Rodzaje turbin

CO TO JEST TURBINA?

W zeszłym tygodniu w naszej rubryce ALL ABOUT BLADES przyglądaliśmy się historii łopatek turbinowych. W tym tygodniu skupimy się na tym, czym jest turbina, jak działa i co ją wyróżnia.

Turbina to maszyna do ciągłego wytwarzania energii, w której koło lub wirnik, zwykle z łopatkami, jest wprawiane w ruch obrotowy przez szybko płynący strumień wody, pary, gazu, wiatru lub innego płynu. Przykładem może być Zapora Hoovera czy potężny wodospad Niagara, gdzie woda przepływa przez turbiny, które obracają się pod naporem spadającej wody, generując prawie 4,9 mln kilowatów, które zasilają 3,8 mln domów. Czy wiesz, że na rok 2020 w Niemczech jest 7.254 elektrowni wodnych? Albo pomyśl o słynnych starych wiatrakach w Holandii, prekursorach dzisiejszych turbin wiatrowych, które są efektywnym i niedrogim źródłem energii odnawialnej do wytwarzania prądu.

‍

RÓŻNE RODZAJE TURBIN

W inżynierii mechanicznej turbomaszyny są maszynami, które przenoszą energię między wirnikiem a płynem lub parą. Dotyczy to zarówno turbin, jak i sprężarek, które są często stosowane w przemyśle motoryzacyjnym (turbosprężarki), w przemyśle lotniczym (turbiny lotnicze), w energetyce (turbiny gazowe i parowe) oraz w przemyśle (sprężarki).

Turbiny można podzielić ze względu na kierunek przepływu. Trzy główne obszary to promieniowy, ukośny i osiowy, a medium przepływu decyduje o tym, jaki to typ turbiny. Cztery główne rodzaje to para, gaz, woda i wiatr. Wszystkie turbiny są ważne i odgrywają istotną rolę w przemyśle, ale skupimy się tylko na parze i gazie, co prowadzi nas do spojrzenia na osiowy i promieniowy kierunek przepływu.

Jaka jest różnica między turbinami osiowymi a promieniowymi? W turbinie promieniowej przepływ jest równomiernie zorientowany prostopadle do osi obrotu i napędza turbinę w taki sam sposób, jak woda napędza młyn wodny. Wynikiem tego są mniejsze naprężenia mechaniczne (i mniejsze naprężenia termiczne w przypadku gorących płynów roboczych), dzięki czemu turbina promieniowa może być prostsza, bardziej wytrzymała i bardziej wydajna (w podobnym zakresie mocy) w porównaniu z turbinami osiowymi. W turbinie osiowej płyn roboczy przepływa równolegle do osi wału sprężarki i zamienia przepływ płynu na mechaniczną energię obrotową.

Wszystkie turbiny są ważne, ale to właśnie złożony profil turbiny odrzutowej mierzymy najczęściej.

WIĘCEJ O TURBINACH OSIOWYCH I SPRĘŻARKACH

#allaboutblades jest w zasadzie o łopatkach turbinowych, dlatego chcemy się skupić na turbinach osiowych. Turbiny i sprężarki osiowe składają się z kilku stopni. Stopnie są połączeniem pary obracających się i nieruchomych łopatek (vanes). Łopatki połączone są z wirnikiem, łopatki z odlewem. Główną funkcją łopatek jest zapewnienie transferu energii pomiędzy gazem a wirnikiem. Z kolei łopatki przygotowują gaz do wejścia w kolejny zestaw obracających się łopatek i przekierowują przepływ przepływającego gazu z poprzedniego zestawu łopatek do kolejnego zestawu łopatek. Dzięki temu przez turbinę/kompresor przepływa kierowany przepływ sprężonego powietrza, pary energetycznej lub gazów spalinowych w celu przekazania maksymalnej ilości energii.

Turbiny osiowe i sprężarki to różne rodzaje turbin o tych samych podstawowych zasadach działania, tylko w odwrotnej kolejności. Turbiny zasilane są bogatym w energię gazem, który przepływa przez turbinę. Etap po etapie przekazuje swoją energię do ostrzy. Przepływający gaz rozszerza się i w ten sposób łopatki i łopatki zwiększają swoje rozmiary wzdłuż osiowej drogi przepływu gazu. W końcu cała energia jest przekazywana do łopatek, a tym samym do wirnika, aby ostatecznie napędzić inną maszynę. W wytwarzaniu energii elektrycznej w elektrowniach turbina jest połączona z generatorem w celu wytworzenia energii elektrycznej.

Kompresor działa odwrotnie i jest napędzany przez silnik. Powietrze jest zasysane przez obracające się łopatki i wtłaczane przez sprężarkę. Każdy zestaw łopatek/zaworów jest nieco mniejszy, co daje powietrzu więcej energii i kompresji.

TURBINY GAZOWE - OBA ŚWIATY POŁĄCZONE

Turbiny lotnicze posiadają zarówno sprężarkę jak i turbinę, a pomiędzy nimi znajduje się komora spalania. Powietrze jest zasysane do turbiny, sprężane i mieszane z paliwem, dzięki czemu następuje spalanie, a w efekcie wytworzenie ciągu. Dodatkowo w strumieniu spalin uruchamiana jest turbina znajdująca się w strumieniu spalin. Wirnik turbiny jest połączony ze sprężarką, a więc działa jak mechaniczny silnik łączący ze sprężarką, napędzając ją. Jednak główna energia gorących spalin jest wykorzystywana do wytworzenia ciągu poprzez zwiększenie ich prędkości przez dyszę.

Ta podstawowa zasada występuje również w silnikach turboodrzutowych/odrzutowych, najprostszych typach lotniczych turbin gazowych.

Turbina gazowa typu turbofan jest najczęściej stosowanym obecnie w samolotach typem silnika turbinowego. Podstawowa zasada jest taka sama, ale składniki są bardziej złożone. Dodatkowo, aby jeszcze bardziej zwiększyć wydajność i stabilność turbiny, zastosowano wentylator i system bypass.

Silniki turbośmigłowe są szeroko stosowane w aplikacjach wymagających trwałej wysokiej mocy, wysokiej niezawodności, małych rozmiarów i niewielkiej masy. Znajdują to zastosowanie w helikopterach, pomocniczych jednostkach napędowych, łodziach i statkach, czołgach, poduszkowcach i urządzeniach stacjonarnych.

STRUKTURA ARKUSZA

Łopatka i łopatka pełnią różne funkcje, ale mają podobne elementy geometryczne. Łopatka przekierowuje drogę przepływu, natomiast łopatka przenosi energię pomiędzy gazem a wirnikiem. Łopatki muszą pracować przy wysokich prędkościach i temperaturach, natomiast łopatki kierują przepływ napędzany przez obracające się łopatki do następnego stopnia turbiny z optymalną wydajnością. Zarówno łopatki jak i łopatki prowadzące muszą być odporne na utlenianie, korozję i zużycie oraz charakteryzować się długą żywotnością.

Jest to jeden z najważniejszych aspektów, które firmy biorą pod uwagę przy ulepszaniu ostrzy w celu zwiększenia wydajności i wydłużenia żywotności ostrza.

POMIAR ZWIĘKSZA EFEKTYWNOŚĆ

Na strukturę i funkcję kubła składają się trzy aspekty:

1) Korzeń służy do mocowania łopatki do wirnika lub obudowy. W zależności od obciążenia mechanicznego, wymaganej precyzji mocowania i kosztów produkcji, korzenie mogą być różne. Temat ten omówimy bardziej szczegółowo w przyszłości.

2) Łopatka, funkcjonalnie ukształtowana w celu zapewnienia właściwej interakcji z przepływem gazu, ma za zadanie odchylić drogę przepływu, podczas gdy łopatka przekazuje energię pomiędzy gazem a wirnikiem. Profil lotniczy przechodzi w korzeń i osłonę poprzez promień przejściowy i zakrzywioną powierzchnię platformy. Profil lotniczy składa się ze strony ciśnieniowej i ssącej z krawędzią wiodącą i spływową, które będą częścią naszego szczegółowego bloga.

3) Osłona jest opcjonalna i zależy od zastosowania turbiny. Łopatki osłonięte stosuje się w celu kontroli i minimalizacji prądów upływu pomiędzy końcówkami łopatek i łopatkami oraz ograniczenia amplitudy drgań w celu zapewnienia utworzenia stabilnego pierścienia zewnętrznego.

WENZEL ŚRODKI #MOREPARTSFASTER

W produkcji ostrzy istnieje duża różnorodność kształtów, wymiarów i wymagań dla dowolnego zastosowania. Profile są zaprojektowane tak, aby zmaksymalizować wymaganą wydajność. Niezależnie od rozmiaru, powierzchni czy czasu realizacji, dla CORE nie ma żadnych ograniczeń. System szybkiego skanowania optycznego został zaprojektowany z myślą o trudnych warunkach bezpośredniego środowiska produkcyjnego. CORE M charakteryzuje się stabilnością temperaturową, odpornością na zabrudzenia i wibracje. Wysoce dynamiczne napędy liniowe i solidna maszyna bazowa 6-osiowego systemu pomiarowego umożliwiają pomiary z dużą prędkością.

Innowacyjny optyczny fotoelektryczny przełącznik zbliżeniowy o wysokim natężeniu światła z WENZEL zapewnia szybkie wykrywanie punktów, nawet na trudno dostępnych komponentach i wysoce refleksyjnych powierzchniach, bez czasochłonnej zmiany położenia komponentu lub wstępnej obróbki powierzchni.

Urządzenie CORE M ma objętość pomiarową 500 mm x 500 mm x 2.500 mm, co czyni je idealnym do pomiaru dużych elementów. Wewnątrz obudowy maszyny znajduje się system dynamicznych ciężarków przeciwwagowych, które przeciwdziałają siłom generowanym przez szybkie ruchy skanera, dzięki czemu nie dochodzi do utraty dokładności nawet przy niezwykle dużych prędkościach pomiarowych. Kompleksowy pakiet oprogramowania z WENZEL umożliwia proste i szybkie oceny na łopatkach za pomocą oprogramowania WM | Blade Analyzer, opracowanego we współpracy z partnerami przemysłowymi.

Jak być może zauważyłeś, uwielbiamy mierzyć łopatki turbinowe z ich gunmetalową szarością i eleganckim, wdzięcznym designem. Te małe kawałki mają znaczący wpływ, który pozwala nam podróżować po świecie, budować nasze gospodarki, chronić nasze kraje i naszych bliskich - wszystkie te powody są dobre. Zachęcam do skorzystania z relaksującego rejsu po rzece starym statkiem parowym, podziwiania wielkości wielkich turbin wiatrowych, odwiedzenia wodospadu Niagara i zastanowienia się, jak daleko zaszliśmy na przestrzeni wieków. Pamiętaj, że dzięki pomiarom dokonano ulepszeń, a technologia się rozwinęła.

‍