Введение
Турбина (от греческого τύρβη, tyrbē, или латинского turbo, означающего вихрь) – это вращающееся механическое устройство, которое извлекает энергию из потока жидкости и преобразует её в полезную работу. Производимая работа может быть использована для выработки электроэнергии в сочетании с генератором. Турбина – это турбомашина, имеющая как минимум одну движущуюся часть, называемую роторным узлом, который представляет собой вал или барабан с закреплёнными лопастями. Движущаяся жидкость воздействует на лопасти, заставляя их двигаться и передавать вращательную энергию ротору. Ранними примерами турбин являются ветряные мельницы и водяные колёса. Газовые, паровые и водяные турбины имеют корпус, окружающий лопасти, который удерживает и контролирует рабочий флюид. Изобретение паровой турбины приписывается как англо-ирландскому инженеру сэру Чарльзу Парсонсу (1854–1931) за изобретение реактивной турбины, так и шведскому инженеру Густафу де Лавалю (1845–1913) за изобретение импульсной турбины. Современные паровые турбины часто используют как реактивный, так и импульсный принципы в одном агрегате, обычно изменяя степень реактивности и импульсивности от основания лопасти к её периферии. Герон Александрийский продемонстрировал принцип турбины в эолипиле в первом веке нашей эры, а Витрувий упоминал о них примерно в 70 году до н.э. Слово "турбина" было введено в 1822 году французским горным инженером Клодом Бурденом из греческого τύρβη, tyrbē, означающего "вихрь" или "крутящийся", в записке "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse", представленной им в Королевскую академию наук в Париже. Бенуа Фурнейрон, бывший ученик Клода Бурдена, построил первую практичную водяную турбину.
A turbine (/'//t//ɜːr//b//aɪ//n/ or /'//t//ɜːr//b//ɪ//n/) (from the Greek τύρβη, tyrbē, or Latin turbo, meaning vortex) is a rotary mechanical device that extracts energy from a fluid flow and converts it into useful work. The work produced can be used for generating electrical power when combined with a generator. A turbine is a turbomachine with at least one moving part called a rotor assembly, which is a shaft or drum with blades attached. Moving fluid acts on the blades so that they move and impart rotational energy to the rotor. Early turbine examples are windmills and waterwheels. Gas, steam, and water turbines have a casing around the blades that contains and controls the working fluid. Credit for invention of the steam turbine is given both to Anglo Irish engineer Sir Charles Parsons (1854–1931) for invention of the reaction turbine, and to Swedish engineer Gustaf de Laval (1845–1913) for invention of the impulse turbine. Modern steam turbines frequently employ both reaction and impulse in the same unit, typically varying the degree of reaction and impulse from the blade root to its periphery. Hero of Alexandria demonstrated the turbine principle in an aeolipile in the first century AD and Vitruvius mentioned them around 70 BC. The word "turbine" was coined in 1822 by the French mining engineer Claude Burdin from the Greek τύρβη, tyrbē, meaning "vortex" or "whirling", in a memo, "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse", which he submitted to the Académie royale des sciences in Paris. Benoit Fourneyron, a former student of Claude Burdin, built the first practical water turbine.
Теория работы
Рабочая жидкость содержит потенциальную энергию (напор) и кинетическую энергию (скорость). Жидкость может быть сжимаемой или несжимаемой. Турбины используют несколько физических принципов для извлечения этой энергии:
Импульсные турбины изменяют направление потока высокоскоростной струи жидкости или газа. Возникший импульс вращает турбину, а поток жидкости покидает турбину с уменьшенной кинетической энергией. Изменение давления жидкости или газа в рабочих лопатках турбины не происходит – в случае паровых или газовых турбин всё падение давления происходит в направляющих аппаратах (соплах). Перед поступлением в турбину, потенциальная энергия давления жидкости преобразуется в кинетическую энергию за счет ускорения жидкости в сопле. Колеса Пелтона и турбины де Лаваля используют исключительно этот принцип. Импульсные турбины не требуют кожуха вокруг ротора, поскольку струя жидкости формируется соплом до контакта с лопатками ротора. Второй закон Ньютона описывает передачу энергии в импульсных турбинах. Импульсные турбины наиболее эффективны при низких расходах и высоком давлении на входе.
Применение
Большая часть мировой электроэнергии вырабатывается турбогенераторами. Турбины используются в газотурбинных двигателях на суше, на море и в воздухе. Турбонаддувы используются в поршневых двигателях. Газовые турбины обладают очень высокой удельной мощностью (то есть отношением мощности к массе или мощности к объему), поскольку работают на очень высоких оборотах. В основных двигателях космического шаттла использовались турбонасосы (устройства, состоящие из насоса, приводимого в действие турбиной) для подачи топлива (жидкого кислорода и жидкого водорода) в камеру сгорания двигателя. Турбонасос жидкого водорода немного больше автомобильного двигателя (весом около 318 кг), при этом турбина развивает мощность почти 70 000 л.с. (52,2 МВт). Турборасширители используются для холодильного оборудования в промышленных процессах.