Stopień turbiny

Z Wikipedii

Stopień turbiny to jej podstawowy element. Składa się z wieńców kierowniczego (potocznie nazywanego kierownicą) i wirnikowego (potocznie nazywanego wirnikiem). Kanały międzyłopatkowe kierownicy są zawsze zbieżne, natomiast wieńca wirnikowego mogą być zbieżne bądź o niezmiennym przekroju.

Wieniec kierowniczy jest zawsze nieruchomy i związany z korpusem turbiny, wieniec wirnikowy natomiast umieszczony na wirniku, i obraca się wraz z nim.

Przepływ gazu przez stopień turbiny przebiega zawsze najpierw przez kierownicę, a następnie przez wirnik.

W stopniu turbinowym przepływ czynnika obiegowego (pary wodnej bądź innego gazu) następuje w wyniku różnicy ciśnień. Zbieżność kanałów międzyłopatkowych kierownicy powoduje przyspieszenie strugi gazu i odpowiednie jej ukierunkowanie. Na wylocie z kierownicy uzyskiwane są stosunkowo duże prędkości przepływu. Gaz z dużą prędkością (po opuszczeniu kierownicy) napływa pod dość ostrym kątem na odpowiednio ukształtowane łopatki tworzące wieniec wirnikowy, wywołując powstanie na nich siły. Ponieważ łopatki zamocowane są na pewnym promieniu na wale wirnika, więc powstaje moment obrotowy. Jeśli wał się obraca, to powstaje także moc mechaniczna odprowadzana wałem do generatora elektrycznego bądź innej maszyny.

Przemiany energetyczne w stopniu turbiny:

- w kierownicy następuje zamiana entalpii gazu na energię kinetyczną (w wyniku różnicy ciśnień na wlocie i wylocie)

- w wirniku następuje zamiana energii kinetycznej i/lub entalpii na energię mechaniczną.

Kanały międzyłopatkowe kierownicy mają przekrój zbieżny, czyli są konfuzorami. Dodatkowo zakłada się, że przemiana gazu w stopniu maszyny przepływowej przebiega bez wymiany ciepła z otoczeniem, a więc jest przemianą adiabatyczną (adiabatą). Przepływowi gazu przez konfuzor towarzyszy spadek ciśnienia (rozprężanie), spadek temperatury, spadek entalpii, wzrost objętości właściwej (ekspansja), i oczywiście wzrost prędkości przepływu gazu (co ma kluczowe znaczenie w wieńcu kierowniczym). Energia całkowita pozostaje niezmienna - w myśl Zasady Zachowania Energii. Jak już wspomniano, następuje zamiana entalpii na energię kinetyczną, czyli spada entalpia a rośnie prędkość przepływu czynnika. Inne składniki energii całkowitej nie ulegają zamianie, więc nie są uwzględniane w przemianach energetycznych wieńca kierowniczego. Oprócz przyspieszenia czynnika, kierownica ma za zadanie odpowiednie ukierunkowanie strumienia gazu.

Gaz opuszcza wieniec kierowniczy z dużą prędkością. Oczywiste jest, że zmiana kierunku przepływu będzie się wiązała z generowaniem siły (tak jak na żaglu żaglówki, czy parasolu podczas wichury). Jeśli za kierownicą będą ustawione odpowiednio ukształtowane (zakrzywione) powierzchnie, to na nich też może powstać siła. Jeśli powierzchnie te będą zamocowane na sztywno na pewnym promieniu na wale obrotowym, to powstanie moment obrotowy, próbujący obrócić wał. Jeśli wał nie będzie zahamowany i będzie się mógł obracać, to pojawi się moc. W stopniu turbinowym odpowiednio ukształtowane powierzchnie, na które napływa gaz, to łopatki wirnika, rozmieszczone równomiernie na całym obwodzie tarczy wirnikowej. Przepływ gazu (wywołany różnicą ciśnień) przez wieniec kierowniczy i wirnikowy (a więc przez stopień turbinowy) powoduje generowanie mocy mechanicznej odprowadzanej wałem z wirnika, na którym zainstalowany jest nasz wieniec wirnikowy, do dowolnego odbiornika, np. generatora elektrycznego.

Powierzchnie zakrzywione wieńca wirnikowego mogą być tak ustawione, że będą tworzyły zbieżne kanały międzyłopatkowe, czyli również konfuzory. Gaz przepływający przez takie kanały w wyniku różnicy ciśnień, będzie przyspieszał, a przyspieszenie to będzie dodatkową przyczyną generowania siły na łopatkach wirnika, a więc i mocy mechanicznej odprowadzanej wałem. Wystąpi tu zjawisko bezpośredniej zamiany entalpii na energię mechaniczną w wirniku. Zwykle w stopniu turbinowym wykorzystywane są oba opisane sposoby zamiany entalpii na energię mechaniczną.

Używając określenia "spadek entalpii" mamy na myśli jej zamianę na inny rodzaj energii. W stopniu turbinowym możemy ją zamienić w kierownicy na energię kinetyczną, bądź w wirniku bezpośrednio na energię mechaniczną. Jeśli cały spadek entalpii zamieniany jest w kierownicy na energię kinetyczną, która dalej zamieniana jest w wirniku na mechaniczną, to mówimy o stopniu akcyjnym. Jeśli także w wirniku zamieniana jest entalpia na energię mechaniczną, to mówimy o stopniu reakcyjnym. Podział spadku entalpii w stopniu na kierownicę i wirnik może być dowolny. Wprowadzony więc został współczynnik reakcyjności ρ, który mówi o stosunku spadku entalpii w wirniku do spadku entalpii w całym stopniu. Jeśli ρ = 0, to cały spadek entalpii zamieniany jest w kierownicy na energię kinetyczną, a w wirniku następuje tylko zmiana kierunku przepływającego gazu, czyli zamiana energii kinetycznej na mechaniczną. Jeśli ρ > 0, to część entalpii zamieniana jest w wirniku bezpośrednio na energię mechaniczną.

Reasumując, w wyniku przepływu gazu przez stopień turbinowy następuje spadek entalpii gazu, gdyż zostaje ona zamieniona na energię mechaniczną.

Turbina cieplna składa się zwykle z wielu stopni umieszczonych kolejno po sobie. Na każdym z nich następuje zamiana pewnej ilości entalpii na pracę mechaniczną. Zamiana zbyt dużej ilości entalpii na pracę mechaniczną wiązałaby się z większymi stratami, a te oczywiście należy minimalizować. Wieńce wirnikowe poszczególnych stopni zamocowane są zwykle na jednym wale, więc moc odprowadzana wałem z turbiny jest sumą mocy z poszczególnych stopni.

Jeśli turbina zbudowana jest ze stopni będących w większości stopniami akcyjnymi, to mamy do czynienia z turbiną akcyjną. W przeciwnym razie - z reakcyjną. Zwykle reakcyjność stopni turbiny jest różna, a pojęcia "turbina reakcyjna" i "turbina akcyjna" są umowne.