Турбина
Турби́на (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение) — первичный вращательный двигатель с непрерывным рабочим процессом, преобразующий кинетическую и внутреннюю энергию рабочего тела (жидкости, газа или пара) в механическую работу вращения вала[1].
Основным конструктивным элементом турбины является ротор, на котором закреплены рабочие лопатки. Поток рабочего тела воздействует на лопатки, создавая крутящий момент, который затем передаётся на генератор, компрессор, гребной винт или иные исполнительные механизмы. Турбины являются основой современной энергетики и тяжёлого машиностроения[2].
История развития
Первым прообразом турбины считается геронов шар (эолипил) Герона Александрийского (I век н. э.), работавший за счёт реактивной силы пара. В промышленном масштабе турбины начали развиваться в XIX веке:
- В 1832 году французский инженер Бенуа Фурнерон создаёт первую коммерчески успешную водяную турбину.
- В 1884 году Чарлз Алджернон Парсонс патентует многоступенчатую реактивную паровую турбину, совершившую переворот в энергетике и на флоте.
- В 1889 году Густав де Лаваль разрабатывает активную одноступенчатую паровую турбину с расширяющимся соплом (сопло Лаваля).
Классификация по типу рабочего тела
В зависимости от используемой физической среды турбины разделяют на четыре основных класса.
Паровые турбины
Паровая турбина использует в качестве рабочего тела перегретый водяной пар высокого давления.
- Применение:
Являются основным типом двигателей на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях, где они приводят в движение турбогенераторы, а также на крупных военных кораблях и ледоколах.
- Особенности:
Часто строятся многоцилиндровыми (цилиндры высокого, среднего и низкого давления) для максимального использования энергии пара.
Газовые турбины
Газовая турбина работает на продуктах сгорания органического топлива (газа, керосина).
- Применение:
Наземные газотурбинные теплоэлектростанции, газоперекачивающие станции, а также авиация (основа газотурбинных и турбореактивных двигателей).
- Особенности:
Отличаются высокой удельной мощностью, быстрым запуском, но требуют применения сверхжаропрочных материалов для рабочих лопаток (работа при температурах свыше 1200 °C).
Гидравлические турбины (Гидротурбины)
Гидротурбина преобразует энергию движения или напора воды.
- Применение:
Устанавливаются на гидроэлектростанциях (ГЭС) и ГАЭС.
- Классификация:
- Активные (ковшовые турбины Пелтона) — используются при очень больших напорах воды (до 1500 м) и малых расходах.
- Реактивные (радиально-осевые турбины Френсиса, поворотно-лопастные турбины Каплана) — применяются на средних и низких напорах при больших объёмах прокачки воды.
Ветровые турбины (Ветрогенераторы)
Ветряная турбина использует кинетическую энергию воздушных масс (ветра) для генерации электричества.
- Применение:
- Особенности:
Имеют низкую скорость вращения ротора и огромный диаметр лопастей (до 150–200 метров в офшорных установках).
Классификация по принципу действия
По характеру изменения давления и скорости потока в проточном тракте турбины делятся на два типа:
- Активные (импульсные) турбины — расширение рабочего тела и падение его давления происходят исключительно в неподвижных соплах (направляющем аппарате). В самих рабочих лопатках меняется только направление вектора скорости потока, а давление остаётся неизменным.
- Реактивные турбины — расширение рабочего тела происходит как в неподвижных направляющих лопатках, так и непосредственно между подвижными рабочими лопатками ротора. Поток создаёт реактивную силу, толкающую лопатку в сторону, противоположную выходу газа или пара.
Классификация по направлению потока
- Осевые (аксиальные) турбины — поток рабочего тела движется вдоль оси вращения ротора. Наиболее распространены в авиации и крупной энергетике.
- Радиальные (центростремительные) турбины — поток движется перпендикулярно оси вращения (от периферии к центру). Часто применяются в турбокомпрессорах автомобильных двигателей и небольших криогенных установках.
См. также
Литература и источники
- Щегляев А. В. Паровые турбины. Теория теплового процесса и конструкции турбин. — М.: Энергия, 1976.
- Жирицкий Г. С. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. — М.: Оборонгиз, 1963.