Hur turbiner fungerar | Impuls- och reaktionsturbiner

Impuls- och reaktionsturbiner

Turbiner fungerar på två olika sätt som beskrivs som impuls- och reaktionsturbiner – termer som ofta beskrivs på ett mycket förvirrande sätt (och ibland är helt förvirrade) när folk försöker förklara dem.Så vad är skillnaden?

Impulsturbiner

I en impulsturbin skjuts en snabbrörlig vätska ut genom ett smalt munstycke mot turbinbladen för att få dem att snurra runt. Bladen i en impulsturbin är vanligtvis skopformade så att de fångar upp vätskan och leder den i en vinkel eller ibland till och med tillbaka dit den kom (eftersom det ger den effektivaste överföringen av energi från vätskan till turbinen). I en impulsturbin tvingas vätskan att träffa turbinen med hög hastighet.

Föreställ dig att du försöker få ett sådant här hjul att vända genom att sparka fotbollsbollar in i dess paddlar. Bollarna måste träffa hårt och studsa tillbaka ordentligt för att få hjulet att snurra – och dessa konstanta energiimpulser är nyckeln till hur det fungerar. Energins bevarandelag säger oss att den energi som hjulet får varje gång en boll träffar det är lika med den energi som bollen förlorar – så bollarna kommer att färdas långsammare när de studsar tillbaka. Dessutom säger Newtons andra rörelselag att det moment som hjulet får när en boll träffar det är lika med det moment som bollen förlorar. Ju längre en boll träffar hjulet och ju hårdare (kraftigare) den träffar det, desto mer moment kommer den att överföra.

Vattenturbiner är ofta baserade på en impulsturbin (även om en del turbiner arbetar med reaktionsturbiner). De är enkla i sin konstruktion, lätta att bygga och billiga att underhålla, inte minst eftersom de inte behöver vara inneslutna i ett rör eller ett hölje (till skillnad från reaktionsturbiner).

Artwork: Ett Peltonvattenhjul är ett exempel på en impulsturbin. Det snurrar när en eller flera högtrycksvattenstrålar (blå), som styrs av en ventil (grön), skjuter in i hinkarna runt hjulets kant (röd). Lester Pelton beviljades ett patent för denna idé 1889, från vilken den här ritningen är hämtad.Konstverk från US Patent 409,865: Water Wheel by Lester Pelton, med tillstånd av US Patent and Trademark Office.

Artwork: En impulsturbin som denna fungerar när den inkommande vätskan träffar hinkarna och studsar tillbaka igen. Den exakta formen på hinkarna och hur vätskan träffar dem gör stor skillnad för hur mycket energi turbinen kan fånga upp. Hinkarna måste också vara utformade så att strålens inverkan på en hink inte påverkar nästa hink.

Reaktionsturbiner

I en reaktionsturbin sitter bladen i en mycket större vätskevolym och vänder sig om när vätskan strömmar förbi dem. En reaktionsturbin ändrar inte vätskeflödets riktning lika drastiskt som en impulsturbin: den snurrar helt enkelt när vätskan pressas genom och förbi dess blad.Vindkraftverk är kanske de mest kända exemplen på reaktionsturbiner.

Foto: Vatten eller ånga strömmar förbi de vinklade bladen och driver dem runt och vrider den centrala axeln som de är fästa vid. Axeln driver en generator som producerar elektricitet.Foto av Henry Price med tillstånd av US Department of Energy/National Renewable Energy Laboratory (DOE/NREL).

Artwork: En reaktionsturbin som den här liknar mycket mer en propeller. Den största skillnaden är att det finns fler skovelblad i en turbin (jag har bara ritat fyra blad för enkelhetens skull) och ofta flera uppsättningar skovelblad (flera steg), vilket du kan se på bilderna av ång- och gasturbiner högst upp på den här sidan.

Om en impulsturbin är lite som att sparka fotbollar är en reaktionsturbin mer som att simma baklänges.Låt mig förklara! Tänk på hur du gör fristil (front crawl) genom att dra armarna genom vattnet, börja med varje hand så långt fram som du kan nå och avsluta med en ”follow through” som kastar din armvecka bakom dig. Vad du försöker uppnå är att hålla handen och underarmen i kontakt med vattnet så länge som möjligt, så att du överför så mycket energi som möjligt i varje slag. En reaktionsturbin använder samma idé i omvänd form: föreställ dig att snabbt strömmande vatten rör sig förbi dig så att det får dina armar och ben att röra sig och förser din kropp med energi! Med en reaktionsturbin vill du att vattnet ska beröra bladen jämnt och så länge som möjligt, så att det avger så mycket energi som möjligt. Vattnet träffar inte bladen och studsar av, vilket det gör i en impulsturbin: i stället rör sig bladen jämnare, ”följer med strömmen”.

Turbiner fångar upp energi endast vid den punkt där en vätska rör vid dem, så en reaktionsturbin (med flera blad som alla rör vid vätskan samtidigt) kan potentiellt utvinna mer energi än en impulsturbin av samma storlek (eftersom det vanligen bara är ett eller två blad som rör sig i vätskebanan åt gången).

Typer av reaktionsturbiner

Några vanliga konstruktioner av reaktionsturbiner är:

Wells – som ser ut ungefär som en propeller, med flygplansformade blad som vrider sig runt en horisontell axel.
Francis – typiskt sett, med stora V-formade blad, som ofta vrider sig runt en vertikal axel inuti ett slags jättelikt, spiralformat snigelhus. Francis är den överlägset vanligaste typen av vattenturbin; McCormick-, Kaplan- och Deriaz-turbiner är i huvudsak förbättringar av den ursprungliga Francis-konstruktionen.
Darrieus-med flygplansformade blad som vrider sig runt en vertikal axel.

Alla har sina för- och nackdelar. Wells, till exempel, kan vrida sig mycket snabbt, men är också bullrig och relativt ineffektiv. Francis är tystare och effektivare och mycket bra på att klara av de mekaniska påfrestningarna i djupa vattenkraftdammar (dammar med höga ”vattenhöjder”), men den är också långsammare och mekaniskt sett mer komplicerad. När de arbetar i luften är Darrieus-turbinerna närmare marken (så att de kan slippa ett otympligt torn), men det innebär att de är mindre effektiva när det gäller att utnyttja vinden (som blåser snabbare högre upp ovanför marken). De är i allmänhet mindre effektiva och mer instabila än andra turbinkonstruktioner (de måste ofta hållas i stånd med hjälp av staglinor) och används knappt kommersiellt.

Tänkande bakåt

Foto: Turbiner och propellrar fungerar på exakt motsatta sätt. Propellrar använder energi för att få en vätska att röra sig (luft, i ett flygplan, eller vatten, i ett fartyg eller en ubåt); turbiner utnyttjar energi när en rörlig vätska strömmar förbi dem. Till vänster: Propellerfoto av Tech. Sgt. Justin D. Pyle med tillstånd från US Air Force.

Foto: Turbinblad är formade på liknande sätt som propellerblad men tillverkas vanligtvis av högpresterande legeringar eftersom den vätska som strömmar förbi dem kan vara mycket varm. Foto av ett turbinblad som visas på Think Tank, vetenskapsmuseet i Birmingham, England.

Du kanske har lagt märke till att vindkraftverk ser ut precis som jättepropellrar – och det är ett annat sätt att tänka på turbiner: aspropellrar som arbetar i omvänd riktning. I ett flygplan vrider motorn propellern i hög hastighet, propellern skapar ett luftdrag som rör sig bakåt, och det är det som driver planet framåt. I en propeller är det de rörliga bladen som driver luften, i en turbin är det luften som driver bladen.

Turbiner liknar också pumpar och kompressorer. I en pump har man ett roterande skovelhjul som suger in vatten genom ett rör och kastar ut det genom ett annat så att man kan flytta vatten (eller en annan vätska) från ett ställe till ett annat. Om man tar isär en vattenpump kan man se att det inre skovelhjulet (som kallas impeller) är mycket likt det som finns i en vattenturbin. Skillnaden är att en pump använder energi för att få en vätska att röra sig, medan en turbin fångar upp energin från en rörlig vätska.

Turbiner i aktion

I stort sett delar vi in turbiner i fyra olika typer beroende på vilken typ av vätska som driver dem: vatten, vind, ånga och gas.Även om alla fyra typerna i stort sett fungerar på samma sätt – de snurrar runt när vätskan rör sig mot dem – skiljer de sig åt på ett subtilt sätt och måste utformas på mycket olika sätt. Ångturbiner, till exempel, snurrar otroligt snabbt eftersom ånga produceras under högt tryck. Vindturbiner som producerar elektricitet snurrar relativt långsamt (främst av säkerhetsskäl), så de måste vara enorma för att fånga upp stora mängder energi. Gasturbiner måste tillverkas av särskilt motståndskraftiga legeringar eftersom de arbetar vid så höga temperaturer. Vattenturbiner är ofta mycket stora eftersom de måste utvinna energi från en hel flod som dämts upp och omdirigerats så att den flödar förbi dem. De kan snurra relativt långsamt, eftersom vatten är tungt och bär mycket energi (på grund av sin stora massa) även när det flyter i låga hastigheter.

Vattenturbiner

Foto: Vatten strömmar förbi de vinklade bladen, driver dem runt och vrider axeln som de är fästa på. Axeln driver en elgenerator som producerar ström.Foto med tillstånd av US Bureau of Reclamation.

Vattenhjul, som går tillbaka över 2 000 år till de gamla grekernas tid, var de ursprungliga vattenturbinerna. I dag används samma princip för att producera elektricitet i vattenkraftverk.Den grundläggande idén med vattenkraft är att man dämmer upp en flod för att utnyttja dess energi. Istället för att floden ska rinna fritt nedåt från sin källa i en kulle eller ett berg mot havet får man den att falla över en höjd (en så kallad fallhöjd) så att den ökar sin hastighet (med andra ord så att den potentiella energin omvandlas till kinetisk energi) och sedan kanaliseras genom ett rör, en så kallad tryckrörsrör, förbi en turbin och en generator. Vattenkraft är i praktiken en energiomvandling i tre steg:

Flodvattnets ursprungliga potentiella energi (som den har eftersom den startar från hög mark) omvandlas till kinetisk energi när vattnet faller genom en höjd.
Den kinetiska energin i det rörliga vattnet omvandlas till mekanisk energi av en vattenturbin.
Den snurrande vattenturbinen driver en generator som förvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi.

Olika typer av vattenturbiner används beroende på områdetsgeografi, hur mycket vatten som finns tillgängligt (flödet) och den sträcka som vattnet kan falla över (fallhöjden).Vissa vattenkraftverk använder skopliknande impulsturbiner (vanligen Peltonhjul), andra använder Francis-, Kaplan- eller Deriaz-reaktionsturbiner. Impulsvattenturbiner (som Peltonhjulet) kan vara helt öppna för luft – ibland kan man faktiskt se vattenstrålen träffa turbinen. Reaktionsvattenturbiner (som Francis-turbinen) måste däremot vara helt inneslutna i den kanal eller passage genom vilken vattnet strömmar. Som nämnts ovan tar en impulsturbin upp energi endast i den enda punkt där vattenstrålen träffar den, medan en reaktionsturbin tar upp energi över hela hjulet på en gång – vilket är anledningen till att en reaktionsturbin i ett vattenkraftverk kan producera mer kraft än en impulsturbin av samma storlek.Detta förklarar i sin tur varför de flesta moderna vattenkraftverk använder sig av reaktionsturbiner.

Foto:

En Pelton-vattenturbin. Lägg märke till att varje hink i själva verket är två hinkar som är sammanfogade. vattenstrålen träffar ”splittern” (platsen där hinkarna sammanfogas i mitten) och delar upp den i två strålar som kommer ut rent på vardera sidan. Foto av Benjamin F. Pearson med tillstånd av Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record, US Library of Congress.

Vindturbiner

Dessa behandlas mer ingående i vår separata artikel om vindturbiner.

Foto: Tornet står ~50 meter över marken eftersom vinden rör sig snabbare när den är fri från hinder på marknivå.Rotorbladen har en diameter på ~15 meter och kan med ett stort svep fånga upp upp till 225 kW (kilowatt) energi.

Dampturbiner

Dampturbiner utvecklades från de ångmaskiner som förändrade världen under 1700- och 1800-talen. I en ångmaskin bränns kol på en öppen eld för att frigöra den värme det innehåller. Värmen används för att koka vatten och skapa ånga, som driver en kolv i en cylinder för att driva en maskin, t.ex. ett lokomotiv. Detta är ganska ineffektivt (det är slöseri med energi) av en mängd olika skäl. En mycket bättre konstruktion tar ångan och leder den förbi bladen i en turbin, som snurrar runt som en propeller och driver maskinen i sin tur.

Dampturbiner var en pionjär för den brittiske ingenjören Charles Parsons (1854-1931), som använde dem för att driva en berömd snabb motorbåt kallad Turbinia år 1889. Sedan dess har de använts på många olika sätt. Nästan alla kraftverk genererar elektricitet med hjälp av ångturbiner. I ett koleldat kraftverk förbränns kol i en ugn och används för att värma vatten för att skapa ånga som driver höghastighetsturbiner kopplade till elgeneratorer. I ett kärnkraftverk kommer värmen som gör ångan från atomreaktioner.

Till skillnad från vatten- och vindturbiner, som placerar en enda roterande turbin i flödet av vätska eller gas, har ångturbiner en hel serie turbiner (var och en av dem kallas ett steg) som är ordnade i en sekvens i vad som i praktiken är ett slutet rör. När ångan kommer in i röret leds den förbi varje steg i turordning så att successivt mer av dess energi utvinns. Om du någonsin har sett en vattenkokare koka vet du att ångan expanderar och rör sig mycket snabbt om den leds genom ett munstycke. Av den anledningen kan ångturbiner snurra i mycket höga hastigheter – många gånger snabbare än vind- eller vattenturbiner.

Läs mer i huvudartikeln om ångturbiner.

Foto: En prototyp av en gasturbin som tillverkas för ett högeffektivt kraftverk. Varje metallhjul är ett separat turbinsteg som är konstruerat för att utvinna lite mer energi ur en höghastighetsgas. Du kan se hur stor den här turbinen är genom att titta på den lilla vitklädda mannen som sitter i mitten av maskinen. Foto taget vid National Energy Technology Laboratory, Morgantown med tillstånd av US Department of Energy.

Gasturbiner

Flygplansjetmotorer är lite som ångturbiner eftersom de har flera steg. I stället för ånga drivs de av en blandning av den luft som sugs in framtill i motorn och de otroligt heta gaser som bildas vid förbränning av stora mängder fotogen (petroleumbaserat bränsle). Något mindre kraftfulla gasturbinmotorer används också i moderna lokomotiv och industrimaskiner.Se vår artikel om jetmotorer för mer information.

Arquidia Mantina