Una turbina es un motor rotatorio que extrae la energía de un líquido fluye. Claude Burdin (1788-1873) acuñó el término del latino turbo, o el vórtice, durante una competición 1828 de la ingeniería. El Benoit Fourneyron (1802-1867), estudiante de Claude Burdin, construyó la primera turbina práctica del agua.
Las turbinas más simples tienen una pieza móvil, un montaje del rotor, que es un eje con las láminas atadas. El líquido móvil actúa en las láminas, o las láminas reaccionan al flujo, de modo que giren e impartan energía al rotor. Los ejemplos tempranos de la turbina son los molinoes de viento y las ruedas de agua
El gas, el vapor, y las turbinas del agua tienen una cubierta alrededor de las láminas que contenga y controle el fluido operante. El crédito para la invención de la turbina de vapor moderna se da a sir británico Charles Parsons (1854 - 1931) del ingeniero.
Un dispositivo similar a una turbina pero al funcionamiento en revés es un compresor o la bomba . El compresor axial en muchos motores de la turbina de gas es un ejemplo común.
Teoría de la operación
Un fluido operante contiene la energía potencial (cabeza de la presión) y la energía cinética (cabeza de la velocidad). El líquido puede ser el compresible o el incompresible. Varios principios físicos son empleados por las turbinas para recoger esta energía:
; Turbinas del impulso : Estas turbinas cambian la dirección del flujo de un jet del líquido de la alta velocidad. El impulso resultante hace girar la turbina y deja el flujo flúido con energía cinética disminuida. No hay cambio de la presión del líquido en las láminas de rotor de turbina. Antes de alcanzar la cabeza de presión del la turbina del líquido es cambiada a la cabeza de la velocidad del acelerando el líquido con un inyector . Las ruedas de Pelton y las turbinas de Laval utilizan este proceso exclusivamente. Las turbinas de impulso no requieren un marco de la presión alrededor del corredor puesto que el jet flúido es preparado por un inyector antes de alcanzar la turbina. La ley de Newton describe en segundo lugar la transferencia de la energía para las turbinas de impulso.
; Turbinas de la reacción : Estas turbinas desarrollan el esfuerzo de torsión reaccionando a la presión o al peso del líquido. La presión del líquido cambia mientras que pasa a través de las láminas de rotor de turbina. Un marco de la presión es necesario contener el fluido operante mientras que actúa en las etapas de la turbina o la turbina se debe sumergir completamente en el flujo flúido (turbinas de viento). La cubierta contiene y dirige el fluido operante y, para las turbinas del agua, mantiene la succión impartida por el tubo de bosquejo. Las turbinas de Francisco y la mayoría de las turbinas de vapor utilizan este concepto. Para los fluidos operantes compresibles, las etapas múltiples de la turbina se pueden utilizar para enjaezar el gas de extensión eficientemente. Ley de Newton la tercera describe la transferencia de la energía para las turbinas de reacción.
Los diseños de la turbina utilizarán ambos estos conceptos a los diversos grados siempre que sea posible. Uso de las turbinas de viento una superficie de sustentación de generar la elevación del líquido móvil y de impartirla al rotor (ésta es una forma de reacción). Las turbinas de viento también ganan una cierta energía del impulso del viento, desviándolo en ángulo. Las turbinas del cruce de corrientes se diseñan como máquina de impulso, con un inyector, pero en usos principales bajos mantener una cierta eficacia con la reacción, como una rueda de agua tradicional. Las turbinas con las etapas múltiples pueden utilizar la reacción o el perfilado del impulso en la alta presión. Las turbinas de vapor son generalmente más impulso mientras que las turbinas de gas que más tipo de la reacción diseña. En la presión baja el medio flúido del funcionamiento se amplía en el volumen para los pequeños cambios en la presión. Bajo estas condiciones (llamadas las turbinas de presión baja) el perfilado se convierte en terminantemente un tipo diseño de la reacción con la base del impulso de la lámina solamente. La razón es debido al efecto de la velocidad de rotación para cada lámina. Mientras que el volumen aumenta, la altura de lámina aumenta, y la base de las vueltas de la lámina a una velocidad más reducida concerniente a la extremidad. Este cambio en velocidad fuerza a diseñador a cambiar de impulso en la base, a una alta extremidad del estilo de la reacción.
Los métodos de diseño clásicos de la turbina fueron desarrollados en el mediados de siglo XIX. El análisis de vector relacionó el flujo flúido con forma y la rotación de la turbina. Los métodos del cálculo gráfico fueron utilizados al principio. Las fórmulas para las dimensiones básicas de las piezas de la turbina están bien documentadas y una máquina muy eficiente se puede diseñar confiablemente para cualquier condición de flujo flúido. Algunos de los cálculos son fórmulas empíricas o de la “regla empírica”, y otros se basan en los mecánicos clásicos . Como con la mayoría de los cálculos de la ingeniería, simplificando asunciones fueron hechos.
Los triángulos de la velocidad se pueden utilizar para calcular el funcionamiento básico de una etapa de la turbina. Proveer de gas las salidas las paletas de guía inmóviles de inyector de turbina en el absoluto V a1 de la velocidad. El rotor gira en el U de la velocidad. Concerniente al rotor, la velocidad del gas como afecta a la entrada del rotor es el V r1. El gas es dado vuelta por el rotor y las salidas, concerniente al rotor, en el V r2 de la velocidad. Sin embargo, en términos absolutos la velocidad de la salida del rotor es el V a2. Los triángulos de la velocidad se construyen usar estos varios vectores de la velocidad. Los triángulos de la velocidad se pueden construir en cualquier sección a través del perfilado (por ejemplo: el eje, la extremidad, el midsection y así sucesivamente) pero se demuestran generalmente en el radio malo de la etapa. El funcionamiento malo para la etapa se puede calcular de los triángulos de la velocidad, en este radio, usar la ecuación de Euler:
De dónde: derecho
donde: = \, del del a través del = \, del
El cociente de la presión de la turbina es una función del derecho y la eficacia de la turbina.
El diseño moderno de la turbina lleva los cálculos más lejos. La dinámica flúida de cómputo dispensa con muchas de las asunciones de simplificaión usadas para derivar fórmulas clásicas y los programas informáticos facilitan la optimización. Estas herramientas han llevado a las mejoras constantes en diseño de la turbina durante los cuarenta años pasados.
La clasificación numérica primaria de una turbina es su velocidad específica . Este número describe la velocidad de la turbina en su eficacia máxima con respecto a la energía y al flujo. La velocidad específica se deriva para ser independiente del tamaño de la turbina. Dado las condiciones de flujo flúido y la velocidad deseada de la salida de eje, la velocidad específica puede ser calculada y un diseño apropiado de la turbina ser seleccionada.
La velocidad específica, junto con algunas fórmulas fundamentales se puede utilizar para escalar confiablemente un diseño existente de funcionamiento sabido a un nuevo tamaño con funcionamiento correspondiente.
Apagado-diseñar el funcionamiento se exhibe normalmente como un mapa de la turbina o característica.
Tipos de turbinas
Las turbinas de vapor se utilizan para la generación de electricidad en las centrales eléctricas termales tal como plantas usar el carbón o el la energía atómica de gasolina y aceite de o. Fueron utilizadas una vez para conducir directo los dispositivos mecánicos tales como propulsores de la nave (eg. el Turbinia ), pero la mayoría de los tales usos ahora utiliza engranajes de reducción o un paso eléctrico intermedio, donde la turbina se utiliza para generar la electricidad, que entonces acciona un motor eléctrico conectado con la carga mecánica.Las turbinas de gas se refieren a veces como motores de turbina. Tales motores ofrecen generalmente una entrada, un ventilador, un compresor, un combustor y un inyector (posiblemente otros montajes) además de uno o más turbinas.
Turbina transónica . El caudal de gas en la mayoría de las turbinas empleadas en motores de turbina de gas sigue siendo subsónico a través del proceso de extensión. En una turbina transónica el caudal de gas llega a ser supersónico mientras que sale las paletas de guía de inyector, aunque las velocidades rio abajo lleguen a ser normalmente subsónicas. Las turbinas transónicas funcionan en un cociente más alto de la presión que normal pero son generalmente menos eficientes e infrecuentes. Esta turbina funciona bien en crear energía del agua.
Turbinas contrarrotativas . Una cierta ventaja de la eficacia puede ser obtenida si una turbina rio abajo gira en la dirección opuesta a una unidad por aguas arriba. Sin embargo, la complicación puede ser contraproducente.
Las turbinas graduales de la turbina de Statorless tienen un sistema (significado inmóvil) de las paletas de guía de entrada estáticas que dirigen el caudal de gas sobre las láminas de rotor giratorias. En una turbina statorless el caudal de gas que sale un rotor por aguas arriba afecta sobre un rotor rio abajo sin un sistema intermedio de las paletas de estator (que cambia los niveles de energía de la presión/de la velocidad del flujo) que son encontradas.
Turbina de cerámica . Las láminas de turbina de alta presión convencionales (y las paletas) se hacen de las aleaciones del níquel-acero y utilizan a menudo pasos de aire-enfriamiento internos intrincados para evitar que el metal derrita. Estos últimos años, las láminas de cerámica experimentales se han fabricado y se han probado en turbinas de gas, con objeto de temperaturas cada vez mayores de la entrada del rotor y/o, posiblemente, de eliminar aircooling. Las láminas de cerámica son más frágiles que sus contrapartes metálicas, y llevan un mayor riesgo de falta catastrófica de la lámina.
El cubrió la turbina de . Muchas láminas de rotor de turbina tienen una cubierta en la tapa, que se enclavija con la de láminas adyacentes, para aumentar humedecer y de tal modo para reducir alboroto de lámina.
Turbina de Shroudless. Moderno practicar es, en lo posible, para eliminar la cubierta del rotor, así reduciendo la carga centrífuga en la lámina y los requisitos de enfriamiento.
La turbina sin cuchilla utiliza el efecto de la capa de límite y no un líquido que afectan sobre las láminas como en una turbina convencional.
Turbinas del agua Turbina de Francisco, un tipo de turbina ampliamente utilizada del agua. Turbina, una variación de Kaplan de la turbina de Francisco.
Aplicaciones de turbinas
Casi toda la corriente eléctrica en la tierra se produce con una turbina de un cierto tipo. Arnés de las turbinas de la eficacia muy alta cerca de el 40% de la energía termal, con el resto agotado como calor residual.
La mayoría de los motores de jet confían en las turbinas para suministrar el trabajo mecánico de su fluido operante y combustible al igual que todas las naves nucleares y centrales eléctricas.
Las turbinas son a menudo pieza de una máquina más grande. Una turbina de gas, por ejemplo, puede referir a una máquina de la combustión interna que contenga una turbina, conductos, compresor, combustor, calor-cambiador, ventilador y (en el caso de uno diseñado para producir electricidad) a un alternador. Sin embargo, debe ser observada que la máquina colectiva designada la turbina en estos casos está diseñada para transferir energía de un combustible al líquido que pasa a través de un dispositivo de la combustión tan interna como medio para la propulsión, y no transferir energía del líquido que pasa a través de la turbina a la turbina al igual que el caso en las turbinas usadas para la disposición etc.
El intercambio de los motores de pistón tales como motores de aviones puede utilizar una turbina accionada por su extractor para conducir un compresor del producto-aire, una configuración conocida como turbocompresor (sobrealimentador de la turbina) o, familiar, un " turbo".
Las turbinas pueden tener mismo la densidad del poder más elevado (IE el cociente de la energía de cargar, o energía al volumen). Esto está debido a su capacidad de funcionar a una velocidad muy elevada. motores principales de s de la lanzadera espacio el los 'utilizan las turbobombas (máquinas que consisten en una bomba conducida por un motor de turbina) para alimentar los propulsores (oxígeno líquido e hidrógeno líquido) en la cámara de combustión del motor. La turbobomba del hidrógeno líquido es levemente más grande que un motor de automóvil (que pesa aproximadamente 700 libras) y produce casi 70.000 caballos de fuerza (52.
El Turboexpanders es ampliamente utilizado como fuentes de refrigeración en procesos industriales.
Turbinas de marea cubiertas
Una tecnología emergente de las energías renovables es la turbina de marea cubierta incluida en una cubierta o un conducto formada del venturi produciendo una atmósfera secundaria de la presión baja detrás de la turbina, permitiendo que la turbina funcionen en una eficacia más alta (que el límite de Betz de 59.3%) y la salida de una energía típicamente 3 veces más alta que una turbina de los mismos tamaños en corriente libre.
Según las indicaciones de la figura generada del CFD (dinámica flúida de cómputo) aquí puede ser visto que abajo una presión baja de la corriente (demostrada por las líneas del gradiente) extrae flujo por aguas arriba en la entrada de la cubierta de bien fuera de la entrada de la cubierta. Este flujo se dibuja dentro de la cubierta y se concentra (según lo visto por la zona coloreada roja). Este aumento de la velocidad de flujo corresponde a 3-4 veces aumenta de la energía disponible a la turbina. Por lo tanto una turbina situada en la garganta de la cubierta puede entonces alcanzar una eficacia más alta, y una salida 3-4 mide el tiempo de la energía que la turbina sería capaz de si estaba en corriente abierta o libre. Por esta razón cubierta las turbinas no están conforme a las características del límite de Betz.
El considerable interés comercial se ha demostrado recientemente en turbinas de marea cubiertas mientras que permite que una turbina más pequeña sea utilizada en los sitios donde están restrictas las turbinas grandes. Puesto en orden a través de una vía marítima o en los ríos fluídos cubrió las turbinas de marea se cablegrafían fácilmente a una base terrestre y están conectados con una rejilla o una comunidad alejada. La característica de la cubierta que produce una velocidad de flujo acelerada a través de la turbina permite alternativo los flujos de marea antes demasiado lentos para que el uso comercial sea utilizado para la producción energética comercial.
Mientras que la cubierta puede no ser práctica en viento, pues una turbina de marea él está ganando más renombre y uso comercial. Una turbina de marea cubierta es mono direccional y constantemente necesidades hacer frente contra la corriente para funcionar. Puede ser flotada debajo de un pontón en una amarradura del oscilación, ser fijada al fondo del mar en una mono pila y ser desviada como un calcetín de viento para hacer frente continuamente contra la corriente. Una cubierta se puede también incorporar a una cerca de marea que aumenta el funcionamiento de las turbinas.
Cablegrafiado al continente pueden ser rejilla conectada o pueden ser reducidas proporcionalmente para proporcionar energía a las comunidades alejadas donde no están viables las infraestructuras civiles grandes. Semejantemente a las turbinas abiertas de la corriente de marea tienen impacto de la amenidad ambiental o visual poco eventualmente.
Ver también
Turbo-alternadorTurbinia
Lusitania del RMS
Flujo secundario en las turbinas
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