Turbină ( fr. turbină din lat. turbo - vârtej, rotație ) - motor , mașină cu pale , în care transformarea [1] a energiei cinetice și/sau a energiei interne a fluidului de lucru ( abur , gaz , apă ) în lucru mecanic pe arborele. Jetul de fluid de lucru acționează asupra palelor , fixate în jurul circumferinței rotorului , și le pune în mișcare.
Este folosit ca motor pentru un generator electric la centralele termice, nucleare și hidroelectrice , ca parte integrantă a acționărilor pentru transportul maritim, terestru și aerian, o acționare a compresorului într-un motor cu turbină cu gaz, precum și o transmisie hidrodinamică, hidraulică. pompe.
Încercările de a crea mecanisme similare cu turbinele au fost făcute de foarte mult timp. Este cunoscută o descriere a unei turbine cu abur primitive realizată de Heron din Alexandria (secolul I d.Hr.). Potrivit lui I. V. Linde [2] , secolul al XIX-lea a dat naștere unei „mase de proiecte” care s-au oprit înaintea „dificultăților materiale” ale implementării lor. Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea, când dezvoltarea termodinamicii (creșterea eficienței turbinelor la comparabil cu o mașină alternativă), ingineriei mecanice și metalurgie (creșterea rezistenței materialelor și a preciziei de fabricație necesare pentru a crea roți de mare viteză), Gustaf Laval ( Suedia ) și Charles Parsons ( Marea Britanie ) au creat independent unul de celălalt turbine cu abur potrivite pentru industrie. [3]
Prima turbină cu abur a fost creată de inventatorul suedez Gustav Laval în 1883 . Potrivit unei versiuni, Laval a creat-o pentru a alimenta un separator de lapte cu propriul său design. Pentru aceasta, era nevoie de o unitate de mare viteză . Motoarele de atunci nu oferea suficientă turație. Singura cale de ieșire a fost proiectarea unei turbine de mare viteză. Laval a ales ca fluid de lucru aburul, care era utilizat pe scară largă la acea vreme. Inventatorul a început să lucreze la designul său și în cele din urmă a asamblat un dispozitiv funcțional. În 1889, Laval a completat duzele turbinei cu expansoare conice, astfel a apărut faimoasa duză Laval , care a devenit precursorul viitoarelor duze pentru rachete. Turbina Laval a reprezentat o descoperire în inginerie. Este suficient să ne imaginăm sarcinile pe care le-a experimentat rotorul în ea pentru a înțelege cât de dificil a fost inventatorului să realizeze o funcționare stabilă a turbinei. La viteze uriașe ale roții turbinei, chiar și o deplasare ușoară a centrului de greutate a provocat vibrații severe și suprasarcină a rulmenților . Pentru a evita acest lucru, Laval a folosit o axă subțire care se putea flexa atunci când este rotită.
În 1884, inginerul englez Charles Parsons a primit un brevet pentru o turbină cu mai multe trepte. Turbina a fost proiectată pentru a antrena un generator electric. În 1885, a dezvoltat o versiune îmbunătățită care a fost utilizată pe scară largă în centralele electrice. La proiectarea turbinei s-a folosit un aparat de nivelare, care este un set de jante fixe (discuri) cu palete care aveau direcția opusă. Turbina avea trei trepte de presiuni diferite, cu geometrie și pas diferite ale palelor. Turbina a folosit astfel atât principiul „ activ ” cât și principiul „ reactiv ”.
În 1889, aproximativ trei sute dintre aceste turbine au fost folosite pentru a genera energie electrică. Parsons a încercat să extindă domeniul de aplicare al invenției sale și în 1894 a construit un vas experimental „ Turbinia ” alimentat de o turbină cu abur. La teste, a demonstrat o viteză record de 60 km/h.
Imposibilitatea obținerii unei puteri agregate mari și viteza de rotație foarte mare a turbinelor cu abur Laval cu o singură treaptă (până la 30.000 rpm pentru primele probe) au condus la faptul că acestea și-au păstrat semnificația doar pentru antrenarea mecanismelor auxiliare. Turbinele cu abur active au evoluat în direcția creării de proiecte în mai multe etape, în care expansiunea aburului se realizează într-un număr de etape aranjate secvenţial. Acest lucru a făcut posibilă creșterea semnificativă a puterii unității, menținând în același timp o viteză de rotație moderată necesară pentru conectarea directă a arborelui turbinei cu mecanismul rotit de acesta.
Turbina cu abur cu reacție Parsons a fost folosită de ceva timp (în principal pe navele de război), dar treptat a făcut loc unor turbine cu reacție activă combinate mai compacte, în care partea cu jet de înaltă presiune a fost înlocuită cu un disc activ cu o singură coroană sau cu dublă coroană. Ca urmare, pierderile datorate scurgerii de abur prin golurile din aparatul cu lame au scăzut, turbina a devenit mai simplă și mai economică.
Etapa turbinei constă din două părți principale. Rotor - palete montate pe rotor (partea în mișcare a turbinei), care creează direct rotație. Și aparatul de duză - palete montate pe stator (partea fixă a turbinei), care rotesc fluidul de lucru pentru a da fluxului unghiul de atac necesar față de paletele rotorului.
În funcție de direcția de mișcare a fluxului fluidului de lucru , se disting turbinele axiale cu abur , în care fluxul fluidului de lucru se mișcă de-a lungul axei turbinei și radial , direcția fluxului de fluid de lucru în care este perpendicular pe axa arborelui turbinei. Turbinele centrifuge (turbocompresoare) se disting și ca un tip separat de turbină.
În funcție de numărul de circuite, turbinele sunt împărțite în circuit simplu, circuit dublu și trei circuite. Foarte rar, turbinele pot avea patru sau cinci circuite. O turbină cu mai multe bucle face posibilă utilizarea unor diferențe mari de entalpie termică prin găzduirea unui număr mare de trepte de presiune diferite.
În funcție de numărul de arbori, ei disting între un singur arbore, doi arbori, mai rar cu trei arbori, conectate printr-un proces termic comun sau o angrenare comună ( cutie de viteze ). Dispunerea arborilor poate fi atât coaxială cât și paralelă cu dispunerea independentă a axelor arborilor.
În locurile în care arborele trece prin pereții carcasei, etanșările de capăt sunt instalate pentru a preveni scurgerea fluidului de lucru în exterior și aspirarea aerului în carcasă.
La capătul frontal al arborelui este instalat un regulator centrifugal limitator (regulator de siguranță), care oprește (încetinește) automat turbina când viteza crește cu 10-12% peste valoarea nominală.