Турбина — определение, виды и принцип работы¶

Турбина — это тепловая машина, в которой энергия потока газа, пара или жидкости преобразуется во вращательную механическую энергию рабочего вала. Турбины относятся к классу турбомашин с непрерывным протеканием рабочего процесса и широко применяются в энергетике, судоходстве, авиации и промышленности. Термин происходит от латинского turbo — «вихрь, веретено».

¶История

Идея использования силы потока для вращения колеса известна с античности — водяные колёса применялись в Древнем Риме и средневековой Европе. Принципиально новым шагом стало создание реактивной турбины.

В 1834 году британский инженер Чарльз Пэрсонс запатентовал многоступенчатую паровую турбину с реактивными лопатками. В 1884 году он построил первую работоспособную паровую турбину, а в 1897 году продемонстрировал её на судне «Тюрбиния», развившем скорость более 34 узлов. Одновременно с Пэрсонсом независимые разработки вёл шведский инженер Густаф де Лаваль, создавший в 1883 году простую одноступенчатую турбину с сопловой ступенью, работавшую на сверхзвуковых скоростях пара.

В России работы по созданию паровых турбин вёл Алекспардр Парский, а крупномасштабное производство наладил завод «Металлист» в Санкт-Петербурге. В 1903 году инженер Николай Долгов построил первую российскую паровую турбину для электростанции. В 1913 году на Русско-Балтийском заводе была выпущена турбина мощностью 1500 кВт.

¶Принцип работы

Рабочее тело (пар, газ или вода) расширяется в соплах турбины, при этом его давление и энтальпия уменьшаются, а кинетическая энергия увеличивается. Струи рабочего тела попадают на лопатки рабочего колеса и создают на них момент силы, приводящий колесо во вращение. КПД современных турбин достигает 90–95 %.

Различают два принципиальных типа ступеней:

• Реактивные — расширение пара происходит частично в неподвижных соплах, частично между лопатками рабочего колеса; давление падает в обеих частях.
• Ударные (активные) — расширение происходит только в соплах, давление перед и за рабочим колесом одинаково, на лопатки действует только ударная сила потока.

¶Классификация

По виду рабочего тела турбины делятся на:

По направлению потока:

• Осевые — поток движется параллельно оси вала (наиболее распространены).
• Радиальные — поток движется перпендикулярно оси (часто в микро- и малой энергетике).
• Косопоточные — комбинированное направление.

¶Паровые турбины

Наиболее распространённый тип в энергетике. Различают турбины высокого, среднего и низкого давления, а также противодавления и с промежуточным перегревом пара. Мощность современных турбин для ТЭС достигает 1200 МВт (турбина Т-1200/130-2500, производство «Силовых машин», Россия). На атомных электростанциях применяются турбины мощностью до 1700 МВт.

В России паровые турбины производят «Силовые машины» (Санкт-Петербург), «Уральский турбинный завод» (Екатеринбург) и «Калужский турбинный завод».

¶Газовые турбины

Применяются в установках электрической энергетики (ГТУ), в качестве привода компрессоров на газопроводах, в авиации (как турбовентиляторные, турбореактивные и турбовинтовые двигатели) и на флоте. В России серийное производство газовых турбин для энергетики налажено на «Силовых машинах», «НПО «Сатурн»» и «ОДК-Пермские моторы». Газовые турбины работают по замкнутому газовому циклу Брайтона.

¶Гидравлические турбины

Для выработки электроэнергии на ГЭС применяются две основные конструкции:

• Реактивная турбина Френсиса — универсальный тип для средних напоров (20–300 м).
• Импульсная турбина Пелтона — для высоких напоров (свыше 300 м).
• Пропеллерная (осевая) турбина Каплана — для низких напоров (3–80 м) с регулируемыми лопастями.

Крупнейшие гидротурбины в России работают наSayano-Шушенской ГЭС (мощность одного агрегата 640 МВт) и на Красноярской ГЭС (500 МВт).

¶Ветровые турбины

Современные ветроэнергетические установки представляют собой горизонтальные трёхлопастные турбины с редуктором и генератором. Мощность единицы варьируется от 100 кВт до 15 МВт. В России крупнейшие ветропарки расположены в Астраханской, Калининградской и Оренбургской областях.

¶Значение

Турбины являются основой современной энергетики: более 80 % мировой электроэнергии вырабатывается турбинными установками — паровыми, газовыми, гидравлическими и ветровыми. Развитие турбиностроения связано с повышением рабочих температур и давлений, применением новых материалов (жаропрочные сплавы, керамические покрытия) и цифровых систем управления.

¶Источники

• Грановский Г. А., Грановский В. Г. «Паровые турбины»
• Болдин В. Ф. «Паровые турбины тепловых электростанций»
• Романов И. В. «Гидравлические турбины»
• Энциклопедия «Турбомашиностроение России»