Turbiner

Impuls- og reaktionsturbiner

Turbiner fungerer på to forskellige måder, der beskrives som impuls- og reaktionsturbiner – begreber, som ofte er meget forvirrende (og nogle gange helt forvirrende), når folk forsøger at forklare dem.Så hvad er forskellen?

Impulsturbiner

I en impulsturbine skydes en hurtigt bevægende væske gennem en smal dyse mod turbinebladene for at få dem til at dreje rundt. Bladene i en impulsturbine er normalt spandformede, så de fanger væsken og leder den afsted i en vinkel eller nogle gange endda tilbage i den retning, den kom (fordi det giver den mest effektive overførsel af energi fra væsken til turbinen). I en impulsturbine tvinges væsken til at ramme turbinen med høj hastighed.

Forestil dig, at du forsøger at få et hjul som dette til at dreje rundt ved at sparke fodbolde ind i dets pagajer. Boldene skal ramme hårdt og hoppe godt tilbage for at få hjulet til at dreje rundt – og disse konstante energiimpulser er nøglen til, hvordan det fungerer. Loven om energiens bevarelse fortæller os, at den energi, som hjulet får, hver gang en bold rammer det, er lig med den energi, som bolden mister – så boldene vil bevæge sig langsommere, når de hopper tilbage. Desuden fortæller Newtons anden bevægelseslov os, at den impuls, som hjulet får, når en bold rammer det, er lig med den impuls, som bolden selv mister; jo længere tid en bold rører hjulet, og jo hårdere (kraftigere) den rammer det, jo mere impuls vil den overføre.

Vandturbiner er ofte baseret på en impulsturbine (selv om nogle arbejder med reaktionsturbiner). De er enkle i deres konstruktion, nemme at bygge og billige at vedligeholde, ikke mindst fordi de ikke behøver at være indkapslet i et rør eller et hus (i modsætning til reaktionsturbiner).

Artwork: Et Pelton-vandhjul er et eksempel på en impulsturbine. Det drejer rundt, mens en eller flere højtryksvandstråler (blå), der styres af en ventil (grøn), skydes ind i spandene rundt om kanten af hjulet (rød). Lester Pelton fik patent på denne idé i 1889, som denne tegning er taget fra. Artwork fra US Patent 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, venligst udlånt af US Patent and Trademark Office.

Artwork: En impulsturbine som denne fungerer, når den indkommende væske rammer spandene og hopper tilbage igen. Den nøjagtige form på spandene, og hvordan væsken rammer dem, gør en stor forskel for, hvor meget energi turbinen kan opsamle. Spandene skal også være udformet således, at strålens påvirkning af den ene spand ikke påvirker den næste spand.

Reaktionsturbiner

I en reaktionsturbine sidder bladene i et meget større volumen af væske og drejer rundt, når væsken strømmer forbi dem. En reaktionsturbine ændrer ikke retningen af væskestrømmen så drastisk som en impulsturbine: den drejer blot rundt, mens væsken skubber gennem og forbi vingerne.Vindmøller er måske de mest kendte eksempler på reaktionsturbiner.

Foto:

Foto: En typisk reaktionsturbine fra et geotermisk kraftværk. vand eller damp strømmer forbi de vinklede vinger, skubber dem rundt og drejer den centrale aksel, som de er fastgjort til. Akslen drejer en generator, der producerer elektricitet.Foto af Henry Price, venligst udlånt af US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Artwork: En reaktionsturbine som denne minder meget mere om en propel. Den væsentligste forskel er, at der er flere skovle i en turbine (jeg har bare tegnet fire blade for enkelhedens skyld) og ofte flere sæt skovle (flere trin), som du kan se på billederne af damp- og gasturbinerne øverst på denne side.

Hvis en impulsturbine er lidt ligesom at sparke fodbolde, er en reaktionsturbine mere som at svømme baglæns.Lad mig forklare! Tænk på, hvordan du laver fritsvømning (frontcrawl) ved at trække armene gennem vandet, idet du starter med hver hånd så langt foran som muligt og slutter med en “follow through”, der kaster dit armtag bag dig. Det, du forsøger at opnå, er at holde din hånd og underarm presset mod vandet så længe som muligt, så du overfører så meget energi som muligt i hvert slag. En reaktionsturbine bruger den samme idé omvendt: Forestil dig, at hurtigt strømmende vand bevæger sig forbi dig, så det får dine arme og ben til at bevæge sig og tilfører energi til din krop! Med en reaktionsturbine ønsker du, at vandet skal berøre bladene jævnt og så længe som muligt, så det afgiver så meget energi som muligt. Vandet rammer ikke bladene og preller af, som det gør i en impulsturbine: i stedet bevæger bladene sig mere jævnt og “følger med strømmen”.

Turbiner opfanger kun energi på det sted, hvor en væske berører dem, så en reaktionsturbine (med flere blade, der alle berører væsken på samme tid) kan potentielt udvinde mere energi end en impulsturbine af samme størrelse (fordi det normalt kun er et eller to af bladene, der er på væskens vej på samme tid).

Typer af reaktionsturbiner

Nogle almindelige udformninger af reaktionsturbiner er:

• Wells – som ligner meget en propel med flyvepladeformede blade, der drejer rundt om en vandret akse.
• Francis – typisk med store V-formede blade, der ofte drejer rundt om en lodret akse inde i en slags gigantisk, spiralformet sneglehus. Francis-typen er langt den mest almindelige type vandturbine; McCormick-, Kaplan- og Deriaz-turbiner er i det væsentlige forbedringer af det oprindelige Francis-design.
• Darrieus-med vingeformede vinger, der drejer rundt om en lodret akse.

Alle har deres fordele og ulemper. Wells kan f.eks. dreje meget hurtigt, men den er også støjende og relativt ineffektiv. Francis-skiven er mere støjsvag og effektiv og er meget god til at klare de mekaniske belastninger i dybe hydroelektriske dæmninger (dæmninger med store “opstemninger” af vand), men den er også langsommere og mekanisk mere kompleks. Når de opererer i luften, er Darrieus-møller tættere på jorden (så de kan slippe for et besværligt tårn), men det betyder, at de er mindre effektive til at udnytte vinden (som blæser hurtigere højere oppe over jorden); generelt er de mindre effektive og mere ustabile end andre mølledesigns (de skal ofte fastgøres med spændetove) og anvendes næsten ikke kommercielt.

Tænker baglæns

Foto: Turbiner og propeller fungerer på præcis modsatte måder. Propeller bruger energi til at få en væske til at bevæge sig (luft, i et fly, eller vand, i et skib eller en ubåd); turbiner udnytter energi, når en væske i bevægelse strømmer forbi dem. Til venstre: Propellerfoto af Tech. Sgt. Justin D. Pyle med tilladelse fra US Air Force.

Foto: Turbinebladene er formet på samme måde som propelbladene, men er typisk fremstillet af højtydende legeringer, fordi den væske, der strømmer forbi dem, kan være meget varm. Foto af et turbineblad udstillet på Think Tank, videnskabsmuseet i Birmingham, England.

Du har måske lagt mærke til, at vindmøller ligner kæmpepropeller – og det er en anden måde at tænke på turbiner på: Aspropeller, der arbejder i omvendt retning. I et fly drejer motoren propellen rundt med høj hastighed, og propellen skaber et bagudrettet lufttræk, og det er det, der skubber flyet fremad. Med en propel er det de bevægelige blade, der driver luften; med en turbine er det luften, der driver bladene.

Turbiner ligner også pumper og kompressorer. I en pumpe har man et roterende skovlhjul, der suger vand ind gennem et rør og kaster det ud gennem et andet, så man kan flytte vand (eller en anden væske) fra et sted til et andet. Hvis man skiller en vandpumpe ad, kan man se, at det indre skovlhjul (som kaldes en impeller) minder meget om det, man finder i en vandturbine. Forskellen er, at en pumpe bruger energi til at få en væske til at bevæge sig, mens en turbine opfanger energien fra en flydende væske i bevægelse.

Turbiner i aktion

Gennemsnitligt set opdeler vi turbiner i fire typer efter den type væske, der driver dem: vand, vind, damp og gas.Selv om alle fire typer fungerer på stort set samme måde – de drejer rundt, når væsken bevæger sig imod dem – er de subtilt forskellige og skal konstrueres på meget forskellige måder. Dampturbiner drejer f.eks. utroligt hurtigt, fordi dampen produceres under højt tryk. Vindmøller, der producerer elektricitet, drejer relativt langsomt (hovedsagelig af sikkerhedshensyn), så de skal være enorme for at opsamle store mængder energi. Gasturbiner skal være fremstillet af særligt modstandsdygtige legeringer, fordi de arbejder ved så høje temperaturer. Vandturbiner er ofte meget store, fordi de skal udvinde energi fra en hel flod, der er inddæmmet og omledt, så den kan flyde forbi dem. De kan dreje relativt langsomt, fordi vandet er tungt og bærer meget energi (på grund af sin store masse), selv når det flyder med lav hastighed.

Vandturbiner

Foto: En gigantisk Francis-reaktionsturbine (det orange hjul øverst) bliver sænket ned på plads ved Grand Coulee Dam i staten Washington, USA. vandet strømmer forbi de vinklede vinger, skubber dem rundt og drejer den aksel, som de er fastgjort til. Akslen drejer en elgenerator, der producerer strøm.Foto med venlig hilsen fra US Bureau of Reclamation.

Vandhjul, som går over 2000 år tilbage til de gamle grækere, var de oprindelige vandturbiner. I dag bruges det samme princip til at lave elektricitet i vandkraftværker.Den grundlæggende idé med vandkraft er, at man dæmmer en flod op for at udnytte dens energi. I stedet for at floden løber frit ned ad bakke fra sit udspring i et bjerg eller bjerg mod havet, får man den til at falde ned gennem en højde (kaldet et fald), så den får højere hastighed (med andre ord, så dens potentielle energi omdannes til kinetisk energi), hvorefter den ledes gennem et rør, der kaldes en slange, forbi en turbine og en generator. Vandkraft er i realiteten en energikonvertering i tre trin:

• Flodens oprindelige potentielle energi (som den har, fordi den starter fra et højtliggende sted) omdannes til kinetisk energi, når vandet falder gennem en højde.
• Den kinetiske energi i det bevægelige vand omdannes til mekanisk energi af en vandturbine.
• Den snurrende vandturbine driver en generator, der omdanner den mekaniske energi til elektrisk energi.

Der anvendes forskellige typer vandturbiner afhængigt af områdetsgeografi, hvor meget vand der er til rådighed (strømmen) og den afstand, som vandet kan falde over (faldhøjden).Nogle vandkraftværker anvender spandlignende impulsturbiner (typisk Peltonhjul), mens andre anvender Francis-, Kaplan- eller Deriaz-reaktionsturbiner. Impulsvandturbiner (som Peltonhjulet) kan være helt åbne for luft – så nogle gange kan man faktisk se vandstrålen ramme turbinen. Reaktionsvandturbiner (som f.eks. Francis-turbinen) skal derimod være fuldstændig lukket inde i den kanal eller passage, som vandet strømmer igennem. Som nævnt ovenfor opfanger en impulsturbine kun energi på det enkelte punkt, hvor vandstrålen rammer den, mens en reaktionsturbine opfanger energi i hele hjulet på én gang – hvilket er grunden til, at en reaktionsturbine i et vandkraftværk kan producere mere strøm end en impulsturbine af samme størrelse.Det forklarer igen, hvorfor de fleste moderne vandkraftværker anvender reaktionsturbiner.

Foto: En Pelton-vandturbine. Bemærk, hvordan hver spand i virkeligheden er to spande, der er sat sammen. vandstrålen rammer “splitteren” (det sted, hvor spandene samles på midten), og deler den i to stråler, der kommer rent ud på hver side. Foto af Benjamin F. Pearson, venligst udlånt af Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Vindmøller

Disse er dækket meget mere detaljeret i vores separate artikel omvindmøller.

Foto: En typisk vindmølle i Staffordshire, England.Tårnet er ~50m (~150ft) over jorden, fordi vinden bevæger sig hurtigere, når den er fri for forhindringer i jordhøjde.Rotorbladene er ~15m (50ft) i diameter og kan med et stort sving opsamle op til 225kW (kilowatt) energi.

Dampmøller

Dampmøller er udviklet fra dampmaskinerne, der ændrede verden i det 18. og 19. århundrede. En dampmaskine brænder kul på et åbent bål for at frigøre den varme, som det indeholder. Varmen bruges til at koge vand og lave damp, som skubber et stempel i en cylinder for at drive en maskine som f.eks. et lokomotiv. Dette er ret ineffektivt (det er spild af energi) af en lang række forskellige årsager. En meget bedre konstruktion tager dampen og leder den forbi bladene i en turbine, som drejer rundt som en propel og driver maskinen i gang.

Dampturbiner blev udviklet af den britiske ingeniør Charles Parsons (1854-1931), som brugte dem til at drive en berømt hurtig motorbåd, kaldet Turbinia, i 1889. Siden da er de blevet brugt på mange forskellige måder. Stort set alle kraftværker producerer elektricitet ved hjælp af dampturbiner. I et kulfyret værk brændes kul i en ovn og bruges til at opvarme vand til at lave damp, som driver højhastighedsturbiner, der er forbundet til elgeneratorer. I et atomkraftværk kommer den varme, der danner dampen, fra atomreaktioner.

I modsætning til vand- og vindturbiner, som placerer en enkelt roterende turbine i en strøm af væske eller gas, har dampturbiner en hel serie af turbiner (hver af dem er kendt som et trin), der er anbragt i en rækkefølge inden i et reelt lukket rør. Efterhånden som dampen kommer ind i røret, ledes den forbi hvert trin på skift, så der gradvist udvindes mere af dens energi. Hvis du nogensinde har set en kedel koge, vil du vide, at damp udvider sig og bevæger sig meget hurtigt, hvis den ledes gennem en dyse. Af den grund drejer dampturbiner med meget høj hastighed – mange gange hurtigere end vind- eller vandturbiner.

Læs mere i i hovedartiklen om dampturbiner.

Foto: En prototype af en gasturbine fremstillet til et højeffektivt kraftværk. Hvert af metalhjulene er et separat turbinetrin, der er designet til at udvinde lidt mere energi fra en gas med høj hastighed. Man kan se, hvor stor denne turbine er, ved at se på den lille hvidklædte mand, der sidder på midten af maskinen. Foto taget på National Energy Technology Laboratory, Morgantown, med tilladelse fra det amerikanske energiministerium.

Gasturbiner

Flyets jetmotorer er lidt ligesom dampturbiner, idet de har flere trin. I stedet for damp drives de af en blanding af den luft, der suges ind foran i motoren, og de utroligt varme gasser, der dannes ved afbrænding af store mængder kerosin(petroleumbaseret brændstof). Lidt mindre kraftige gasturbinemotorer anvendes også i moderne lokomotiver og industrimaskiner.Se vores artikel om jetmotorer for flere detaljer.