Turbinák

Impulzus és reakció turbinák

A turbinák két különböző módon működnek, amelyeket impulzus és reakció kifejezésekként írnak le, és amelyeket gyakran nagyon zavarosan írnak le (és néha teljesen összekeverik), amikor az emberek megpróbálják elmagyarázni őket.Tehát mi a különbség?

Impulzusturbinák

Az impulzusturbinában egy szűk fúvókán keresztül gyorsan mozgó folyadékot lőnek a turbinalapátokra, hogy azok megpörögjenek. Az impulzusturbinák lapátjai általában vödör alakúak, így felfogják a folyadékot, és ferde szögben vagy néha vissza is irányítják azt a kiindulási irányba (mivel ez biztosítja a leghatékonyabb energiaátvitelt a folyadékból a turbinába). Az impulzusturbinában a folyadékot arra kényszerítik, hogy nagy sebességgel csapódjon a turbinába.

Képzeljük el, hogy egy ilyen kereket úgy próbálunk megfordítani, hogy focilabdákat rúgunk a lapátjaiba. A labdáknak keményen kell eltalálniuk és jól vissza kell pattanniuk, hogy a kerék megpördüljön – és ezek az állandó energiaimpulzusok a működésének kulcsa. Az energia megmaradásának törvénye azt mondja, hogy az energia, amit a kerék nyer, minden egyes alkalommal, amikor egy labda nekiütközik, megegyezik azzal az energiával, amit a labda veszít – tehát a labdák lassabban fognak haladni, amikor visszapattannak. Newton második mozgástörvénye is azt mondja, hogy a lendület, amelyet a kerék nyer, amikor egy labda nekiütközik, egyenlő azzal a lendülettel, amelyet maga a labda veszít; minél tovább érinti a labda a kereket, és minél erősebben (erősebben) ütközik, annál nagyobb lendületet ad át.

A vízturbinák gyakran impulzusturbinára épülnek (bár egyesek reakcióturbinával is működnek). Egyszerű felépítésűek, könnyen megépíthetőek és olcsón karbantarthatóak, nem utolsósorban azért, mert nem kell csőbe vagy házba zárni őket (ellentétben a reakcióturbinákkal).

Az alkotás: A Pelton vízkerék egy példa az impulzusturbinára. Úgy forog, hogy egy vagy több nagynyomású vízsugár (kék), amelyet egy szelep (zöld) vezérel, a kerék pereme körüli vödrökbe (piros) tüzel. Lester Pelton 1889-ben szabadalmat kapott erre az ötletre, amelyből ez a rajz származik.A rajz a 409,865 US szabadalomból származik: Water Wheel by Lester Pelton, az Amerikai Szabadalmi és Védjegyhivatal jóvoltából.

Műalkotás: Egy ilyen impulzusturbina akkor működik, amikor a beérkező folyadék a vödrökbe ütközik, majd újra visszapattan. A vödrök pontos alakja és az, hogy a folyadék hogyan csapódik hozzájuk, nagyban befolyásolja, hogy a turbina mennyi energiát képes felfogni. A vödröket úgy kell megtervezni, hogy a sugár hatása az egyik vödörre ne érintse a következő vödröt.

Reakciós turbinák

A reakciós turbinában a lapátok sokkal nagyobb térfogatú folyadékban ülnek, és megfordulnak, ahogy a folyadék elhalad mellettük. A reakcióturbina nem változtatja meg a folyadékáramlás irányát olyan drasztikusan, mint az impulzusturbina: egyszerűen csak forog, ahogy a folyadék át- és elhalad a lapátjai mellett.A szélturbinák talán a legismertebb példái a reakcióturbináknak.

Fotó: Víz vagy gőz áramlik el a ferde lapátok mellett, körbetolja azokat, és forgatja a központi tengelyt, amelyhez a lapátok csatlakoznak. A tengely egy generátort forgat, amely áramot termel.A fotót Henry Price készítette a US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL) jóvoltából.

Az alkotás: Egy ilyen reakcióturbina sokkal inkább hasonlít egy propellerre. A fő különbség az, hogy egy turbinában több lapát van (én az egyszerűség kedvéért csak négy lapátot rajzoltam), és gyakran több lapátkészlet (több fokozat), ahogyan azt az oldal tetején lévő gőz- és gázturbinákról készült fotókon is láthatod.

Ha egy impulzusturbina kicsit olyan, mintha focilabdákat rúgnánk, akkor egy reakcióturbina inkább olyan, mintha úsznánk hátrafelé.Hadd magyarázzam el! Gondolj arra, ahogyan a freestyle-t (elöl kúszás) úgy csinálod, hogy a karjaidat végighúzod a vízen, mindkét kezeddel olyan messzire kezded elölről, amennyire csak el tudod érni, és egy “követéssel” fejezed be, ami a karodat hátra dobja. Azt próbálod elérni, hogy a kezed és az alkarod a lehető leghosszabb ideig nyomja a vizet, így minden egyes úszásnál a lehető legtöbb energiát adod át. A reakcióturbina ugyanezt az ötletet fordítva használja: képzeld el, hogy a gyorsan áramló víz elmegy melletted, így megmozgatja a karodat és a lábadat, és energiát ad a testednek! A reakcióturbinánál azt akarod, hogy a víz simán érintse a lapátokat, ameddig csak lehet,így a lehető legtöbb energiát adja le. A víz nem ütközik a lapátoknak és nem pattog le róluk, mint az impulzusturbinánál: ehelyett a lapátok egyenletesebben mozognak, “az áramlással együtt haladnak.”

A turbinák csak azon a ponton veszik fel az energiát, ahol a folyadék megérinti őket, így egy reakcióturbina (amelynek több lapátja egyszerre érinti a folyadékot) potenciálisan több energiát nyer ki, mint egy ugyanolyan méretű impulzusturbina (mivel általában csak egy vagy két lapátja van egyszerre a folyadék útjában).

Reakcióturbinák típusai

A reakcióturbinák néhány gyakori típusa:

• Wells – amely nagyjából úgy néz ki, mint egy propeller, vízszintes tengely körül forgó szárnyas lapátokkal.
• Francis – jellemzően nagy, V alakú lapátokkal, amelyek gyakran függőleges tengely körül forognak egyfajta óriási, spirális csigaház belsejében. A Francis messze a legelterjedtebb vízturbina-típus; a McCormick-, Kaplan- és Deriaz-turbinák lényegében az eredeti Francis-konstrukció továbbfejlesztései.
• Darrieus- függőleges tengely körül forgó szárnyas lapátokkal.

Mindegyiknek megvannak az előnyei és hátrányai. A Wells például nagyon gyorsan tud forogni, de zajos és viszonylag gazdaságtalan is. A Francis csendesebb és hatékonyabb, és nagyon jól megbirkózik a mély vízerőművekben (a nagy “vízmagasságú” gátaknál) fellépő mechanikai igénybevételekkel, de lassabb és mechanikailag bonyolultabb is. Amikor a levegőben működnek, a Darrieus-turbinák közelebb vannak a talajhoz (így nélkülözhetik a nehézkes tornyot), de ez azt jelenti, hogy kevésbé hatékonyan használják ki a szelet (amely a talaj felett gyorsabban fúj); általában kevésbé hatékonyak és instabilabbak, mint más turbinatípusok (gyakran kötéllel kell stabilizálni őket), és kereskedelmi forgalomban alig használják őket.

Hátrafelé gondolkodva

Kép: A turbinák és a légcsavarok pontosan ellentétesen működnek. A légcsavarok energiát használnak fel egy folyadék mozgatására (repülőgépek esetében a levegő, hajók vagy tengeralattjárók esetében a víz); a turbinák energiát hasznosítanak, amikor egy mozgó folyadék áramlik el mellettük. Balra: A légcsavar fotója a Tech. Justin D. Pyle őrmester felvétele az amerikai légierő jóvoltából.

Fotó: Justin D. Pyle, US Air Force: A turbinalapátok alakja hasonló a propellerlapátokéhoz, de jellemzően nagy teljesítményű ötvözetekből készülnek, mivel a mellettük áramló folyadék nagyon forró lehet. Egy turbinalapát fotója, amely az angliai Birminghamben, a Think Tank tudományos múzeumban van kiállítva.

Elképzelhető, hogy a szélturbinák úgy néznek ki, mint az óriáspropellerek – és ez egy másik módja annak, hogy a turbinákra gondoljunk: fordítva működő légcsavarok. Egy repülőgépben a motor nagy sebességgel forgatja a légcsavart, a légcsavar hátrafelé mozgó léghuzatot hoz létre, és ez az, ami a gépet előrefelé tolja-hajtja. Egy légcsavar esetében a mozgó lapátok hajtják a levegőt; egy turbinánál a levegő hajtja a lapátokat.

A turbinák is hasonlóak a szivattyúkhoz és a kompresszorokhoz. A szivattyúban van egy forgó lapátkerék, amely az egyik csövön keresztül vizet szív be, a másikon pedig kidobja, így a vizet (vagy más folyadékot)egyik helyről a másikra mozgatja. Ha szétszedsz egy vízszivattyút, láthatod, hogy a belső lapátkerék (amelyet járókeréknek hívnak) nagyon hasonlít ahhoz, amit egy vízturbina belsejében találsz. A különbség az, hogy a szivattyú energiát használ fel a folyadék mozgatására, míg a turbina a mozgó folyadékból nyeri az energiát.

Turbinák működés közben

A turbinákat nagyjából négy típusra osztjuk aszerint, hogy milyen típusú folyadék hajtja őket: víz, szél, gőz és gáz.Bár mind a négy típus lényegében ugyanúgy működik – a folyadék mozgása közben megpördül -, finoman eltérnek egymástól, és nagyon különböző módon kell őket megtervezni. A gőzturbinák például hihetetlenül gyorsan forognak, mivel a gőzt nagy nyomáson állítják elő. A villamos energiát termelő szélturbinák viszonylag lassan forognak (elsősorban biztonsági okokból), ezért hatalmasaknak kell lenniük ahhoz, hogy jelentős mennyiségű energiát nyerjenek. A gázturbináknak különlegesen ellenálló ötvözetekből kell készülniük, mert olyan magas hőmérsékleten működnek. A vízturbinák gyakran nagyon nagyok, mert egy egész folyóból kell energiát kivonniuk, amelyet felduzzasztottak és eltereltek, hogy elhaladjon mellettük. Viszonylag lassan tudnak forogni, mert a víz nehéz, és sok energiát hordoz (nagy tömege miatt) még akkor is, ha kis sebességgel áramlik.

Vízturbinák

Fénykép: Egy óriási Francis-reakcióturbina (a narancssárga kerék a tetején), amelyet a helyére eresztenek a Grand Coulee gátnál Washington államban, az USA-ban. a víz elhalad a ferde lapátok mellett, körbetolja őket és forgatja a tengelyt, amelyhez csatlakoznak. A tengely egy áramfejlesztő generátort forgat, amely áramot termel.A fotó az US Bureau of Reclamation jóvoltából készült.

A vízikerekek, amelyek több mint 2000 éves múltra tekintenek vissza, az ókori görögök idejére, az eredeti vízturbinák voltak. Ma ugyanezt az elvet alkalmazzák a vízerőművekben a villamos energia előállítására.A vízerőművek alapgondolata az, hogy egy folyót gátolnak, hogy hasznosíthassák annak energiáját. Ahelyett, hogy a folyó szabadon folyna lefelé a hegyi vagy hegyi forrásból a tenger felé, a folyót egy magaslaton (az úgynevezett víznyelőn) keresztül zuhanásra késztetjük, hogy felgyorsuljon (más szóval, hogy potenciális energiája mozgási energiává alakuljon át), majd egy csövön, az úgynevezett nyomócsövön keresztül a turbinán és a generátoron keresztül vezetjük. A vízenergia tulajdonképpen egy háromlépcsős energiaátalakítás:

• A folyó eredeti potenciális energiája (amellyel azért rendelkezik, mert a magasból indul) mozgási energiává alakul, amikor a víz átesik egy magasságon.
• A mozgó víz mozgási energiáját egy vízturbina mechanikai energiává alakítja.
• A forgó vízturbina egy generátort hajt, amely a mechanikai energiát elektromos energiává alakítja.

A terület geográfiájától, a rendelkezésre álló vízmennyiségtől (az áramlástól) és az esési távolságtól (a vízmagasságtól) függően különböző típusú vízturbinákat használnak.Egyes vízerőművek vödörszerű impulzusturbinákat (jellemzően Pelton-kerekeket), mások Francis-, Kaplan- vagy Deriaz-reakcióturbinákat használnak. Az impulzus vízturbinák (mint a Pelton-kerék) teljesen nyitottá válhatnak a levegő felé – így néha valóban láthatjuk a turbinába csapódó vízsugarat. A reakcióvízturbináknak viszont (mint a Francis-turbina) teljesen zártnak kell lenniük a csatornában vagy átjáróban, amelyen keresztül a víz áramlik. Mint fentebb említettük, míg az impulzus turbina csak azon az egyetlen ponton nyeri el az energiát, ahol a vízsugár becsapódik, addig a reakció turbina az egész keréken egyszerre nyeri el az energiát – ez az oka annak, hogy a reakció turbina egy vízerőműben több energiát tud termelni, mint egy azonos méretű impulzus turbina.Ez viszont megmagyarázza, hogy a legtöbb modern vízerőmű miért használ reakció turbinákat.

Fotó: Egy Pelton vízturbina. Figyeljük meg, hogy minden egyes vödör valójában két egymáshoz csatlakozó vödör. a vízsugár az “osztóba” (a hely, ahol a vödrök középen egyesülnek) csapódik, és két sugárra osztódik, amelyek mindkét oldalon tisztán kilépnek. Benjamin F. Pearson fotója a Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress jóvoltából.

Szélturbinák

Ezekkel sokkal részletesebben foglalkozik a szélturbinákról szóló külön cikkünk.

Fotó: A torony ~50m (~150ft) magasan van a földtől, mert a szél gyorsabban mozog, ha a talajszintű akadályoktól mentes.A rotorlapátok átmérője ~15m (50ft), és hatalmas lendülettel akár 225kW (kilowatt) energiát is képesek felfogni.

Gőzturbinák

A gőzturbinák a 18. és 19. században a világot megváltoztató gőzgépekből fejlődtek ki. A gőzgép nyílt tűzön égeti a szenet, hogy a benne lévő hőt felszabadítsa. A hőt víz forralására és gőz előállítására használják fel, amely egy hengerben lévő dugattyút tol egy olyan gép, mint például egy vasúti mozdony meghajtására. Ez számos okból meglehetősen gazdaságtalan (energiát pazarol). Egy sokkal jobb konstrukció a gőzt egy turbina lapátjai mellett vezeti el, amely propellerként forog, és menet közben hajtja a gépet.

A gőzturbinák úttörője Charles Parsons (1854-1931) brit mérnök volt, aki 1889-ben egy Turbinia nevű, híresen gyors motorcsónakot hajtott vele. Azóta sokféleképpen használják őket. Gyakorlatilag minden erőmű gőzturbinákkal termel villamos energiát. A széntüzelésű erőművekben a szenet egy kemencében égetik el, és a víz felmelegítésével gőzt termelnek, amely a villamosenergia-generátorokhoz kapcsolt nagysebességű turbinákat hajtja. Egy atomerőműben a gőzt előállító hő atomreakciókból származik.

A víz- és szélturbináktól eltérően, amelyek egyetlen forgó turbinát helyeznek a folyadék vagy gáz áramlásába, a gőzturbinákban a turbinák egész sora (az egyes turbinákat fokozatnak nevezik) egymás után helyezkedik el egy gyakorlatilag zárt csőben. Ahogy a gőz belép a csőbe, sorban halad át az egyes fokozatokon, hogy fokozatosan egyre több energiát nyerjen ki belőle. Ha valaha is figyelt már egy vízforralót, akkor tudja, hogy a gőz kitágul és nagyongyorsan mozog, ha egy fúvókán keresztül vezetik. Emiatt a gőzturbinák nagyon nagy sebességgel forognak – sokszor gyorsabban, mint a szél- vagy vízturbinák.

Bővebben a gőzturbinákról szóló fő cikkben.

Kép: Egy nagy hatásfokú erőmű számára gyártott gázturbina prototípusa. A fémkerekek mindegyike egy-egy külön turbinafokozat, amelyet arra terveztek, hogy a nagy sebességű gázból valamivel több energiát nyerjen ki. Hogy mekkora ez a turbina, azt a gép közepén ülő fehérbe öltözött kis emberkéből láthatod. A kép a morgantowni Nemzeti Energetikai Technológiai Laboratóriumban készült az USA Energiaügyi Minisztériumának jóvoltából.

Gázturbinák

A repülőgépek sugárhajtóművei egy kicsit olyanok, mint a gőzturbinák, mivel több fokozatból állnak. Gőz helyett a motor elején beszívott levegő és a hatalmas mennyiségű kerozin (kőolaj alapú üzemanyag) elégetéséből származó hihetetlenül forró gázok keveréke hajtja őket. Valamivel kisebb teljesítményű gázturbinás motorokat használnak modern vasúti mozdonyokban és ipari gépekben is.További részletekért lásd a sugárhajtóművekről szóló cikkünket.