verlag. ISBN 978-3-642-50854-7. 
• Stodola, Aurel (1927). Steam and Gas Turbines: With a Supplement on The Prospects of the Thermal Prime Mover. McGraw-Hill. 
• Stodola, Aurel; Loewenstein, Louis Centennial (1945). Steam and gas turbines: with a supplement on The prospects of the thermal prime mover. P Smith. 
• Streeter, Tony (2007). „Testing the Limit”. Steam Railway Magazine (336). 
• Tamarin, Y (2002). Protective Coatings for Turbine Blades. ASM International. ISBN 978-1-61503-070-5. 
• Whitaker, Jerry C (2006). AC Power Systems Handbook (Third izd.). Taylor & Francis. ISBN 978-0-8493-4034-5. 
• Cotton, KC (1998). Evaluating and Improving Steam Turbine Performance. Cotton Fact. 
• Johnston, Ian (2019). „The Rise of the Brown-Curtis Turbine”. Ur.: Jordan, John. Warship 2019. Oxford: Osprey Publishing. str. 58—68. ISBN 978-1-4728-3595-6. 
• Thurston, RH (1878). A History of the Growth of the Steam Engine. New York: D Appleton and Co. 
• Traupel, W (1977). Thermische Turbomaschinen (na jeziku: nemački). Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, New York. 
• Waliullah, Noushad (2017). „An overview of Concentrated Solar Power (CSP) technologies and its opportunities in Bangladesh”. 2017 International Conference on Electrical, Computer and Communication Engineering (ECCE). CUET. str. 844—849. ISBN 978-1-5090-5627-9. doi:10.1109/ECACE.2017.7913020. 

Spoljašnje veze

• Turbines