Turbíny

Impulsní a reakční turbíny

Turbíny pracují dvěma různými způsoby popisovanými jako impulsní a reakční – termíny, které jsou často velmi matoucí (a někdy zcela zmatené), když se je lidé snaží vysvětlit.Jaký je tedy mezi nimi rozdíl?

Impulzní turbíny

V impulzní turbíně je rychle se pohybující kapalina vystřelována úzkou tryskou na lopatky turbíny, aby se roztočily. Lopatky impulsní turbíny jsou obvykle ve tvaru vědra, takže zachycují kapalinu a směřují ji pod úhlem nebo někdy dokonce zpět, odkud přišla (protože tak dochází k nejúčinnějšímu přenosu energie z kapaliny do turbíny). V impulsní turbíně je kapalina nucena dopadat na turbínu vysokou rychlostí.

Představte si, že se snažíte takové kolo roztočit kopáním fotbalových míčů do jeho lopatek. Aby se kolo roztočilo, musely by míče tvrdě dopadnout a dobře se odrazit – a tyto konstantní energetické impulsy jsou klíčem k jeho fungování. Zákon zachování energie nám říká, že energie, kterou kolo získá při každém nárazu míče, se rovná energii, kterou míč ztratí – takže míče se při odrazu zpět budou pohybovat pomaleji. Také druhý Newtonův pohybový zákon nám říká, že hybnost, kterou kolo získá, když do něj kulička narazí, se rovná hybnosti, kterou kulička sama ztratí; čím déle se kulička dotýká kola a čím silněji (silněji) narazí, tím větší hybnost předá.

Vodní turbíny jsou často založeny na impulzní turbíně (i když některé pracují pomocí reakčních turbín). Mají jednoduchou konstrukci, snadno se staví a jsou levné na údržbu, mimo jiné i proto, že nemusí být umístěny v potrubí nebo krytu (na rozdíl od reakčních turbín).

Práce: Peltonovo vodní kolo je příkladem impulzní turbíny. Otáčí se tak, že jeden nebo více vysokotlakých vodních proudů (modrá barva), ovládaných ventilem (zelená barva), vystřeluje do věder po obvodu kola (červená barva). Lester Pelton získal na tento nápad v roce 1889 patent, z něhož pochází tato kresba. artwork from US Patent 409,865:

Obrázek: Vodní kolo Lestera Peltona, se svolením Úřadu pro patenty a ochranné známky USA: Impulsní turbína, jako je tato, pracuje tak, že přitékající kapalina narazí na vědra a opět se odrazí. Přesný tvar kbelíků a způsob, jakým na ně kapalina dopadá, má velký vliv na to, kolik energie dokáže turbína zachytit. Lopatky musí být také navrženy tak, aby působení proudu na jednu lopatku neovlivnilo další lopatku.

Reakční turbíny

V reakční turbíně se lopatky nacházejí v mnohem větším objemu kapaliny a otáčejí se, když kolem nich kapalina proudí. Reakční turbína nemění směr proudění tekutiny tak drasticky jako impulzní turbína: jednoduše se otáčí, když tekutina protlačuje její lopatky a míjí je. větrné turbíny jsou asi nejznámějším příkladem reakčních turbín.

Foto: Typická reakční turbína z geotermální elektrárny. voda nebo pára proudí kolem šikmých lopatek, tlačí je a otáčí centrální hřídelí, ke které jsou připojeny. Hřídel roztáčí generátor, který vyrábí elektřinu. foto: Henry Price s laskavým svolením amerického ministerstva energetiky/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Artwork: Taková reakční turbína se mnohem více podobá vrtuli. Hlavní rozdíl je v tom, že v turbíně je více lopatek (pro zjednodušení jsem nakreslil jen čtyři lopatky) a často více sad lopatek (více stupňů), jak můžete vidět na fotografiích parní a plynové turbíny v horní části této stránky.

Jestliže impulsní turbína je trochu jako kopání do fotbalových míčů, reakční turbína je spíše jako plavání v obráceném směru. dovolte mi to vysvětlit! Představte si, jak plavete volným stylem (čelní kraul) tak, že táhnete rukama po vodě, začínáte každou rukou co nejdále vpředu, kam dosáhnete, a končíte „následným záběrem“, který odhodí vaše paže za vás. Snažíte se udržet ruku a předloktí co nejdéle proti vodě, abyste při každém záběru předali co nejvíce energie. Reakční turbína využívá stejnou myšlenku v opačném gardu: představte si, že se kolem vás pohybuje rychle tekoucí voda, takže nutí vaše ruce a nohy k pohybu a dodává energii vašemu tělu! U reakční turbíny chcete, aby se voda dotýkala lopatek plynule a co nejdéle, aby odevzdala co nejvíce energie. Voda nenaráží na lopatky a neodráží se od nich, jako je tomu u impulzní turbíny: místo toho se lopatky pohybují plynuleji, „jdou s proudem“.

Turbíny zachycují energii pouze v místě, kde se jich kapalina dotýká, takže reakční turbína (s více lopatkami, které se dotýkají kapaliny současně) potenciálně získává více energie než impulzní turbína stejné velikosti (protože obvykle je v dráze kapaliny v daném okamžiku pouze jedna nebo dvě její lopatky).

Typy reakčních turbín

Několik běžných konstrukcí reakčních turbín je:

• Wellsova – vypadá podobně jako vrtule, s lopatkami ve tvaru vzduchového listu otáčejícími se kolem vodorovné osy.
• Francisova – typicky s velkými lopatkami ve tvaru písmene V, které se často otáčejí kolem svislé osy uvnitř jakési obří spirálové šnečí ulity. Francisova turbína je zdaleka nejrozšířenějším typem vodní turbíny; McCormickovy, Kaplanovy a Deriazovy turbíny jsou v podstatě vylepšením původní Francisovy konstrukce.
• Darrieova- s lopatkami ve tvaru písmene V otáčejícími se kolem svislé osy.

Všechny mají své výhody i nevýhody. Například Wells se může otáčet velmi rychle, ale je také hlučný a relativně neefektivní. Francisův je tišší a účinnější a velmi dobře se vyrovnává s mechanickým namáháním uvnitř hlubokých vodních přehrad (těch s vysokou „hladinou“ vody), ale je také pomalejší a mechanicky složitější. Při provozu ve vzduchu jsou Darrieovy turbíny blíže k zemi (takže se mohou obejít bez těžkopádné věže), ale to znamená, že jsou méně účinné při využívání větru (který fouká rychleji výše nad zemí); obecně jsou méně účinné a nestabilnější než jiné konstrukce turbín (často se musí stabilizovat pomocí lan) a komerčně se téměř nepoužívají.

Myšlení pozpátku

Fotografie: Turbíny a vrtule pracují přesně opačným způsobem. Vrtule využívají energii k rozpohybování tekutiny (vzduchu v případě letadla nebo vody v případě lodi nebo ponorky); turbíny využívají energii, když kolem nich proudí pohybující se tekutina. Vlevo: Fotografie vrtule od Tech. Sgt. Justin D. Pyle s laskavým svolením US Air Force.

Fotografie: Lopatky turbíny mají podobný tvar jako lopatky vrtule, ale obvykle se vyrábějí z vysoce výkonných slitin, protože tekutina, která kolem nich proudí, může být velmi horká. Fotografie lopatky turbíny vystavené ve vědeckém muzeu Think Tank v anglickém Birminghamu.

Možná jste si všimli, že větrné turbíny vypadají stejně jako obří vrtule – a to je další způsob, jak si turbíny představit: vrtule pracující v opačném směru. V letadle motor otáčí vrtulí vysokou rychlostí, vrtule vytváří zpětný tah vzduchu a ten tlačí letadlo dopředu. U vrtule pohání pohybující se lopatky vzduch, u turbíny pohání vzduch lopatky.

Turbíny jsou také podobné čerpadlům a kompresorům. V čerpadle máte otáčející se lopatkové kolo, které nasává vodu jedním potrubím a vypouští ji druhým, takže můžete vodu (nebo jinou kapalinu) přemístit z jednoho místa na druhé. Když rozeberete vodní čerpadlo, uvidíte, že vnitřní lopatkové kolo (které se nazývá oběžné kolo) je velmi podobné tomu, co najdete uvnitř vodní turbíny. Rozdíl je v tom, že čerpadlo využívá energii k pohybu kapaliny, zatímco turbína zachycuje energii z pohybující se kapaliny.

Turbíny v akci

Všeobecně řečeno, turbíny dělíme na čtyři druhy podle typu kapaliny, která je pohání: vodní, větrné, parní a plynové.Ačkoli všechny čtyři typy pracují v podstatě stejným způsobem – otáčejí se, když se kapalina pohybuje proti nim – jsou jemně odlišné a musí být konstruovány velmi odlišným způsobem. Například parní turbíny se otáčejí neuvěřitelně rychle, protože pára se vyrábí pod vysokým tlakem. Větrné turbíny, které vyrábějí elektřinu, se otáčejí relativně pomalu (hlavně z bezpečnostních důvodů), takže musí být obrovské, aby zachytily dostatečné množství energie. Plynové turbíny musí být vyrobeny ze speciálních odolných slitin, protože pracují při tak vysokých teplotách. Vodní turbíny jsou často velmi velké, protože musí získávat energii z celé řeky, která je přehrazena a odkloněna tak, aby tekla kolem nich. Mohou se otáčet relativně pomalu, protože vodaje těžká a nese hodně energie (kvůli své velké hmotnosti), i když proudí malou rychlostí.

Vodní turbíny

Foto: Obří Francisova reakční turbína (oranžové kolo nahoře) je spouštěna na místo na přehradě Grand Coulee ve státě Washington, USA. voda proudí kolem šikmých lopatek, tlačí je a otáčí hřídelí, ke které jsou připevněny. Hřídel roztáčí generátor elektřiny, který vyrábí elektrickou energii. foto: s laskavým svolením amerického úřadu pro rekultivaci.

Vodní kola, jejichž historie sahá přes 2000 let do dob starých Řeků, byla původními vodními turbínami. Dnes se stejný princip používá k výrobě elektřiny ve vodních elektrárnách. základní myšlenka vodní energie spočívá v tom, že přehradíte řeku, abyste využili její energii. Namísto toho, aby řeka volně tekla z kopce nebo hory směrem k moři, necháte ji padat přes výšku (nazývanou vzdutí), aby nabrala rychlost (jinými slovy, aby se její potenciální energie přeměnila na kinetickou), a pak ji vedete potrubím zvaným penstock kolem turbíny a generátoru. Vodní energie je vlastně třístupňová přeměna energie:

• Původní potenciální energie řeky (kterou má, protože začíná z výšky) se mění na kinetickou energii, když voda padá přes výšku.
• Kinetická energie v pohybující se vodě se mění na mechanickou energii pomocí vodní turbíny.
• Rotící vodní turbína pohání generátor, který mění mechanickou energii na elektrickou.

Různé druhy vodních turbín se používají v závislosti nageografii oblasti, na tom, kolik vody je k dispozici (průtok), a na vzdálenosti, na kterou může spadnout (spád). některé vodní elektrárny používají impulzní turbíny ve tvaru vědra (typicky Peltonova kola), jiné používají Francisovy, Kaplanovy nebo Deriazovy reakční turbíny. Impulsní vodní turbíny (jako Peltonovo kolo) mohou být zcela otevřené vzduchu, takže někdy je skutečně vidět, jak proud vody dopadá na turbínu. Naproti tomu reakční vodní turbíny (jako Francisova turbína) musí být zcela uzavřeny uvnitř kanálu nebo průchodu, kterým voda protéká. Jak bylo uvedeno výše, zatímco impulzní turbína zachycuje energii pouze v jediném bodě, kde na ni dopadá vodní proud, reakční turbína zachycuje energii v celém kole najednou – což je důvod, proč reakční turbína ve vodní elektrárně může vyrábět více energie než impulzní turbína stejné velikosti. to zase vysvětluje, proč většina moderních vodních elektráren používá reakční turbíny.

Foto: Mgr: Peltonova vodní turbína. Všimněte si, že každé vědro jsou ve skutečnosti dvě vědra spojená dohromady. proud vody narazí na „rozdělovač“ (místo, kde se vědra uprostřed spojují) a rozdělí se na dva proudy, které čistě vycházejí na obou stranách. Foto: Benjamin F. Pearson s laskavým svolením Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Větrné turbíny

Těmi se mnohem podrobněji zabýváme v našem samostatném článku o větrných turbínách.

Foto: Benjamin F. Pearson: Typická větrná turbína v hrabství Staffordshire v Anglii.Věž je ve výšce ~50 m nad zemí, protože vítr se pohybuje rychleji, když je bez překážek na zemi.Lopatky rotoru mají průměr ~15 m a s velkým rozsahem zachytí až 225 kW (kilowattů) energie.

Parní turbíny

Parní turbíny se vyvinuly z parních strojů, které změnily svět v 18. a 19. století. Parní stroj spaluje uhlí na otevřeném ohni a uvolňuje teplo, které obsahuje. Teplo se využívá k vaření vody a výrobě páry, která tlačí píst ve válci a pohání stroj, například železniční lokomotivu. To je z celé řady důvodů poměrně neefektivní (plýtvá energií). Mnohem lepší konstrukce přebírá páru a vede ji kolem lopatek turbíny, která se otáčí jako vrtule a pohání stroj za jízdy.

Průkopníkem parních turbín byl britský inženýr Charles Parsons(1854-1931), který je v roce 1889 použil k pohonu slavného rychlého motorového člunu nazvaného Turbinia. Od té doby byly využívány mnoha různými způsoby. Prakticky všechny elektrárny vyrábějí elektřinu pomocí parních turbín. V uhelných elektrárnách se uhlí spaluje v peci a používá se k ohřevu vody na páru, která roztáčí vysokorychlostní turbíny napojené na generátory elektřiny. V jaderné elektrárně pochází teplo, z něhož se vyrábí pára, z atomových reakcí.

Na rozdíl od vodních a větrných turbín, které mají v proudu kapaliny nebo plynu jedinou rotující turbínu, mají parní turbíny celou řadu turbín (z nichž každá je známá jako stupeň) uspořádaných za sebou uvnitř vlastně uzavřeného potrubí. Jak pára vstupuje do potrubí, je postupně vedena kolem každého stupně, aby se postupně získalo více její energie. Pokud jste někdy sledovali vařící konvici, víte, že pára se rozpíná a pohybuje velmi rychle, pokud je vedena tryskou. Z tohoto důvodu se parní turbíny otáčejí velmi vysokou rychlostí – mnohokrát rychleji než větrné nebo vodní turbíny.

Přečtěte si více v hlavním článku o parních turbínách.

Foto: Prototyp plynové turbíny vyrobené pro elektrárnu s vysokou účinností. Každé z kovových kol je samostatný stupeň turbíny určený k získání o něco více energie z vysokootáčkového plynu. Jak velká je tato turbína, poznáte při pohledu na mužíčka v bílém oblečení, který sedí uprostřed stroje. Fotografie pořízená v Národní laboratoři energetických technologií v Morgantownu s laskavým svolením amerického ministerstva energetiky.

Plynové turbíny

Letadlové proudové motory jsou trochu podobné parním turbínám, protože mají více stupňů. Místo páry jsou poháněny směsí vzduchu nasávaného v přední části motoru a neuvěřitelně horkých plynů, které vznikají spalováním obrovského množství petroleje (paliva na bázi ropy). Poněkud méně výkonné plynové turbínové motory se používají také v moderních železničních lokomotivách a průmyslových strojích.

Podrobnější informace najdete v našem článku o proudových motorech.