У цій статті ми ознайомимося з відповіддю на питання, що таке турбіна. Тут читач знайде інформацію про її характеристиці, види і способи експлуатації людиною, а також розглянемо історичні відомості, пов’язані з розвитком цього механічного пристрою.
Введення
Що таке турбіна і як вона діє? Це лопаткова система (машина), яка займається перетворенням енергій: внутрішньої і/або кінетичної. Цей ресурс дає робоче тіло і дозволяє виконувати валу його механічне призначення. На лопатки впливають допомогою струменя робочого тіла, що закріплюють близько кіл роторів. Вона ж призводить до їх руху.
Може знаходити своє застосування в якості турбіни електростанцій (АЕС, ТЕС, ГЕС), фрагмента приводів для різного типу транспортів, а також може служити складовою частиною гідронасосів і газотурбінних двигунів. Справжня енергетична промисловість не спроможна обходитися без цих пристроїв. Вид теплопередачі обертання турбіни на теплових електростанціях, володіє високою продуктивністю, він дуже енергоємний. Це дозволяє людині використовувати різні ресурси у відносно малих кількостях, в порівняння з обсягом одержуваного електрики.
Історичні дані
Безліч спроб створити пристрій, схожий з сучасним турбіною, було скоєно ще задовго до її повноцінного виду, придбаного нею наприкінці дев’ятнадцятого століття. Перша спроба належить Герону Олександрійському (1 століття н. е..).
І. в. Лінде стверджував, що саме в XIX столітті була народжена маса планів і проектів, які дозволили людині перевершити «матеріальні труднощі», що заважають виконанню і створення такої техніки. Головними подіями тих років було розвиток термодинамічної науки, а також металургійної та машинобудівної галузей. В кінці XIX два вчених, окремо і незалежно, змогли створити парову турбіну, придатну в різних галузях промисловості. Це були Густав Лаваль родом зі Швеції і Чарлз Парсонс родом з Великобританії.
Хронологічні дані подій
А тепер ознайомимося з деякими подіями, пов’язаними з історією винаходу турбіни:
- У I ст. н. е. парову турбіну спробував створити Герон Олександрійський, однак кілька століть після цього її не вивчали в силу помилкової думки про неспроможність ідеї.
- В 1500 р. можна знайти згадування про «димовому парасолі» – приладі, піднімає гарячі потоки повітря від полум’я через лопаті, сполучені між собою і обертають вертел.
- Джованні Бранкою в 1629 р., було скоєно створення турбіни, лопатки якій піднімалися за рахунок дії сильного струменя пари.
- У 1791 р., Джоном Барбером родом з Англії було набуто право на володіння патентом, який дозволив йому стати першим володарем і творцем сучасної газової турбіни.
- Турбіни, що працюють на воді, вперше були створені в 1832 р. французьким ученим Бюрденом.
- У 1894 р. була запатентована ідея про кораблі, який змушувала рухатися парова турбіна, а його володарем став Сер Ч. Парсонс.
- 1903 рік: Эджидиус Елінг з Норвегії сконструював першу в своєму роді турбінну систему на газі, яка змогла передавати більше енергії, ніж затрачати на внутрішнє обслуговування компонентів самої турбіни. Ця технологія стала значним проривом тих часів. Проблеми обумовлювалися недостатнім рівнем розвитку термодинамічних знань, проте були подолані.
- У 1913 році Нікола Тесла став власником патенту на турбіну, яка працює на основі ефекту прикордонного шару.
- 1920 рік: практична теорія протікання газового потоку через канали дозволила сформулювати чіткі дані для розвитку теоретичного уявлення про процес протікання, в якому газ рухається вздовж аеродинамічній площині. Ця робота була пророблена доктором А. А. Грифицем.
- Для літака турбіна реактивного руху була створена Сером Ф. Уиттлом, а сам двигун тестували з успіхом у квітні 1937 р.
Праці Густава Лаваля
Першим творцем турбіни на пару став Густав Лаваль, винахідник родом зі Швеції. Існує думка про те, що до конструювання такого механізму його привело бажання забезпечити власноруч зроблений сепаратор для молока механічною дією, виконує без прямого втручання людиною. Двигуни тих часів не дозволяли створювати необхідну швидкість обертання.
Робочим тілом у машині Лаваля послужив пар. У 1889 році він зробив додаток сопла турбін, на які поставив конічні розширювачі. Його праця став інженерним проривом, і це зрозуміло, адже аналіз величини навантаження, яку надавали на робоче колесо, показує, що вона була надсильної. Такий вплив навіть при найменшому порушенні призвело б до збою в утриманні центру тяжкості і викликало б негайне виникнення неполадок у роботі підшипників. Уникнути такої проблеми винахідник зміг за допомогою використання тонкої осі, яка при обертанні.
Чарлз Парсонс і його робота
Чарлзу Парсонсу був привласнений патент на винахід першої багатоступінчастої турбіни, а зробив він це у 1884 році. Робота механізму приводила в дію пристрій електрогенератора. Роком пізніше, у 1885-му, він модифікував свою версію, почала масштабно поширюватися і застосовуватися на електростанціях. Пристрій володіло вирівнюючим апаратом, який утворювався з вінців, з лопатами турбіни, які прямували у зворотний бік. Самі вінці залишалися нерухомими. Механізм мав 3 ступеня з різними показниками сили тиску і геометричними параметрами лопаток, а також шляхами їх встановлення. Турбіна використовувала як активну, так і реактивну силу.
Пристрій турбіни
Тепер ми розглянемо питання, що таке турбіна, заглибившись у механізм її дії.
Турбінна ступінь утворюється за допомогою двох головних частин:
Залежно від напрямку руху потоків робочі тіла можна розділити на аксіальні і радіальні турбінні механізми. У перших потік р. т. рухається у напрямку вздовж турбінної осі. Радіальними називають турбіни, у яких потік направляється перпендикулярно валовий осі.
Кількість контурів дозволяє розділяти такі механізми на одно-, двох – і трехконтурные. Іноді можна зустріти турбіни з чотирма або п’ятьма контурами, але це вкрай рідкісне явище. Многоконтурное пристрій турбіни дає можливість користуватися великими стрибками в теплових перепадах ентальпії. Це обумовлюється розміщенням великого числа ступенів з різним тиском, а також впливає на потужність турбіни.
У відповідності з кількістю валів можна розрізняти одно-, двох – і іноді трехвальные турбіни. Вони зв’язуються загальними параметрами теплових явищ або механізмом редуктора. Вали можуть розташовуватися коаксіально і паралельно.
Пристрій і принцип дії турбіни наступні: у місцях, де відбувається прохід вала через стінки корпусу, розташовуються потовщення, які попереджають витікання робочого тіла назовні і засмоктування повітря в корпус.
Передній кінець вала обладнаний граничним регулятором, який в разі необхідності автоматично зупинить турбіну. Це трапляється, наприклад, в результаті підвищення показника обертальної частоти, яка допустима для конкретного пристрою.
Перетворення енергії газу
Що таке турбіна? В загальному вигляді – це машина, призначення якої полягає в перетворенні енергії в роботу. Їх існує кілька видів, і одним з таких є газова турбіна.
Пристрій газової турбіни засноване на перекладі енергетичного потенціалу газу в стисненому або нагрітому стані в роботу, яку виконує механізм валу. Головні елементи – це ротор і статор. Своє застосування знаходить як деталі газотурбінного двигуна, ГТУ і ПГУ.
Механізм газової турбіни
Робота турбіни здійснюється, коли сопловой апарат пропускає гази під тиском всередину корпусу, в ті місця, де воно невелике. При цьому молекули газу розширюються і прискорюються. Далі вони потрапляють на поверхню робочих лопаток і віддають їм відсоток свого кінетичного заряду енергії. Відбувається повідомлення крутного моменту лопаток.
Механічний пристрій газової турбіни може бути набагато простіше, ніж поршневого двигуна внутрішнього згоряння. Сучасні турбореактивні двигуни можуть володіти кількома валами і сотнями лопаток як на стартері, так і на валу. Прикладом можуть служити турбіни літаків. Їх характеристикою також є наявність складної системи розташування трубопроводу, теплообмінників і камер, призначених для згоряння.
Підшипники як радіального, так і наполегливої типу служать критичним елементом в цій розробці. Традиційно застосовувалися гідродинамічні або охолоджувані маслом шарикообразные підшипники, проте незабаром їх обійшли повітряні. Донині їх застосовують для створення мікротурбін.
Теплові двигуни
Теплова турбіна перетворює роботу, виконувану пором, в механічну. Всередині лопаткового апарату відбувається перетворення потенційної енергії пари в нагрітому і стислому стані в кінетичну форму. Остання, у свою чергу, перетворюється в механічну і зумовлює обертання вала.
Надходження пари відбувається за допомогою парокотельного пристрою і спрямовується на кожну криволінійну лопатку, закріплену по колу ротора. Далі пар впливає на неї, і всі разом лопатки змушують ротор обертатися. Турбіна на пару є елементом ПТУ. Турбоагрегат утворюється за допомогою суміщення роботи парової турбіни і електрогенератора.
Основна частина парового двигуна
Парові механізми утворюються, так само, як і газові, за допомогою ротора і статора. На першому закріплюються здатні до руху лопатки, а на останньому – не здатні.
Рух потоку протікає відповідно до аксіальної або радіальної формою, що залежить від типу напрямки потоків пара. Аксіальна форма характеризується переміщенням пара периметра осі, якому має турбіна. Радіальна турбіна має потоками пари, які рухаються перпендикулярно. При цьому лопатки розташовують паралельно до осі, за якої відбувається обертання. Можуть мати від одного до п’яти циліндрів. Число валів також може змінюватись. Існують пристрої, що володіють одним, двома або трьома валами.
Корпус – це нерухома частина, яку називають статором. Він володіє рядом выточек, які встановлюються діафрагми, з відповідними площині роз’єму турбінного корпусу роз’ємами. По їх периферії розміщують ряд соплових каналів (решіток), які утворюються за допомогою криволінійних лопаток, залитих в діафрагму або приварених до неї.
Турбокомпресор
Існує механізм, який використовує відробила частина газів з метою збільшення показника тиску в просторі впускний камери. Такий агрегат називають турбокомпресором.
Основні частини подані доцентровым або осьовим компресором і газовою турбіною, необхідної для приведення його в дію. Володіє одним валом. Головна функція полягає у підвищенні тиску, що чиниться робочим тілом. Це стає можливим у силу нагрівання газотурбінного двигуна роботою самого компресора, здобуває потужність завдяки турбіні.
Висновок
Тепер читач має загальними уявленнями про будову, принцип роботи, механізм дії, способи експлуатації турбін. Тут також були розглянуті конкретні види турбін, що відрізняються видом робочого тіла, і історичні відомості, що показують загальний хід розвитку даних механізмів. Підвівши підсумки, можна сказати, що турбіни – це пристрої, що перетворюють енергію. Спроби їх створення були здійснені ще задовго до нашої ери. В даний час вони широко використовуються людиною в різних галузях промисловості, що значно спрощує процес роботи, підсилює продуктивність і дозволяє здійснювати механічні дії, раніше недоступні людству.
