Как работают турбины | Импульсные и реактивные турбины

Что общего у ветряной мельницы, стоящей на песчаном замке,
с огромным океанским лайнером, гидроэлектростанцией или
трансатлантическим самолетом? Ответ: все они используют турбины — машины
, которые улавливают энергию из движущейся жидкости или
газа. В ветряной мельнице песчаного замка изогнутые лопасти предназначены для улавливания энергии ветра,
чтобы они порхали и вращались. В океанском лайнере или самолете горячий горящий газ
используется для вращения металлических лопастей на высокой скорости — улавливая энергию, которая
используется для питания винта судна или для того, чтобы толкать самолет в небе.
Турбины также помогают нам производить большую часть нашей
электроэнергии: турбины, приводимые в действие паром, используются практически на каждой крупной
электростанции, в то время как ветровые и водяные турбины помогают нам
производить возобновляемую энергию. Везде, где энергия используется для нужд человека, турбины обычно находятся где-то поблизости. Давайте поближе рассмотрим эти удобные
машины и узнаем, как они работают!

Фото: Разрезная модель паровой турбины, используемой для выработки электроэнергии на
электростанции. Это экспонат в научном музее Think Tank в Бирмингеме, Англия.

Что такое турбина?

Фото: Старинная ветряная мельница. Фото предоставлено
Коллекцией калифорнийских фотографий Джона Б. Лавлейса в проекте «Америка» Кэрол М. Хайсмит,
Библиотека Конгресса, Отделом эстампов и фотографий.

Ветряная мельница — это простейший вид турбины: машина, предназначенная для
захвата части энергии из движущейся жидкости (жидкости или газа), чтобы
ее можно было использовать. Когда ветер дует мимо крыльев ветряной мельницы, они
вращаются, забирая часть кинетической энергии ветра (энергии
движения) и преобразуя ее в механическую энергию, которая
вращает тяжелые, вращающиеся камни внутри мельницы. Чем быстрее
дует ветер, тем больше энергии он содержит; чем быстрее
вращаются крылья, тем больше энергии поступает в мельницу. Добавление большего
количества крыльев к ветряной мельнице или изменение их конструкции, чтобы они
лучше улавливали ветер, также может помочь захватить больше энергии ветра. Хотя
вы можете этого не осознавать, ветер дует немного медленнее после того, как он проходит мимо
ветряной мельницы, чем до этого — он отдает часть своей энергии мельнице!

Ключевые части турбины — это набор лопастей, которые захватывают
движущуюся жидкость, вал или ось, которая вращается при движении лопастей, и
некая машина, которая приводится в движение осью. В современной
ветряной турбине обычно есть три лопасти, похожие на пропеллеры, прикрепленные к
оси, которая приводит в действие электрогенератор. В древнем водяном колесе
есть деревянные планки, которые вращаются, когда вода течет под ними или над
ними, вращая ось, к которой прикреплено колесо, и обычно приводя в действие
какой-то фрезерный станок.

Импульсные и реактивные турбины

Турбины работают двумя разными способами, которые описываются как импульс
и реакция — термины, которые часто очень запутанно описываются
(а иногда и полностью путаются), когда люди пытаются их объяснить.
Так в чем же разница?

Импульсные турбины

В импульсной турбине быстро движущаяся
жидкость выстреливается через узкое сопло на лопатки турбины, заставляя их вращаться. Лопасти
импульсной турбины обычно имеют форму ковша, поэтому они захватывают
жидкость и направляют ее под углом или иногда даже назад по
направлению ее поступления (потому что это обеспечивает наиболее эффективную передачу энергии
от жидкости к турбине). В импульсной турбине жидкость вынуждена
ударяться о турбину на высокой скорости.

Представьте себе попытку заставить колесо вращаться, пиная футбольные мячи
в его лопасти. Вам нужно, чтобы мячи сильно ударялись и хорошо отскакивали назад, чтобы
колесо вращалось, — и эти постоянные импульсы энергии
являются ключом к тому, как это работает. Закон сохранения энергии
гласит, что энергия, которую колесо приобретает каждый раз, когда мяч ударяется о него, равна энергии, которую мяч теряет, — поэтому мячи будут двигаться медленнее, когда они отскакивают назад.
Кроме того, второй закон движения Ньютона гласит, что импульс, получаемый
колесом, когда мяч ударяется о него, равен импульсу, потерянному самим мячом;
чем дольше мяч касается колеса и чем сильнее (сильнее) он ударяется, тем больше импульса он передаст.

Художественное произведение: Импульсная турбина, подобная этой, работает, когда входящая жидкость ударяется о ковши и отскакивает
обратно. Точная форма ковшей и то, как жидкость ударяется о них, сильно влияет на то, сколько энергии может уловить турбина. Ковши также должны быть спроектированы так, чтобы воздействие струи на один котел не влияло на следующий котел.

Водяные турбины часто основаны на импульсной турбине (хотя некоторые работают с использованием реактивных турбин). Они просты по конструкции, легки в сборке и дешевы в обслуживании, не в последнюю очередь потому, что их не нужно заключать в трубу или корпус (в отличие от реактивных турбин).

Художественное произведение: Водяное колесо Пелтона является примером импульсной турбины. Оно вращается,
когда одна или несколько струй воды высокого давления (синие), управляемые клапаном (зеленые), выстреливают в ковши по краю колеса (красные). Лестер Пелтон получил патент на эту идею в 1889 году, из которого взят этот рисунок.
Художественное произведение из патента США 409,865: Водяное колесо Лестера Пелтона, любезно предоставлено Патентным и товарным знаком США.

Реактивные турбины

В реактивной турбине лопасти находятся в
гораздо большем объеме жидкости и поворачиваются, когда жидкость течет мимо них.
Реактивная турбина не меняет направление потока жидкости так радикально, как
импульсная турбина: она просто вращается, когда жидкость проталкивается через ее лопасти и проходит мимо них.
Ветровые турбины, пожалуй, являются наиболее известными примерами реактивных турбин.

Художественное произведение: Реактивная турбина, подобная этой, гораздо больше похожа на пропеллер. Главное отличие в том, что в турбине больше лопастей (я просто нарисовал четыре лопасти для простоты) и часто несколько наборов лопастей (несколько ступеней), как вы можете видеть на фотографиях паровых и газовых турбин в верхней части этой страницы.

Если импульсная турбина немного похожа на удары по футбольным мячам, то реактивная турбина больше похожа на плавание — наоборот.
Позвольте мне объяснить! Подумайте о том, как вы плывете вольным стилем (кролем), протаскивая руки через воду, начиная с того, что каждая
рука находится как можно дальше впереди, и заканчивая «проходом», когда рука отбрасывается
далеко назад. То, чего вы пытаетесь добиться, — это держать руку и предплечье, толкающими
воду как можно дольше, чтобы вы передавали как можно больше энергии в каждом гребке. Реактивная турбина
использует ту же идею наоборот: представьте, что мимо вас быстро течет вода, так что она заставляет ваши руки и ноги двигаться и снабжает энергией ваше тело! С реактивной турбиной вы хотите, чтобы вода касалась лопастей плавно, как можно дольше,
чтобы она отдавала как можно больше энергии. Вода не ударяется о лопасти и не отскакивает,
как это происходит в импульсной турбине: вместо этого лопасти движутся более плавно, «плывя по течению».

Фото: Типичная реактивная турбина геотермальной электростанции.
Вода или пар протекают мимо наклонных лопастей, толкая их и вращая центральный вал, к которому они
прикреплены. Вал вращает генератор, который вырабатывает электричество.
Фото Генри Прайса предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемой энергии (DOE/NREL).

Турбины улавливают энергию только в точке соприкосновения с жидкостью, поэтому реактивная турбина
(с несколькими лопастями, одновременно касающимися жидкости) потенциально извлекает больше энергии, чем импульсная турбина
того же размера (поскольку обычно только одна или две ее лопасти находятся на пути жидкости в каждый момент времени).

Типы реактивных турбин

Вот некоторые распространённые конструкции реактивных турбин:

• Уэллс — очень похожий на пропеллер с лопастями аэродинамической формы, вращающимися вокруг горизонтальной оси.
• Фрэнсис — как правило, с большими V-образными лопастями, часто вращающимися на вертикальной оси внутри гигантской спиральной раковины улитки. Фрэнсис — безусловно, самый распространенный тип водяной турбины; турбины Маккормика, Каплана и Дериаза по сути являются усовершенствованиями оригинальной конструкции Фрэнсиса.
• Дарье — с вращающимися вокруг вертикальной оси лопастями аэродинамического профиля.

У всех есть свои преимущества и недостатки. Например, Уэллс может вращаться очень быстро, но также шумный и относительно неэффективный. Фрэнсис тише и эффективнее, и очень хорошо справляется с механическими напряжениями внутри глубоких
плотин гидроэлектростанций (с высоким «напором» воды), но он также медленнее и механически сложнее. Когда они работают в воздухе, турбины Дарье находятся ближе к земле (чтобы они могли обойтись без громоздкой башни), но это означает, что они менее эффективны в обуздании ветра (который дует быстрее выше над землей); как правило, они менее эффективны и более нестабильны, чем другие конструкции турбин (их часто приходится стабилизировать с помощью растяжек) и почти не используются в коммерческих целях.

На фото: гигантская реактивная турбина Фрэнсиса (оранжевое колесо вверху) опускается на место на
плотине Гранд-Кули в штате Вашингтон, США.
Вода течет мимо наклонных лопастей, толкая их и вращая вал, к которому они
прикреплены. Вал вращает электрогенератор, который вырабатывает энергию.
Фото предоставлено Бюро мелиорации США.

Думая в обратном направлении

Вы могли заметить, что ветряные турбины выглядят как гигантские
пропеллеры — и это еще один способ думать о турбинах: как о
пропеллерах, работающих в обратном направлении. В самолете
двигатель вращает пропеллер на высокой скорости, пропеллер создает
обратный поток воздуха, и это то, что толкает — продвигает — самолет
вперед. В случае пропеллера движущиеся лопасти приводят в движение воздух;
в случае турбины воздух приводит в движение лопасти.

Фото: Турбины и пропеллеры работают совершенно противоположными способами. Пропеллеры используют энергию для перемещения жидкости (воздуха в случае самолета или воды на корабле или подводной лодке); турбины используют энергию, когда движущаяся жидкость протекает мимо них. Слева: Фотография пропеллера, сделанная техническим сержантом Джастином Д. Пайлом, предоставлена ​​ВВС США.

Фото: Лопасти турбины имеют форму, похожую на лопасти пропеллера, но обычно изготавливаются из высокопрочных сплавов, поскольку текущая мимо них жидкость может быть очень горячей. Фотография лопатки турбины, выставленной в Think Tank, научном музее в Бирмингеме, Англия.

Турбины также похожи на насосы и компрессоры. В насосе у вас
есть вращающееся лопастное колесо, которое всасывает воду через одну трубу и
выбрасывает ее через другую, чтобы вы могли перемещать воду (или другую жидкость)
из одного места в другое. Если вы разберете водяной насос, вы увидите, что
внутреннее лопастное колесо (которое называется рабочим колесом)
очень похоже на то, что вы найдете внутри водяной турбины. Разница в том
, что насос использует энергию для движения жидкости, в то время как турбина
захватывает энергию из движущейся жидкости.

Турбины в действии

В целом, мы делим турбины на четыре типа в зависимости от
типа жидкости, которая их приводит в движение: вода, ветер, пар и газ.
Хотя все четыре типа работают по сути одинаково — вращаются
, когда жидкость движется против них, — они немного отличаются и
должны быть спроектированы совершенно по-разному. Паровые турбины, например
, вращаются невероятно быстро, потому что пар производится под
высоким давлением. Ветровые турбины, которые вырабатывают электричество, вращаются относительно
медленно (в основном из соображений безопасности), поэтому они должны быть огромными, чтобы захватывать
приличное количество энергии. Газовые турбины должны быть сделаны из особо
прочных сплавов, потому что они работают при таких высоких температурах. Водяные турбины
часто очень большие, потому что им приходится извлекать энергию из целой реки,
перегороженной и отведенной для протекания мимо них. Они могут вращаться относительно медленно, потому что вода
тяжелая и несет много энергии (из-за своей большой массы), даже когда она течет с низкой скоростью.

Водяные турбины

Первыми водяными турбинами были водяные колеса, которые появились более 2000 лет назад во времена древних греков.

Фото: Водяное колесо — древняя форма турбины.
В этом колесе с верхним выбросом вода подается сверху по деревянным доскам и толкает колесо по мере того, как она течет вниз.
Фото Эдуарда Э. Экслайна предоставлено Historic American Buildings Survey (HABS TENN,5-CADCO,1—4), Библиотека Конгресса США, Отдел печати и фотографий.

Сегодня тот же принцип используется для производства электроэнергии на гидроэлектростанциях.
Основная идея гидроэлектростанции заключается в том, что вы перекрываете реку, чтобы
использовать ее энергию. Вместо того, чтобы река свободно текла вниз по склону от
своего источника на холме или горе к морю, вы заставляете ее падать с
высоты (называемой напором), чтобы она набирала
скорость (другими словами, чтобы ее потенциальная энергия преобразовывалась в кинетическую энергию), затем направляете
ее по трубе, называемой напорным трубопроводом, мимо
турбины и генератора. Гидроэлектроэнергия фактически является трехступенчатым преобразованием энергии:

• Первоначальная потенциальная энергия реки (которой она обладает, поскольку берет начало на возвышенности) превращается
  в кинетическую энергию, когда вода падает с высоты.
• Кинетическая энергия движущейся воды преобразуется в механическую энергию с помощью водяной турбины.
• Вращающаяся водяная турбина приводит в действие генератор, который преобразует механическую энергию в электрическую.

Различные виды водяных турбин используются в зависимости от
географии местности, количества доступной воды (потока) и расстояния, на которое она может упасть (напора).
Некоторые гидроэлектростанции используют ковшеобразные импульсные турбины (обычно колеса Пелтона);
другие используют реактивные турбины Фрэнсиса, Каплана или Дериаза. Импульсные водяные турбины (например, колесо Пелтона) могут быть
полностью открыты для воздуха, поэтому иногда вы можете фактически видеть, как струя воды попадает на турбину. Реактивные водяные турбины,
с другой стороны (например, Фрэнсис), должны быть полностью закрыты внутри канала или прохода, по которому
течет вода. Как упоминалось выше, в то время как импульсная турбина захватывает энергию только в одной точке, где
струя воды попадает на нее, реактивная турбина захватывает энергию по всему колесу сразу, поэтому
реактивная турбина на гидроэлектростанции может вырабатывать больше энергии, чем импульсная турбина того же размера.
Это, в свою очередь, объясняет, почему большинство современных гидроэлектростанций используют реактивные турбины.

Фото: Водяная турбина Пелтона. Обратите внимание, что каждое ведро на самом деле представляет собой два ведра, соединенных вместе.
Струя воды попадает в «разделитель» (место, где ведра соединяются посередине), разделяя ее на две струи, которые выходят
чисто по обе стороны. Фото Бенджамина Ф. Пирсона предоставлено
Historic American Buildings Survey/Historic American Engineering Record,
Библиотека Конгресса США.

Ветряные турбины

Более подробно они рассматриваются в нашей отдельной статье о
ветровых турбинах.

Фото: Типичная ветряная турбина в Стаффордшире, Англия.
Башня находится на высоте ~50 м (~150 футов) от земли, поскольку ветер движется быстрее, когда
он свободен от препятствий на уровне земли.
Лопасти ротора имеют диаметр ~15 м (50 футов) и, благодаря огромному размаху, улавливают до 225 кВт (киловатт) энергии.

Паровые турбины

Паровые турбины произошли от паровых
двигателей, которые изменили
мир в 18 и 19 веках. Паровой двигатель сжигает уголь на
открытом огне, чтобы высвободить тепло, которое он содержит. Тепло используется для кипячения
воды и производства пара, который толкает поршень в цилиндре, чтобы привести в действие
машину, например, железнодорожный локомотив. Это довольно неэффективно (тратится
энергия) по целому ряду причин. Гораздо лучшая конструкция
берет пар и направляет его мимо лопаток турбины, которая
вращается как пропеллер и приводит машину в движение.

Паровые турбины были изобретены британским инженером Чарльзом Парсонсом
(1854–1931), который использовал их для питания знаменитой скоростной моторной лодки
под названием Turbinia в 1889 году. С тех пор
они использовались по-разному
. Практически все электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью
паровых турбин. На угольной электростанции уголь сжигается в печи
и используется для нагрева воды для получения пара, который вращает высокоскоростные турбины,
соединенные с электрогенераторами. На атомной электростанции
тепло, которое производит пар, получается в результате атомных реакций.

В отличие от водяных и ветровых турбин, которые помещают одну вращающуюся
турбину в поток жидкости или газа, паровые турбины имеют целый
ряд турбин (каждая из которых известна как ступень),
расположенных последовательно внутри того, что фактически является закрытой трубой. Когда
пар поступает в трубу, он направляется мимо каждой ступени по очереди, так что
постепенно извлекается все больше его энергии. Если вы когда-нибудь наблюдали за
кипящим чайником, вы знаете, что пар расширяется и движется очень
быстро, если его направить через сопло. По этой причине паровые
турбины вращаются на очень высоких скоростях — во много раз быстрее, чем ветряные или
водяные турбины.

Подробнее читайте в основной статье о паровых турбинах.

Газовые турбины

Реактивные двигатели самолетов немного похожи на паровые турбины, поскольку имеют
несколько ступеней. Вместо пара они приводятся в действие смесью
воздуха, всасываемого спереди двигателя, и невероятно
горячих газов, получаемых при сжигании огромного количества керосина
(топлива на основе нефти). Несколько менее мощные газотурбинные двигатели
также используются в современных железнодорожных локомотивах и промышленных машинах.
Подробнее см. в нашей статье о реактивных двигателях
.

Фото: Прототип газовой турбины, изготовленный для высокоэффективной электростанции. Каждое из металлических колес представляет собой отдельную ступень турбины, разработанную для извлечения немного большего количества энергии из высокоскоростного газа. Вы можете увидеть, насколько велика эта турбина, взглянув на маленького человека в белом, сидящего в середине машины. Фото сделано в Национальной лаборатории энергетических технологий в Моргантауне и предоставлено Министерством энергетики США.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электродвигатели
• Генераторы электроэнергии
• Энергия
• Паровые турбины
• Ветряные турбины

Книги

Для читателей старшего возраста

• Турбины, компрессоры и вентиляторы, автор SM Yahya. Tata McGraw-Hill Education, 2010. Подробный (944 страницы) и очень широкий учебник, охватывающий использование турбин для производства электроэнергии, вентиляторов и пропеллеров, а также аналогичных технологий преобразования энергии.
• Энергия: Путеводитель Джанет Рэмэдж. Оксфорд/Нью-Йорк: Oxford University Press, 1997. Более общая книга о концепциях энергетики — полезна для базового фонового чтения.
• Гидравлика: текст по практической механике жидкости Роберта Догерти. McGraw-Hill, 1937. Хотя это довольно старая книга, главы по теории импульсных и реактивных турбин очень ясно написаны и проиллюстрированы и по-прежнему совершенно актуальны.
  Главы 14 и 15 посвящены импульсным турбинам, а главы 16 и 17 — реактивным турбинам.

Для юных читателей

• Eyewitness Energy Дэна Грина. DK, 2016. Иллюстрированное руководство по энергетическим концепциям для детей 9–12 лет.
• Энергия: 25 проектов по исследованию того, почему нам нужна энергия и как мы ее получаем, Кэтлин М. Рейлли. Nomad Press, 2009. Обзор всех основных типов энергии, которые мы используем (ископаемое топливо, возобновляемые источники и ядерная энергия), с некоторыми интересными практическими занятиями (проведение аудита энергопотребления дома, очистка разлива нефти, изготовление батареи) для закрепления концепций. Возраст 9–12 лет.

Статьи

• Жажда энергии: могут ли тысячи небольших плотин решить проблему нехватки электроэнергии в Африке? Г. Паскаль Закари. IEEE Spectrum, 1 мая 2007 г. Как небольшие водяные турбины оказываются эффективными для выработки возобновляемой энергии в отдаленных частях Африки.