Кіріспе

Сұйықтық ағынынан энергия алатын айналымдық механикалық құрылғы. Турбина (грекше τύρβη, tyrbē немесе латынша turbo, «бұрқасын» деген мағынаны білдіреді) – сұйықтық ағынынан энергияны алып, оны пайдалы жұмысқа айналдыратын айналымдық механикалық құрылғы. Шығарылған жұмыс генератормен біріктірілген кезде электр қуатын өндіруге қолданылуы мүмкін. Турбина – кемінде бір қозғалатын бөлігі бар, ротор жинағы деп аталатын турбомашина, ол біліктен немесе барабаннан және жалғанған қақпақтардан тұрады. Қозғалатын сұйықтық қақпақтарға әсер етеді, осылайша олар қозғалып, роторға айналу энергиясын береді. Турбинаның ертедегі мысалдары – жел және су доңғалақтары. Газ, бу және су турбиналары жұмыс сұйықтығын қамтитын және басқаратын корпуспен жабдықталған. Бу турбинасын ойлап табу еңбегі ағылшын-ирланд инженері сэр Чарльз Парсонсқа (1854–1931) – реакциялық турбинаны, ал швед инженері Густаф де Лавальға (1845–1913) – импульстік турбинаны ойлап табу үшін беріледі. Қазіргі заманғы бу турбиналары көбінесе реакция мен импульстің екеуін де бір құрылымда қолданады, әдетте қақпақтың түбірінен шетіне дейін реакция және импульс дәрежесін өзгертеді. Александриялық Герон бірінші ғасырда эолипиледе турбина принципін көрсетті, ал Витрувий оларды шамамен 70 ж. б.з. дейін айтқан. «Турбина» сөзі 1822 жылы француз тау-кен инженері Клод Бурден грекше τύρβη, tyrbē сөзінен, яғни «воронка» немесе «айналу» деген мағынаны білдіретін сөзден шығарылған. Ол «Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse» атты ескертпесін Париждегі Корольдік ғылым академиясына ұсынған. Клод Бурденнің бұрынғы шәкірті Бенуа Фурнейрон алғашқы су турбинасын жасады.

Операция теориясы

Жұмыс сұйықтығы потенциалдық энергияны (қысым басы) және кинетикалық энергияны (жылдамдық басы) қамтиды. Сұйықтық сығымдалатын немесе сығымдалмайтын болуы мүмкін. Турбиналар осы энергияны жинау үшін бірнеше физикалық принциптерді пайдаланады: Импульстік турбиналар жоғары жылдамдықты сұйық немесе газ ағынының бағытын өзгертеді. Нәтижесінде туындаған импульс турбинаны айналдырады және сұйық ағынының кинетикалық энергиясын азайтады. Бу немесе газ турбинасындағыдай, турбина қалақтарында (қозғалмалы қалақтар) сұйық немесе газдың қысымы өзгереді, ал барлық қысым төмендеуі тұрақты қалақтарда (соплодарда) жүзеге асады. Турбинаға жеткенге дейін сұйықтың қысым басы сопло арқылы сұйықты жылдамдату арқылы жылдамдық басына айналдырылады. Пелтон дөңгелектері мен де Лаваль турбиналары осы процесті ғана қолданады. Импульстік турбиналарға ротордың айналасында қысым корпусы қажет емес, өйткені сұйық ағыны ротор қалақтарына жеткенге дейін сопломен жасалады. Импульстік турбиналар үшін энергияның берілуін Ньютонның екінші заңы сипаттайды. Импульстік турбиналар ағынның төмен және кіреберіс қысымының жоғары болған жағдайларда тиімдірек қолданылады.

Қолданылуы

Әлемдегі электр қуатының үлкен бөлігі турбогенераторлар арқылы өндіріледі. Турбиналар құрлықта, теңізде және әуедегі газ турбиналық қозғалтқыштарда қолданылады. Турбокомпрессорлар поршенді қозғалтқыштарда пайдаланылады. Газ турбиналарының қуат тығыздығы өте жоғары (яғни қуаттың массаға немесе көлемге қатынасы), себебі олар өте жоғары жылдамдықпен жұмыс істейді. Ғарыш шаттлының негізгі қозғалтқыштары жанар майды (сұйық оттегі және сұйық сутегі) қозғалтқыштың жану камерасына беру үшін турбопомпаларды (турбиналық қозғалтқышпен қоздырылатын сорғыдан тұратын машиналар) қолданды. Сұйық сутегі турбопомпасы автомобиль қозғалтқышынан сәл үлкен (салмағы шамамен 700 фунт) және турбинасы шамамен 70 000 ат күші (52,2 МВт) қуат өндіреді. Турбоэкспандерлер өнеркәсіптік процестерде салқындату үшін қолданылады.