Turbiinit

Impulssi- ja reaktioturbiinit

Turbiinit toimivat kahdella eri tavalla, joita kuvataan nimillä impulssi- ja reaktioturbiinit – termejä, jotka usein kuvataan hyvin hämmentävästi (ja toisinaan täysin sekaisin), kun niitä yritetään selittää.Mitä eroa niillä on?

Impulssiturbiinit

Impulssiturbiinissa nopeasti liikkuvaa nestettä ammutaan kapean suuttimen läpi turbiinin lapoihin, jotta ne saadaan pyörimään. Impulssiturbiinin lavat ovat yleensä kauhanmuotoiset, joten ne ottavat nesteen kiinni ja ohjaavat sen pois kulmassa tai joskus jopa takaisin tulosuuntaan (koska näin saadaan tehokkain energiansiirto nesteestä turbiiniin). Sysäysturbiinissa neste pakotetaan iskemään turbiiniin suurella nopeudella.

Kuvittele, että yrität saada tällaisen pyörän kääntymään potkaisemalla jalkapalloja sen lapoihin. Pallojen on osuttava kovaa ja kimpoiltava hyvin takaisin, jotta pyörä saadaan pyörimään – ja nämä jatkuvat energiaimpulssit ovat avainasemassa pyörän toiminnassa. Energian säilymislaki kertoo, että energia, jonka pyörä saa joka kerta, kun pallo osuu siihen, on yhtä suuri kuin energia, jonka pallo menettää, joten pallot kulkevat hitaammin, kun ne kimpoavat takaisin. Myös Newtonin toisen liikelain mukaan pyörän saama vauhti pallon osuessa siihen on yhtä suuri kuin pallon itsensä menettämä vauhti; mitä pidempään pallo koskettaa pyörää ja mitä kovempaa (voimakkaammin) se osuu siihen, sitä enemmän vauhtia se siirtää.

Vesiturbiinit perustuvat usein impulssiturbiiniin (joskin jotkin toimivat myös reaktioturbiinien avulla). Ne ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, helppoja rakentaa ja halpoja ylläpitää, eikä vähiten siksi, että niitä ei tarvitse pitää putken tai kotelon sisällä (toisin kuin reaktioturbiineja).

Artwork: Peltonin vesipyörä on esimerkki impulssiturbiinista. Se pyörii, kun yksi tai useampi korkeapaineinen vesisuihku (sininen), jota ohjataan venttiilillä (vihreä), ampuu pyörän reunalla oleviin kauhoihin (punainen). Lester Peltonille myönnettiin patentti tästä ideasta vuonna 1889, josta tämä piirros on peräisin.Taideteos Yhdysvaltain patentista 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, courtesy of US Patent and Trademark Office.

Artwork: Tällainen impulssiturbiini toimii, kun tuleva neste osuu ämpäreihin ja kimpoaa takaisin. Kauhojen tarkka muoto ja se, miten neste osuu niihin, vaikuttaa suuresti siihen, kuinka paljon energiaa turbiini pystyy keräämään. Kauhat on myös suunniteltava siten, että suihkun vaikutus yhteen kauhaan ei vaikuta seuraavaan kauhaan.

Reaktioturbiinit

Reaktioturbiinissa lavat istuvat paljon suuremmassa nestetilavuudessa ja kääntyvät ympäri, kun neste virtaa niiden ohi. Reaktioturbiini ei muuta nesteen virtauksen suuntaa yhtä voimakkaasti kuin impulssiturbiini: se vain pyörii, kun neste työntyy sen lapojen läpi ja ohi.Tuulivoimalat ovat ehkä tunnetuimpia esimerkkejä reaktioturbiineista.

Kuva: Tyypillinen reaktioturbiini geotermisestä voimalaitoksesta.Vesi tai höyry virtaa kulmikkaiden lapojen ohi työntäen niitä ympäriinsä ja pyörittäen keskusakselia, johon ne on kiinnitetty. Akseli pyörittää generaattoria, joka tuottaa sähköä.Kuva: Henry Price, US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Kuva: Tällainen reaktioturbiini muistuttaa paljon enemmän potkuria. Tärkein ero on se, että turbiinissa on enemmän siipiä (olen piirtänyt yksinkertaisuuden vuoksi vain neljä siipeä) ja usein useita siipisarjoja (useita vaiheita), kuten näet tämän sivun yläosassa olevista höyry- ja kaasuturbiinien kuvista.

Jos impulssiturbiini on vähän kuin jalkapallojen potkimista, reaktioturbiini on enemmänkin kuin uintia takaperin.Anna kun selitän! Ajattele, miten harrastat vapaauintia (eturyömintää) vetämällä käsiäsi veden läpi, aloittaen kummallakin kädellä niin pitkälle eteen kuin pääset ja päättyen ”seurantaan”, joka heittää käsivarret taaksepäin. Yrität pitää kätesi ja kyynärvarresi mahdollisimman pitkään vettä vasten, jotta siirrät mahdollisimman paljon energiaa jokaisessa vedonlyönnissä. Reaktioturbiinissa käytetään samaa ajatusta päinvastoin: kuvittele, että nopeasti virtaava vesi liikkuu ohitsesi niin, että se saa kädet ja jalat liikkumaan ja syöttää energiaa kehoosi! Reaktioturbiinissa veden halutaan koskettavan siipiä tasaisesti ja mahdollisimman pitkään, jotta se luovuttaa mahdollisimman paljon energiaa. Vesi ei törmää lapoihin ja kimpoile niistä, kuten impulssiturbiinissa: sen sijaan lavat liikkuvat tasaisemmin, ”virran mukana”.

Turbiinit ottavat energiaa talteen vain siinä kohdassa, jossa neste koskettaa niitä, joten reaktioturbiini (jossa useampi lapa koskettaa nestettä samanaikaisesti) ottaa potentiaalisesti enemmän tehoa kuin samankokoinen impulssiturbiini (koska tavallisesti vain yksi tai kaksi sen lapaa on nesteen tiellä kerrallaan).

Reaktioturbiinityypit

Joitakin yleisiä reaktioturbiinien malleja ovat:

• Wells-tyyppi, joka muistuttaa pitkälti potkuria ja jossa on vaakasuoran akselin ympärillä pyörivät siipiprofiilin muotoiset lavat.
• Francis-tyyppi, jossa on tyypillisesti suuret V-kirjaimen muotoiset lavat, jotka pyörivät usein pystysuoran akselin ympärillä eräänlaisen jättimäisen spiraalimaisen lumikuoren sisällä. Francis-turbiini on ylivoimaisesti yleisin vesiturbiinityyppi; McCormick-, Kaplan- ja Deriaz-turbiinit ovat lähinnä alkuperäisen Francis-mallin parannuksia.
• Darrie-, jossa on pystysuoran akselin ympärillä pyörivät siivekkäät lavat.

Kaikilla on etunsa ja haittansa. Esimerkiksi Wells voi kääntyä hyvin nopeasti, mutta on myös meluisa ja suhteellisen tehoton. Francis on hiljaisempi ja tehokkaampi, ja se selviytyy hyvin mekaanisista rasituksista syvissä vesivoimapadoissa (padot, joissa on suuri vedenkorkeus), mutta se on myös hitaampi ja mekaanisesti monimutkaisempi. Ilmassa toimiessaan Darrieus-turbiinit ovat lähempänä maata (joten ne voivat luopua hankalasta tornista), mutta se tarkoittaa, että ne eivät ole yhtä tehokkaita hyödyntämään tuulta (joka puhaltaa nopeammin korkeammalla maanpinnan yläpuolella); yleisesti ottaen ne ovat tehottomampia ja epävakaampia kuin muut turbiinirakenteet (niitä on usein vakautettava köysillä), ja niitä käytetään tuskin kaupallisesti.

Ajattelemalla taaksepäin

Kuva: Turbiinit ja potkurit toimivat täsmälleen päinvastoin. Potkurit käyttävät energiaa saadakseen nesteen liikkeelle (ilmaa, jos kyseessä on lentokone, tai vettä, jos kyseessä on laiva tai sukellusvene); turbiinit valjastavat energiaa, kun liikkuva neste virtaa niiden ohi. Vasemmalla: Potkurin kuva: Tech. Sgt. Justin D. Pyle, US Air Force.

Kuva: Turbiinin lavat on muotoiltu samalla tavalla kuin potkurin lavat, mutta ne valmistetaan tyypillisesti korkean suorituskyvyn seoksista, koska niiden ohi virtaava neste voi olla hyvin kuumaa. Kuva turbiinin siivestä, joka on esillä Think Tankissa, tiedemuseossa Birminghamissa, Englannissa.

Olet ehkä huomannut, että tuuliturbiinit näyttävät aivan jättiläispotkureilta – ja se on toinen tapa ajatella turbiineja: takaperin toimivat potkurit. Lentokoneessa moottori pyörittää potkuria suurella nopeudella, potkuri synnyttää takaperin liikkuvan ilmavuodon, ja se työntää-kannustaa konetta eteenpäin. Potkurissa liikkuvat siivet liikuttavat ilmaa, turbiinissa ilma liikuttaa siipiä.

Turbiinit muistuttavat myös pumppuja ja kompressoreita. Pumpussa on pyörivä siipipyörä, joka imee vettä sisään yhden putken kautta ja heittää sen ulos toisesta putkesta, jotta vettä (tai muuta nestettä) voidaan siirtää paikasta toiseen. Jos otat vesipumpun erilleen, näet, että sisäinen siipipyörä (jota kutsutaan juoksupyöräksi) on hyvin samankaltainen kuin vesiturbiinin sisällä. Erona on se, että pumppu käyttää energiaa nesteen liikuttamiseen, kun taas turbiini ottaa energian irti liikkuvasta nesteestä.

Turbiinit toiminnassa

Yleisesti ottaen jaamme turbiinit neljään eri tyyppiin sen mukaan, minkä tyyppinen neste niitä liikuttaa: vesi, tuuli, höyry ja kaasu.Vaikka kaikki neljä tyyppiä toimivat pohjimmiltaan samalla tavalla – ne pyörivät pyörimällä nesteen liikkuessa niitä vasten – ne eroavat kuitenkin toisistaan, ja ne on suunniteltava hyvin eri tavoin. Esimerkiksi höyryturbiinit pyörivät uskomattoman nopeasti, koska höyryä tuotetaan korkeassa paineessa. Sähköä tuottavat tuuliturbiinit pyörivät suhteellisen hitaasti (lähinnä turvallisuussyistä), joten niiden on oltava valtavia, jotta ne voivat ottaa talteen suuria määriä energiaa. Kaasuturbiinit on valmistettava erityisen kestävistä seoksista, koska ne toimivat niin korkeissa lämpötiloissa. Vesiturbiinit ovat usein hyvin suuria, koska niiden on otettava energiaa koko joesta, joka on padotettu ja ohjattu virtaamaan niiden ohi. Ne voivat pyöriä suhteellisen hitaasti, koska vesi on raskasta ja kuljettaa paljon energiaa (suuren massansa vuoksi), vaikka se virtaa pienellä nopeudella.

Vesiturbiinit

Kuva: Jättimäinen Francis-reaktioturbiini (oranssi pyörä ylhäällä) lasketaan paikoilleen Grand Couleen padolla Washingtonin osavaltiossa Yhdysvalloissa. vesi virtaa kulmikkaiden lapojen ohi, työntää niitä ympäriinsä ja kääntää akselia, johon ne on kiinnitetty. Akseli pyörittää sähkögeneraattoria, joka tuottaa sähköä.Kuva: US Bureau of Reclamation.

Vesipyörät, jotka ovat peräisin yli 2000 vuoden takaa antiikin kreikkalaisten ajoilta, olivat alkuperäisiä vesiturbiineja. Nykyään samaa periaatetta käytetään sähkön tuottamiseen vesivoimalaitoksissa.Vesivoiman perusajatuksena on, että jokea padotetaan sen energian hyödyntämiseksi. Sen sijaan, että joki virtaisi vapaasti alaspäin kukkulalta tai vuorelta kohti merta, se johdetaan putoamaan korkeuden (jota kutsutaan vedenkorkeudeksi) läpi niin, että sen nopeus kasvaa (toisin sanoen sen potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi), minkä jälkeen se ohjataan putken (ns. penstock) kautta turbiinin ja generaattorin ohi. Vesivoima on käytännössä kolmivaiheinen energiamuunnos:

• Joen alkuperäinen potentiaalienergia (jota sillä on, koska se lähtee liikkeelle korkealta maasta) muuttuu liike-energiaksi, kun vesi putoaa korkeuden läpi.
• Liikkuvan veden liike-energia muutetaan mekaaniseksi energiaksi vesiturbiinissa.
• Pyörivä vesiturbiini pyörittää generaattoria, joka muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi.

Käytetään erilaisia vesiturbiinityyppejä sen mukaan, millainen on alueen maantieteellinen sijainti, kuinka paljon vettä on saatavilla (virtaus) ja kuinka pitkän matkan se saadaan putoamaan (vedenkorkeus).Joissakin vesivoimalaitoksissa käytetään ämpärimäisiä impulssiturbiineja (tyypillisesti Pelton-pyöriä), toisissa taas Francis-, Kaplan- tai Deriaz-reaktioturbiineja. Impulssivesiturbiinit (kuten Peltonin pyörä) voivat olla täysin avoimia ilmalle, joten joskus voi nähdä, kuinka vesisuihku osuu turbiiniin. Reaktiovesiturbiinien (kuten Francis-turbiinin) on sitä vastoin oltava täysin suljettuja kanavan tai kanavan sisällä, jonka läpi vesi virtaa. Kuten edellä mainittiin, impulssiturbiini ottaa energiaa talteen vain yhdestä ainoasta kohdasta, johon vesisuihku osuu, kun taas reaktioturbiini ottaa energiaa talteen koko pyörän alueelta kerralla.Tämän vuoksi reaktioturbiini vesivoimalaitoksessa voi tuottaa enemmän tehoa kuin samankokoinen impulssiturbiini.Tämä puolestaan selittää sen, miksi useimmissa nykyaikaisissa vesivoimalaitoksissa käytetään reaktioturbiineja: Peltonin vesiturbiini. Huomaa, että jokainen kauha on itse asiassa kaksi yhteen liitettyä kauhaa. vesisuihku osuu ”jakajaan” (paikkaan, jossa kauhat yhdistyvät keskellä), jolloin vesisuihku jakautuu kahdeksi suihkuksi, jotka poistuvat siististi kummaltakin puolelta. Kuva: Benjamin F. Pearson courtesy of Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Tuuliturbiinit

Sitä käsitellään paljon yksityiskohtaisemmin erillisessä artikkelissamme tuuliturbiinista.

Kuva: Tyypillinen tuuliturbiini Staffordshiressä, Englannissa.Torni on ~50m (~150ft) korkeudella maasta, koska tuuli liikkuu nopeammin, kun se on vapaana maanpäällisistä esteistä.Roottorin lavat ovat halkaisijaltaan ~15m (50ft) ja keräävät suurella pyyhkäisyllä jopa 225kW (kilowattia) energiaa.

Höyryturbiinit

Höyryturbiinit kehittyivät höyrykoneista, jotka muuttivat maailmaa 1800- ja 1800-luvuilla. Höyrykone polttaa hiiltä avotulella vapauttaakseen sen sisältämän lämmön. Lämpö käytetään veden kiehuttamiseen ja höyryn tuottamiseen, joka työntää mäntää sylinterissä ja antaa voimaa koneelle, kuten rautatieveturille. Tämä on melko tehotonta (se tuhlaa energiaa) monista eri syistä. Paljon parempi rakenne ottaa höyryn ja ohjaa sen turbiinin siipien ohi, jotka pyörivät ympäriinsä potkurin tavoin ja saavat koneen liikkeelle.

Höyryturbiinien edelläkävijä oli brittiläinen insinööri Charles Parsons (1854-1931), joka käytti niitä tunnetusti nopean Turbinia-nimisen moottoriveneen käyttövoimana vuonna 1889. Sittemmin niitä on käytetty monin eri tavoin. Lähes kaikki voimalaitokset tuottavat sähköä höyryturbiinien avulla. Hiilivoimalaitoksessa hiili poltetaan uunissa ja käytetään veden lämmittämiseen, jolloin syntyy höyryä, joka pyörittää sähkögeneraattoreihin kytkettyjä nopeatehoisia turbiineja. Ydinvoimalaitoksessa höyryä tuottava lämpö on peräisin atomireaktioista.

Toisin kuin vesi- ja tuuliturbiinissa, joissa yksi pyörivä turbiini on sijoitettu neste- tai kaasuvirtaan, höyryturbiineissa on kokonainen sarja turbiineja (kutakin kutsutaan vaiheeksi), jotka on sijoitettu peräkkäin käytännössä suljetun putken sisään. Kun höyry saapuu putkeen, se ohitetaan vuorotellen jokaisen vaiheen ohi siten, että yhä suurempi osa höyryn energiasta saadaan talteen. Jos olet koskaan katsellut vedenkeittimen kiehumista, tiedät, että höyry laajenee ja liikkuu hyvin nopeasti, jos se ohjataan suuttimen läpi. Tästä syystä höyryturbiinit pyörivät erittäin suurella nopeudella – monta kertaa nopeammin kuin tuuli- tai vesiturbiinit.

Lue lisää höyryturbiinien pääartikkelista.

Kuva: Korkean hyötysuhteen voimalaitosta varten valmistettu kaasuturbiinin prototyyppi. Kukin metallipyöristä on erillinen turbiinivaihe, joka on suunniteltu saamaan hieman enemmän energiaa suurnopeuskaasusta. Voit nähdä, kuinka suuri tämä turbiini on, kun katsot koneen keskellä istuvaa valkoisiin pukeutunutta pikkumiestä. Kuva otettu Morgantownissa sijaitsevassa kansallisessa energiatekniikan laboratoriossa Yhdysvaltain energiaministeriön luvalla.

Kaasuturbiinit

Lentokoneiden suihkumoottorit muistuttavat hiukan höyryturbiineja siinä mielessä, että niissä on useita vaiheita. Höyryn sijasta niitä pyörittää moottorin etuosasta imetyn ilman ja valtavien petroolimäärien (öljypohjaisen polttoaineen) poltosta syntyvien uskomattoman kuumien kaasujen seos. Hieman vähemmän tehokkaita kaasuturbiinimoottoreita käytetään myös nykyaikaisissa vetureissa ja teollisuuskoneissa.Katso lisätietoja suihkumoottoreita koskevasta artikkelistamme.