Turbiny

Turbiny impulsowe i reakcyjne

Turbiny działają na dwa różne sposoby określane jako impulsowe i reakcyjne – terminy, które są często bardzo mylnie opisywane (a czasami całkowicie mylone), gdy ludzie próbują je wyjaśnić.Więc jaka jest różnica?

Turbiny impulsowe

W turbinie impulsowej, szybko poruszająca się ciecz jest wystrzeliwana przez wąską dyszę na łopatki turbiny, aby je obrócić. Łopatki turbiny impulsowej są zazwyczaj w kształcie wiaderka, więc łapią płyn i kierują go pod kątem lub czasami nawet z powrotem do drogi, którą przybył (ponieważ daje to najbardziej efektywny transfer energii z płynu do turbiny). W turbinie impulsowej, płyn jest zmuszony do uderzenia w turbinę z dużą prędkością.

Wyobraź sobie, że próbujesz obrócić takie koło kopiąc piłki nożne do jego łopatek. Potrzebowałbyś, aby piłki uderzały mocno i odbijały się dobrze, aby koło się obracało – i te stałe impulsy energii są kluczem do tego, jak to działa. Prawo zachowania energii mówi nam, że energia, którą koło zyskuje za każdym razem, gdy piłka w nie uderza, jest równa energii, którą piłka traci – więc piłki będą poruszać się wolniej, gdy się odbijają. Również, drugie prawo ruchu Newtona mówi nam, że pęd uzyskany przez koło, gdy piłka uderza w nie, jest równy pędowi utraconemu przez samą piłkę; im dłużej piłka dotyka koła i im mocniej (z większą siłą) uderza, tym więcej pędu przeniesie.

Turbiny wodne są często oparte na turbinach impulsowych (choć niektóre pracują używając turbin reakcyjnych). Są one proste w konstrukcji, łatwe do zbudowania i tanie w utrzymaniu, nie tylko dlatego, że nie muszą być zamknięte w rurze lub obudowie (w przeciwieństwie do turbin reakcyjnych).

Opracowanie: Koło wodne Peltona jest przykładem turbiny impulsowej. Obraca się, gdy jeden lub więcej strumieni wody pod wysokim ciśnieniem (niebieski), kontrolowanych przez zawór (zielony), wystrzeliwuje wodę do kubełków wokół krawędzi koła (czerwony). Lester Pelton uzyskał patent na ten pomysł w 1889 roku, z którego pochodzi niniejszy rysunek. Rysunek pochodzi z patentu USA 409,865: Koło wodne autorstwa Lestera Peltona, dzięki uprzejmości US Patent and Trademark Office.

Opracowanie: Turbina impulsowa taka jak ta działa, gdy napływająca ciecz uderza w kubełki i odbija się od nich ponownie. Dokładny kształt kubełków i sposób, w jaki płyn uderza w nie, stanowi dużą różnicę dla ilości energii, jaką turbina może przechwycić. Kubełki muszą być również zaprojektowane tak, aby działanie strumienia na jeden kubełek nie miało wpływu na następny kubełek.

Turbiny reakcyjne

W turbinie reakcyjnej łopatki znajdują się w znacznie większej objętości płynu i obracają się, gdy płyn przepływa obok nich. Turbina reakcyjna nie zmienia kierunku przepływu płynu tak drastycznie jak turbina impulsowa: po prostu obraca się, gdy płyn przepycha się przez i obok jej łopatek.Turbiny wiatrowe są prawdopodobnie najbardziej znanymi przykładami turbin reakcyjnych.

Zdjęcie: Typowa turbina reakcyjna z elektrowni geotermalnej.Woda lub para przepływa obok ustawionych pod kątem łopatek, popychając je i obracając centralny wał, do którego są przymocowane. Wał obraca generator, który wytwarza energię elektryczną.Zdjęcie autorstwa Henry’ego Price’a dzięki uprzejmości Departamentu Energii USA/Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (DOE/NREL).

Opracowanie: Turbina reakcyjna, taka jak ta, znacznie bardziej przypomina śmigło. Główna różnica polega na tym, że w turbinie jest więcej łopatek (dla uproszczenia narysowałem tylko cztery łopatki) i często wiele zestawów łopatek (wiele stopni), jak widać na zdjęciach turbin parowych i gazowych na górze tej strony.

Jeśli turbina impulsowa jest trochę jak kopanie piłki nożnej, turbina reakcyjna jest bardziej jak pływanie w odwrotnym kierunku.Pozwól mi wyjaśnić! Pomyśl o tym, jak robisz freestyle (czołganie się) ciągnąc ramiona przez wodę, zaczynając od każdej ręki tak daleko z przodu, jak tylko możesz sięgnąć i kończąc „follow through”, który wyrzuca ramię za siebie. Celem jest utrzymanie dłoni i przedramienia w wodzie tak długo, jak to możliwe, aby przekazać jak najwięcej energii w każdym pociągnięciu. Turbina reakcyjna wykorzystuje ten sam pomysł w odwrotnej kolejności: wyobraź sobie, że szybko płynąca woda porusza się obok Ciebie, wprawiając w ruch Twoje ręce i nogi oraz dostarczając energię do Twojego ciała! W przypadku turbiny reakcyjnej, chcesz, aby woda dotykała łopatek gładko, tak długo jak to możliwe, aby oddać jak najwięcej energii. Woda nie uderza w łopatki i nie odbija się od nich, jak to ma miejsce w turbinie impulsowej: zamiast tego, łopatki poruszają się bardziej płynnie, „idąc z prądem”.”

Turbiny przechwytują energię tylko w punkcie, w którym ciecz je dotyka, więc turbina reakcyjna (z wieloma łopatkami dotykającymi cieczy w tym samym czasie) potencjalnie pobiera więcej mocy niż turbina impulsowa tej samej wielkości (ponieważ zazwyczaj tylko jedna lub dwie z jej łopatek są na drodze cieczy w tym samym czasie).

Typy turbin reakcyjnych

Kilka popularnych konstrukcji turbin reakcyjnych to:

• Studnia – wyglądająca jak śmigło, z łopatkami w kształcie płatów, obracającymi się wokół osi poziomej.
• Francis – typowo, z dużymi łopatkami w kształcie litery V, często obracającymi się wokół osi pionowej wewnątrz czegoś w rodzaju gigantycznej, spiralnej muszli ślimaka. Turbina Francisa jest zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym typem turbiny wodnej; turbiny McCormicka, Kaplana i Deriaza są w zasadzie udoskonaleniami oryginalnej konstrukcji Francisa.
• Darrieusa – z łopatkami w kształcie płatów, obracającymi się wokół osi pionowej.

Wszystkie mają swoje zalety i wady. Wells, na przykład, może obracać się bardzo szybko, ale jest również głośny i stosunkowo mało wydajny. Francis jest cichszy i bardziej wydajny, i bardzo dobrze radzi sobie z naprężeniami mechanicznymi w głębokich zaporach wodnych (takich z wysokimi „głowicami” wody), ale jest też wolniejszy i bardziej skomplikowany mechanicznie. Kiedy działają w powietrzu, turbiny Darrieusa są bliżej ziemi (więc mogą zrezygnować z kłopotliwej wieży), ale to oznacza, że są mniej efektywne w wykorzystywaniu wiatru (który wieje szybciej wyżej nad ziemią); generalnie są mniej wydajne i bardziej niestabilne niż inne konstrukcje turbin (często muszą być stabilizowane za pomocą lin) i prawie nie są używane komercyjnie.

Myśląc wstecz

Foto: Turbiny i śmigła działają w dokładnie odwrotny sposób. Śmigła wykorzystują energię do wprawiania w ruch cieczy (powietrza w przypadku samolotu lub wody w przypadku statku lub łodzi podwodnej); turbiny wykorzystują energię, gdy poruszająca się ciecz przepływa obok nich. Po lewej: Zdjęcie śmigła autorstwa Tech. Sgt. Justin D. Pyle dzięki uprzejmości US Air Force.

Foto: Łopatki turbinowe są ukształtowane w podobny sposób jak łopatki śmigieł, ale są zazwyczaj wykonane z wysokowydajnych stopów, ponieważ przepływający obok nich płyn może być bardzo gorący. Zdjęcie łopatki turbiny wystawione w Think Tank, muzeum nauki w Birmingham, Anglia.

Można zauważyć, że turbiny wiatrowe wyglądają jak śmigła – i to jest inny sposób myślenia o turbinach: śmigła pracujące w odwrotnym kierunku. W samolocie silnik obraca śmigło z dużą prędkością, śmigło wytwarza ciąg powietrza poruszający się do tyłu i to właśnie pcha – napędza – samolot do przodu. W przypadku śmigła, ruchome łopaty napędzają powietrze; w przypadku turbiny, powietrze napędza łopaty.

Turbiny są również podobne do pomp i sprężarek. W pompie mamy obracające się koło łopatkowe, które zasysa wodę przez jedną rurę i wyrzuca ją z drugiej, dzięki czemu można przenosić wodę (lub inną ciecz) z jednego miejsca do drugiego. Jeśli rozebrać pompę wodną na części, można zauważyć, że wewnętrzne koło łopatkowe (zwane wirnikiem) jest bardzo podobne do tego, które można znaleźć w turbinie wodnej. Różnica polega na tym, że pompa wykorzystuje energię, aby wprawić płyn w ruch, podczas gdy turbina przechwytuje energię z poruszającego się płynu.

Turbiny w akcji

Powszechnie mówiąc, dzielimy turbiny na cztery rodzaje zgodnie z rodzajem płynu, który je napędza: wodne, wiatrowe, parowe i gazowe.Chociaż wszystkie cztery rodzaje działają zasadniczo w ten sam sposób – obracając się, gdy płyn porusza się względem nich – są subtelnie różne i muszą być zaprojektowane w bardzo różny sposób. Turbiny parowe, na przykład, obracają się niewiarygodnie szybko, ponieważ para jest wytwarzana pod wysokim ciśnieniem. Turbiny wiatrowe, które wytwarzają energię elektryczną, obracają się stosunkowo wolno (głównie ze względów bezpieczeństwa), więc muszą być ogromne, aby przechwycić duże ilości energii. Turbiny gazowe muszą być wykonane ze specjalnie odpornych stopów, ponieważ pracują w tak wysokich temperaturach. Turbiny wodne są często bardzo duże, ponieważ muszą pobierać energię z całej rzeki, spiętrzonej i przekierowanej tak, aby przepływała obok nich. Mogą obracać się stosunkowo wolno, ponieważ woda jest ciężka i przenosi dużo energii (z powodu swojej dużej masy) nawet gdy płynie z małą prędkością.

Turbiny wodne

Zdjęcie: Gigantyczna turbina reakcyjna Francisa (pomarańczowe koło u góry) opuszczana na miejsce przy tamie Grand Coulee w stanie Waszyngton, USA.Woda przepływa obok ustawionych pod kątem łopatek, popychając je i obracając wał, do którego są przymocowane. Wał obraca generatorem elektryczności, który wytwarza energię. Zdjęcie dzięki uprzejmości US Bureau of Reclamation.

Koła wodne, których historia sięga ponad 2000 lat wstecz, do czasów starożytnych Greków, były oryginalnymi turbinami wodnymi. Dziś ta sama zasada jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach wodnych. Podstawowa idea energii wodnej polega na tym, że zaporę wodną tworzy się na rzece, aby wykorzystać jej energię. Zamiast rzeki płynącej swobodnie w dół rzeki od jej źródła na wzgórzu lub w górach w kierunku morza, sprawiasz, że spada ona przez wysokość (zwaną głowicą), tak aby nabrała prędkości (innymi słowy, aby jej energia potencjalna została zamieniona na energię kinetyczną), a następnie kierujesz ją przez rurę zwaną penstock obok turbiny i generatora. Hydroelektryczność jest efektywnie trójstopniową konwersją energii:

• Pierwotna energia potencjalna rzeki (którą ma, ponieważ startuje z wysokiego poziomu) jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy woda spada przez wysokość.
• Energia kinetyczna w poruszającej się wodzie jest przekształcana w energię mechaniczną przez turbinę wodną.
• Obracająca się turbina wodna napędza generator, który przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną.

Różne rodzaje turbin wodnych są używane w zależności od geografii danego obszaru, ilości dostępnej wody (przepływ) oraz odległości, na jaką może ona spadać (wysokość podnoszenia).Niektóre elektrownie wodne używają turbin impulsowych przypominających kubełki (zazwyczaj koła Peltona); inne używają turbin reakcyjnych Francisa, Kaplana lub Deriaza. Turbiny wodne impulsowe (jak koło Peltona) mogą być całkowicie otwarte dla powietrza – czasami można zobaczyć strumień wody uderzający w turbinę. Turbiny wodne reakcyjne, z drugiej strony (jak Francis), muszą być całkowicie zamknięte wewnątrz kanału lub przejścia, przez które przepływa woda. Jak wspomniano powyżej, podczas gdy turbina impulsowa przechwytuje energię tylko w jednym punkcie, w którym uderza w nią strumień wody, turbina reakcyjna przechwytuje energię w całym kole jednocześnie – dlatego turbina reakcyjna w elektrowni wodnej może wytworzyć więcej mocy niż turbina impulsowa tej samej wielkości. To z kolei wyjaśnia, dlaczego większość nowoczesnych elektrowni wodnych wykorzystuje turbiny reakcyjne.

Foto: Turbina wodna Peltona. Zauważ, że każdy kubeł jest w rzeczywistości dwoma kubłami połączonymi razem. Strumień wody uderza w „rozdzielacz” (miejsce, w którym kubły łączą się w środku), rozdzielając go na dwa strumienie, które wychodzą czysto po obu stronach. Zdjęcie autorstwa Benjamina F. Pearsona dzięki uprzejmości Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbiny wiatrowe

Są one omówione znacznie bardziej szczegółowo w naszym oddzielnym artykule na temat turbin wiatrowych.

Foto: Typowa turbina wiatrowa, w Staffordshire, Anglia.Wieża jest ~50m (~150ft) od ziemi, ponieważ wiatr porusza się szybciej, gdyit’s clear of ground-level obstructions.Łopaty wirnika są ~15m (50ft) średnicy i, z ogromnym zamachem, przechwytywanie do 225kW (kilowatów) energii.

Turbiny parowe

Turbiny parowe ewoluowały z silników parowych, które zmieniły świat w 18 i 19 wieku. Silnik parowy spala węgiel na otwartym ogniu, aby uwolnić zawarte w nim ciepło. Ciepło to jest wykorzystywane do zagotowania wody i wytworzenia pary, która popycha tłok w cylindrze i napędza maszynę, taką jak lokomotywa kolejowa. Jest to dość nieefektywne (marnuje energię) z wielu różnych powodów. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie pary i skierowanie jej na łopatki turbiny, która obraca się jak śmigło i napędza maszynę.

Turbiny parowe zostały zapoczątkowane przez brytyjskiego inżyniera Charlesa Parsonsa(1854-1931), który użył ich do zasilania słynnej, szybkiej motorówki o nazwie Turbinia w 1889 roku. Od tego czasu były one wykorzystywane na wiele różnych sposobów. Praktycznie wszystkie elektrownie wytwarzają energię elektryczną za pomocą turbin parowych. W elektrowni węglowej, węgiel jest spalany w piecu i używany do podgrzewania wody, aby wytworzyć parę, która obraca wysokoobrotowe turbiny podłączone do generatorów prądu. W elektrowni jądrowej ciepło, które wytwarza parę, pochodzi z reakcji atomowych.

W przeciwieństwie do turbin wodnych i wiatrowych, które umieszczają pojedynczą obracającą się turbinę w strumieniu cieczy lub gazu, turbiny parowe mają całą serię turbin (z których każda jest znana jako stopień) ułożonych w sekwencji wewnątrz tego, co jest efektywnie zamkniętą rurą. Para dostaje się do rury i jest kierowana przez każdy stopień po kolei, dzięki czemu stopniowo wydobywana jest z niej większa ilość energii. Jeśli kiedykolwiek oglądałeś gotujący się czajnik, wiesz, że para rozszerza się i porusza bardzo szybko, jeśli jest kierowana przez dyszę. Z tego powodu, turbiny parowe obracają się z bardzo dużą prędkością – wiele razy szybciej niż turbiny wiatrowe czy wodne.

Czytaj więcej w głównym artykule o turbinach parowych.

Zdjęcie: Prototypowa turbina gazowa produkowana dla wysokosprawnej elektrowni. Każde z metalowych kółek jest oddzielnym stopniem turbiny zaprojektowanym w celu wydobycia nieco większej ilości energii z gazu o dużej prędkości. Jak duża jest ta turbina można się przekonać patrząc na małego człowieczka ubranego na biało siedzącego na środku maszyny. Zdjęcie zrobione w National Energy Technology Laboratory, Morgantown dzięki uprzejmości US Department of Energy.

Turbiny gazowe

Silniki odrzutowe w samolotach są trochę jak turbiny parowe w tym, że mają wiele etapów. Zamiast pary, są napędzane mieszanką powietrza zasysanego z przodu silnika i niewiarygodnie gorących gazów powstałych w wyniku spalania ogromnych ilości nafty (paliwo na bazie ropy naftowej). Nieco mniej wydajne silniki turbin gazowych są również używane w nowoczesnych lokomotywach kolejowych i maszynach przemysłowych.Zobacz nasz artykuł o silnikach odrzutowych, aby uzyskać więcej szczegółów.