У цій статті ми ознайомимося з відповіддю на запитання, що таке турбіна. Тут читач знайде інформацію про її характеристику, 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 та/або кінетичної. Цей ресурс дає робоче тіло і дозволяє виконувати валу його механічне призначення. На лопатки впливають за допомогою струменя робочого тіла, що закріплюють біля окружностей роторів. Вона ж призводить до їхнього 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 здатна 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, у порівняння з обсягом одержуваної електрики.
Історичні дані
Безліч спроб створити пристрій, схожий з сучасною турбіною, було здійснено ще задовго до її повноцінного вигляду, придбаного нею наприкінці дев 'ятнадцятого століття. Перша спроба належить Герону Александрійському (1 століття н. е.).
І.В. Лінде стверджував, що саме в XIX столітті була народжена маса планів і проектів, що дозволили людині перевершити "матеріальні труднощі", що заважають виконанню і створенню такої техніки. Головними подіями тих років був розвиток термодинамічної науки, а також металургійної та машинобудівної галузей. Наприкінці 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 Александрійський, проте кілька століть після цього її не вивчали через помилкову думку про неспроможність ідеї.
- У 1500 р. можна знайти згадку про "димову парасолю" - прилад, що піднімає гарячі потоки повітря від полум 'я через лопаті, сполучені між собою і обертаючі вертіл.
- Джованні Бранкой в 1629 р., було скоєно створення турбіни, лопатки якої піднімалися за рахунок дії сильного струменя пара.
- У 1791 р., Джоном Барбером родом з Англії було придбано 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 вченим Бюрденом.
- У 1894 р. була запатентована ідея про корабель, який змушувала рухатися парова турбіна, а його володарем став Сер Ч. Парсонс.
- 1903 рік: Еджидіус Еллінг з Норвегії сконструював першу в своєму роді турбінну систему на газі, яка змогла передавати більше енергії, ніж витрачати 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 володарем патенту на турбіну, що 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 аеродинамічної площини. Ця робота була виконана доктором А.А. Грифицем.
- Для літака турбіна реактивного руху була створена Сером Ф. Віттлом, 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 призвело бажання забезпечити власноруч зроблений сепаратор для молока механічною дією, що виконується 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 доповнення сопла турбін, на які поставив конічні розширювачі. Його праця стала інженерним проривом, і це ясно, адже аналіз величини навантаження, яку надавали на робоче колесо, показує, що вона була надсильною. Такий вплив навіть при найменшому порушенні призвів би 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, що прогинається при обертанні.
Чарлз Парсонс і його робота
Чарлзу Парсонсу привласнили патент на винахід першої багатоступеневої турбіни, а зробив він це 1884 року. Робота механізму приводила в дію пристрій електрогенератора. Роком пізніше, в 1885-му, він модифікував свою версію, що почала масштабно поширюватися і застосовуватися на електростанціях. Пристрій мав вирівнюючий апарат, який утворювався з вінців, з лопатами турбіни, які прямували у зворотний бік. Самі вінці залишалися нерухомими. Механізм мав 3 ступені 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.
Турбінний щабель утворюється за допомогою двох головних частин:
- Робочого колеса (лопатки на роторі, які безпосередньо створюють обертання);
- Соплового механізму (лопатки стартера, що відповідають за поворот робочого тіла, який додасть потоку потрібний кут для атаки у ставленні до робочого колесу).
Залежно від напрямку руху потоків робочі тіла можна розділити на аксіальні та радіальні турбінні механізми. У перших потік р. т. рухається у напрямку вздовж турбінної осі. Радіальними називають турбіни, у яких потік прямує перпендикулярно валової осі.
Кількість контурів дозволяє розділяти такі механізми на одно-, дво- і триконтурні. Іноді можна зустріти турбіни з чотирма або п 'ятьма контурами, але це вкрай рідкісне явище. Багатоконтурний пристрій турбіни дає можливість користуватися великими стрибками в теплових перепадах ентальпії. Це обумовлюється розміщенням великої кількості сходинок з різним тиском, а також впливає на потужність турбіни.
Згідно з кількістю валів можна розрізняти одно-, дво- і іноді тривальні турбіни. Вони зв 'язуються загальними параметрами теплових явищ або механізмом редуктора. Вали можуть розташовуватися коаксіально і паралельно.
Пристрій і принцип дії турбіни такі: в місцях, де відбувається прохід валу через стінки корпусу, розташовуються утовщення, які попереджають витік робочого тіла назовні і засмоктування повітря в корпус.
Передній кінець валу обладнаний граничним регулятором, який у 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? У загальному вигляді - це машина, призначення якої полягає в перетворенні енергії на роботу. Їх існує кілька видів, і одним з таких є газова турбіна.
Пристрій газової турбіни заснований на переведенні енергетичного потенціалу газу в стислому або нагрітому стані в роботу, яку виконує механізм валу. Головні елементи - це ротор і статор. Своє застосування знаходить в якості деталі газотурбінного двигуна, ГТУ і ПГУ.
Механізм газової турбіни
Робота турбіни здійснюється, коли сопловий 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 крутячого моменту лопаток.
Механічний пристрій газової турбіни може бути набагато простішим, 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 наполегливого типу служать критичним елементом у цій розробці. Традиційно застосовувалися гідродинамічні або охолоджувані маслом кулькоподібні підшипники, проте незабаром їх обійшли повітряні. Донині їх застосовують для створення мікротурбін.
Теплові двигуни
Теплова турбіна перетворює роботу, виконувану пором, на механічну. Всередині лопаткового апарату відбувається перетворення потенційної енергії пари в нагрітому і стислому стані в кінетичну форму. Остання, в свою чергу, перетворюється на механічну і обумовлює обертання валу.
Вступ пари відбувається за допомогою парокотельного пристрою і направляється на кожну криволінійну лопатку, закріплену по окружності 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 форми, що залежить від типу напрямку потоків пара. Аксіальна форма характеризується переміщенням пари периметра осі, яким володіє турбіна. Радіальна турбіна володіє потоками парів, які рухаються перпендикулярно. При цьому лопатки мають паралельно до осі, по якій відбувається обертання. Можуть мати від одного до п 'яти циліндрів. Число валів також може варіюватися. Існують пристрої, що володіють одним, двома або трьома валами.
Корпус - це нерухома частина, яку іменують статором. Він володіє рядом виточок, в які встановлюються діафрагми, з відповідними площини 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 відпрацьовану частину газів з метою збільшення показника тиску в просторі впускної камери. Такий агрегат називають турбокомпресором.
Основні частини представлені доцентровим або осьовим компресором і газовою турбіною, необхідною для приведення його в дію. Володіє одним валом. Головна функція полягає в підвищенні тиску, що чиниться робочим тілом. Це стає можливим через нагрівання газотурбінного двигуна роботою самого компресора, який набуває потужності завдяки турбіні.
Насамкінець
Тепер читач має загальні уявлення про пристрій, 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, посилює продуктивність і дозволяє здійснювати механічні дії, раніше недоступні людству.