Turbine

Turbine de impuls și de reacție

Turbinele funcționează în două moduri diferite, descrise ca fiind de impuls și de reacție – termeni care sunt adesea descriși în mod confuz (și uneori complet confuzi) atunci când oamenii încearcă să le explice.Deci, care este diferența?

Turbine de impuls

Într-o turbină de impuls, un fluid cu mișcare rapidă este lansat printr-o duză îngustă spre paletele turbinei pentru a le face să se învârtă. Paletele unei turbine de impuls sunt, de obicei, în formă de găleată, astfel încât să prindă fluidul și să îl direcționeze în unghi sau, uneori, chiar înapoi pe unde a venit (pentru că astfel se obține cel mai eficient transfer de energie de la fluid la turbină). Într-o turbină de impuls, fluidul este forțat să lovească turbina la viteză mare.

Imaginați-vă că încercați să faceți o astfel de roată să se întoarcă lovind mingi de fotbal în paletele sale. Ar trebui ca mingile să lovească puternic și să ricoșeze bine pentru a face roata să se învârtă – iar aceste impulsuri constante de energie sunt cheia funcționării acesteia. Legea conservării energiei ne spune că energia pe care o câștigă roata, de fiecare dată când o minge o lovește, este egală cu energia pe care mingea o pierde – astfel că mingile se vor deplasa mai încet atunci când vor ricoșa înapoi. De asemenea, a doua lege a mișcării a lui Newton ne spune că impulsul câștigat de roată atunci când o minge o lovește este egal cu impulsul pierdut de mingea însăși; cu cât o minge atinge mai mult timp roata și cu cât lovește mai tare (cu mai multă forță), cu atât mai mult impuls va transfera.

Turbinele de apă se bazează adesea pe o turbină de impuls (deși unele funcționează folosind turbine de reacție). Ele sunt simple în proiectare, ușor de construit și ieftine de întreținut, nu în ultimul rând pentru că nu trebuie să fie conținute în interiorul unei conducte sau al unei carcase (spre deosebire de turbinele de reacție).

Artwork: O roată hidraulică Pelton este un exemplu de turbină de impuls. Ea se învârte în timp ce unul sau mai multe jeturi de apă de înaltă presiune (albastru), controlate de o supapă (verde), se lansează în gălețile din jurul marginii roții (roșu). Lester Pelton a primit un brevet pentru această idee în 1889, din care este preluat acest desen.Lucrare de artă din brevetul american 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, prin amabilitatea US Patent and Trademark Office.

Artwork: O turbină de impuls ca aceasta funcționează atunci când fluidul care intră lovește gălețile și ricoșează din nou. Forma exactă a găleților și modul în care fluidul le lovește face o mare diferență în ceea ce privește cantitatea de energie pe care turbina o poate capta. De asemenea, cupele trebuie să fie proiectate astfel încât acțiunea jetului asupra unei cupe să nu afecteze cupa următoare.

Turbine de reacție

Într-o turbină de reacție, paletele sunt așezate într-un volum mult mai mare de fluid și se rotesc pe măsură ce fluidul trece pe lângă ele. O turbină de reacție nu schimbă direcția de curgere a fluidului la fel de drastic ca o turbină de impuls: pur și simplu se învârte pe măsură ce fluidul împinge prin și pe lângă paletele sale.Turbinele eoliene sunt probabil cele mai cunoscute exemple de turbine de reacție.

Foto: O turbină de reacție tipică de la o centrală geotermală.Apa sau aburul curge pe lângă paletele înclinate, împingându-le și făcând să se rotească arborele central de care sunt atașate. Arborele învârte un generator care produce electricitate.Fotografie realizată de Henry Price, prin amabilitatea Departamentului de Energie al SUA/Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă (DOE/NREL).

Opera de artă: O turbină de reacție ca aceasta seamănă mult mai mult cu o elice. Principala diferență este că există mai multe palete într-o turbină (am desenat doar patru palete pentru simplitate) și adesea mai multe seturi de palete (mai multe etaje), așa cum puteți vedea în fotografiile turbinelor cu abur și cu gaz din partea de sus a acestei pagini.

Dacă o turbină de impuls este un pic ca și cum ai lovi cu piciorul mingi de fotbal, o turbină de reacție este mai mult ca și cum ai înota în sens invers.Lăsați-mă să vă explic! Gândiți-vă la modul în care faceți stil liber (crawl frontal) trăgându-vă brațele prin apă, începând cu fiecare mână cât mai în față și terminând cu un „follow through” care aruncă brațul în spatele dumneavoastră. Ceea ce încercați să obțineți este să vă mențineți mâna și antebrațul împingând împotriva apei cât mai mult timp posibil, astfel încât să transferați cât mai multă energie în fiecare înot. O turbină de reacție folosește aceeași idee în sens invers: imaginează-ți că apa care curge rapid trece pe lângă tine, astfel încât îți face brațele și picioarele să se miște și furnizează energie corpului tău! În cazul unei turbine de reacție, doriți ca apa să atingă paletele fără probleme, cât mai mult timp posibil, astfel încât să cedeze cât mai multă energie. Apa nu lovește lamelele și nu ricoșează, așa cum se întâmplă în cazul unei turbine de impuls: în schimb, lamelele se mișcă mai ușor, „urmând curentul”.

Turbinele captează energie doar în punctul în care un fluid le atinge, astfel încât o turbină de reacție (cu mai multe lamele care ating fluidul în același timp) poate extrage mai multă energie decât o turbină de impuls de aceeași dimensiune (deoarece, de obicei, doar una sau două dintre lamelele sale se află în calea fluidului în același timp).

Tipuri de turbine de reacție

Câteva modele comune de turbine de reacție sunt:

• Wells – care seamănă foarte mult cu o elice, cu palete în formă de aripi care se rotesc în jurul unei axe orizontale.
• Francis – în mod obișnuit, cu palete mari în formă de V, care se rotesc adesea pe o axă verticală în interiorul unui fel de cochilie de melc uriașă, în spirală. Francis este de departe cel mai răspândit tip de turbină de apă; turbinele McCormick, Kaplan și Deriaz sunt, în esență, îmbunătățiri ale proiectului original Francis.
• Darrieus-cu palete aerodinamice care se rotesc în jurul unei axe verticale.

Toate au avantajele și dezavantajele lor. Wells, de exemplu, se poate roti foarte repede, dar este, de asemenea, zgomotos și relativ ineficient. Francis este mai silențios și mai eficient și foarte bun pentru a face față tensiunilor mecanice din interiorul barajelor hidroelectrice de adâncime (cele cu „capete” mari de apă), dar este, de asemenea, mai lent și mai complex din punct de vedere mecanic. Atunci când funcționează în aer, turbinele Darrieus sunt mai aproape de sol (astfel încât pot renunța la un turn greoi), dar acest lucru înseamnă că sunt mai puțin eficiente în exploatarea vântului (care suflă mai repede la o înălțime mai mare decât solul); în general, sunt mai puțin eficiente și mai instabile decât alte modele de turbine (deseori trebuie să fie susținute cu cabluri de ancorare) și abia dacă sunt folosite în comerț.

Gândire inversă

Foto: Turbinele și elicele funcționează în moduri exact opuse. Elicele utilizează energie pentru a pune în mișcare un fluid (aer, în cazul unui avion, sau apă, în cazul unei nave sau al unui submarin); turbinele captează energia atunci când un fluid în mișcare trece pe lângă ele. Stânga: Fotografie cu elice realizată de Tech. Sgt. Justin D. Pyle, prin amabilitatea US Air Force.

Fotografie: Paletele de turbină au o formă similară cu paletele de elice, dar sunt fabricate de obicei din aliaje de înaltă performanță, deoarece fluidul care trece pe lângă ele poate fi foarte fierbinte. Fotografie a unei palete de turbină expusă la Think Tank, muzeul de știință din Birmingham, Anglia.

Ați observat probabil că turbinele eoliene arată exact ca niște elice gigantice – și acesta este un alt mod de a ne gândi la turbine: elice care funcționează în sens invers. Într-un avion, motorul rotește elicea la viteză mare, elicea creează un curent de aer care se deplasează în sens invers, iar acesta este ceea ce împinge – propulsează – avionul înainte. La o elice, paletele în mișcare antrenează aerul;la o turbină, aerul antrenează paletele.

Turbinele sunt, de asemenea, similare cu pompele și compresoarele. La o pompă, aveți o roată cu palete care se învârte și care aspiră apa printr-o țeavă și o aruncă afară prin alta, astfel încât să puteți muta apa (sau un alt lichid)dintr-un loc în altul. Dacă demontați o pompă de apă, puteți vedea că roata cu palete internă (care se numește rotor) este foarte asemănătoare cu cea pe care o găsiți în interiorul unei turbine de apă. Diferența constă în faptul că o pompă folosește energie pentru a face un fluid să se miște, în timp ce o turbină captează energia dintr-un fluid în mișcare.

Turbinele în acțiune

În general, împărțim turbinele în patru tipuri, în funcție de tipul de fluid care le acționează: apă, vânt, abur și gaz.Deși toate cele patru tipuri funcționează în esență în același mod – învârtindu-se în jurul lor pe măsură ce fluidul se mișcă împotriva lor – ele sunt subtil diferite și trebuie să fie proiectate în moduri foarte diferite. Turbinele cu aburi, de exemplu, se rotesc incredibil de repede, deoarece aburul este produs sub presiune ridicată. Turbinele eoliene care produc electricitate se rotesc relativ încet (în principal din motive de siguranță), așa că trebuie să fie uriașe pentru a capta cantități importante de energie. Turbinele cu gaz trebuie să fie fabricate din aliaje specialrezistente, deoarece funcționează la temperaturi atât de ridicate. Turbinele de apă sunt adesea foarte mari, deoarece trebuie să extragă energie de la un întreg râu, barat și deviat pentru a trece pe lângă ele. Ele se pot roti relativ încet, deoarece apa este grea și transportă multă energie (din cauza masei sale mari) chiar și atunci când curge la viteze mici.

Turbine de apă

Foto: O turbină uriașă de reacție Francis (roata portocalie din partea de sus) fiind coborâtă în poziție la barajul Grand Coulee din statul Washington, SUA. apa trece pe lângă paletele înclinate, împingându-le și făcând să se rotească arborele de care sunt atașate. Arborele învârte un generator de electricitate care produce energie.Fotografie realizată prin amabilitatea US Bureau of Reclamation.

Roțile de apă, care datează de peste 2000 de ani, de pe vremea vechilor greci, au fost primele turbine de apă. Astăzi, acelașiprincipiu este folosit pentru a produce electricitate în centralele hidroelectrice.Ideea de bază a energiei hidroelectrice este aceea că se face un baraj pe un râu pentru a-i valorifica energia. În loc ca râul să curgă liber la vale de la izvorul său de pe deal sau de pe munte spre mare, îl faci să cadă la o înălțime (numită înălțime de refulare), astfel încât să prindă viteză (cu alte cuvinte, astfel încât energia sa potențială să fie transformată în energie cinetică), apoi îl canalizezi printr-o conductă numită conductă forțată pe lângă o turbină și un generator. Hidroelectricitatea este, de fapt, o conversie energetică în trei etape:

• Energia potențială inițială a râului (pe care o are pentru că pornește de la un teren înalt) este transformată în energie cinetică atunci când apa cade la o anumită înălțime.
• Energia cinetică din apa în mișcare este transformată în energie mecanică de către o turbină de apă.
• Turbina de apă care se învârte acționează un generator care transformă energia mecanică în energie electrică.

Se folosesc diferite tipuri de turbine de apă, în funcție de geografia zonei, de cantitatea de apă disponibilă (debitul) și de distanța pe care poate fi făcută să cadă (înălțimea).Unele centrale hidroelectrice folosesc turbine de impuls de tip găleată (de obicei roți Pelton); altele folosesc turbine de reacție Francis, Kaplan sau Deriaz. Turbinele hidraulice de impuls (cum ar fi roata Pelton) pot deveni complet deschise la aer – astfel încât uneori se poate vedea efectiv jetul de apă care lovește turbina. Pe de altă parte, turbinele de reacție a apei (cum ar fi Francis) trebuie să fie complet închise în interiorul canalului sau pasajului prin care curge apa. După cum s-a menționat mai sus, în timp ce o turbină de impuls captează energia doar într-un singur punct în care este lovită de jetul de apă, o turbină de reacție captează energia pe întreaga roată deodată – acesta este motivul pentru care o turbină de reacție într-o centrală hidroelectrică poate produce mai multă energie decât o turbină de impuls de aceeași dimensiune.Aceasta, la rândul său, explică de ce majoritatea centralelor hidroelectrice moderne folosesc turbine de reacție.

Foto: O turbină de apă Pelton. Observați cum fiecare găleată este, de fapt, două găleți unite între ele. jetul de apă lovește „splitterul” (locul unde gălețile se unesc la mijloc), împărțindu-l în două jeturi care ies curat de o parte și de alta. Fotografie realizată de Benjamin F. Pearson prin amabilitatea Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Turbine eoliene

Acestea sunt tratate mult mai detaliat în articolul nostru separat despre turbinele eoliene.

Foto: O turbină eoliană tipică, în Staffordshire, Anglia.Turnul se află la o înălțime de ~50 m de la sol, deoarece vântul se mișcă mai repede atunci când nu există obstacole la nivelul solului.Paletele rotorului au un diametru de ~15 m și, cu o amplitudine mare, captează până la 225 kW (kilowați) de energie.

Turbine cu aburi

Turbinele cu aburi au evoluat de la motoarele cu aburi care au schimbat lumea în secolele XVIII și XIX. Un motor cu aburi arde cărbunele pe un foc deschis pentru a elibera căldura pe care o conține. Căldura este folosită pentru a fierbe apa și a produce abur, care împinge un piston într-un cilindru pentru a acționa o mașină, cum ar fi o locomotivă de cale ferată. Acest lucru este destul de ineficient (risipește energie) din mai multe motive. Un proiect mult mai bun preia aburul și îl canalizează pe lângă paletele unei turbine, care se învârte ca o elice și antrenează mașina în mers.

Turbinele cu abur au fost pionierat de inginerul britanic Charles Parsons (1854-1931), care le-a folosit pentru a propulsa o celebră barcă cu motor rapidă numită Turbinia în 1889. De atunci,ele au fost folosite în mai multe moduridiferite. Practic, toate centralele electrice generează electricitate cu ajutorul turbinelor de abur. Într-o centrală pe cărbune, cărbunele este ars într-un cuptor și folosit pentru a încălzi apa pentru a produce abur care învârte turbinele de mare viteză conectate la generatoarele de electricitate. Într-o centrală nucleară, căldura care produce aburul provine din reacții atomice.

Spre deosebire de turbinele hidraulice și eoliene, care plasează o singură turbină rotativă în fluxul de lichid sau de gaz, turbinele cu abur au o serie întreagă de turbine (fiecare dintre acestea fiind cunoscută sub numele de etaj) dispuse într-o secvență în interiorul a ceea ce este efectiv o conductă închisă. Pe măsură ce aburul intră în țeavă, este canalizat pe lângă fiecare etaj în parte, astfel încât se extrage progresiv mai multă energie din el. Dacă ați urmărit vreodată cum fierbe un ceainic, știți că aburul se dilată și se mișcă foarte repede dacă este dirijat printr-o duză. Din acest motiv, turbinele cu abur se rotesc la viteze foarte mari – de multe ori mai repede decât turbinele eoliene sau cele hidraulice.

Citește mai multe în articolul principal despre turbinele cu abur.

Foto: Un prototip de turbină cu gaz produs pentru o centrală electrică de înaltă eficiență. Fiecare dintre roțile metalice reprezintă un etaj de turbină separat, conceput pentru a extrage ceva mai multă energie dintr-un gaz de mare viteză. Vă puteți da seama cât de mare este această turbină uitându-vă la omulețul îmbrăcat în alb care stă în mijlocul mașinii. Fotografie realizată la Laboratorul Național de Tehnologie Energetică, Morgantown, prin amabilitatea Departamentului de Energie al SUA.

Turbinele cu gaz

Motoarele cu reacție ale avioanelor se aseamănă puțin cu turbinele cu abur prin faptul că au mai multe etaje. În loc de abur, ele sunt acționate de un amestecde aer aspirat în partea din față a motorului și de gazele incredibil de fierbinți obținute prin arderea unor cantități uriașe de kerosen(combustibil pe bază de petrol). Motoarele cu turbină cu gaz ceva mai puțin puternicesunt, de asemenea, folosite la locomotivele moderne de cale ferată și la mașinile industriale.Vezi articolul nostru despre motoarele cu reacție pentru mai multe detalii.