Turbína je rotační zařízení, které částečně přeměňuje vnitřní energii o tekutiny , kapaliny (například vody ), nebo plynu ( páry , vzduchu , spalovací plyn ), do mechanické energie pomocí lopatek uspořádaných na rotujícím hřídeli. Vysoká rychlost .
Energie vstupující do kapaliny je charakterizována zejména její rychlostí , tlakem a entalpií . Mechanická energie opouštějící turbínu pohání další rotační mechanismus, jako je alternátor , kompresor , čerpadlo nebo jakýkoli jiný přijímač (např. Generátor ). Sestava se potom nazývá turboalternátor , turbodmychadlo , turbočerpadlo atd.
Parní turbína je motor s externím spalováním , který pracuje podle termodynamického cyklu známého jako Clausius - Rankine . Tento cyklus se vyznačuje změnou stavu ovlivňující kapalinu motoru, kterou je obecně vodní pára .
Tento cyklus zahrnuje alespoň následující fáze:
Jakmile má být tato pára použita, provede následující kroky:
Použitá kapalina je stejná jako kapalina parního stroje s písty , ale turbína je operátorem evoluce, hlavní výhody turbomechaniky zahrnují:
Parní turbína je vyvrcholením typu tepelného motoru zavedeného pístovými parními motory. Omezení spojená s jejich designem obecně omezují jejich použití na průmysl. V tomto případě se získává levná elektřina, protože tepelná energie v kondenzátoru „neplytvá“ . Tyto turbíny se nazývají „protitlakové turbíny“. S takovým použitím se setkáváme zejména u sladkostí , mimo jiné u cukrové třtiny , kde je palivo zdarma a nadbytek: bagasa , drcená cukrová třtina, kterou byl extrahovaný cukr .
Turbína se skládá z rotoru obsahujícího hřídel, na kterém jsou upevněny lopatky, a ze statoru sestávajícího z pouzdra nesoucího pevné deflektory, obvykle vyrobené ze dvou částí sestavených v axiální rovině. Dále obsahuje segmentovaný sací toroid a odváděč výfuku směřující ke kondenzátoru. Funkcí pevných deflektorů je zajistit celou expanzi nebo její část vytvořením sítě trysek a upravit směr toku opouštějícího předchozí stupeň.
Parní turbína zahrnuje jeden nebo více stupňů, z nichž každý poskytuje dvě funkce:
Parní turbíny spadají do dvou širokých kategorií, často kombinovaných v jednom stroji:
Výroba turbín vyžaduje použití vysoce legovaných ocelí (Cr-Ni-V), aby odolaly tepelným, mechanickým (odstředivá síla) a chemickým ( korozi par) namáháním , viz použití slitin na bázi Ni. První dvě omezení omezují průměr, a tudíž přípustný průtok v posledních fázích. Čepele o délce více než jeden metr tedy již představují vážné výrobní problémy. Kromě toho radiální heterogenita rychlostí vyžaduje proměnlivý dopad lopatky, která má poté levý tvar, jehož obrábění je složité a jehož mechanické namáhání omezuje dobré chování.
V praxi je teplota omezena na 550 až 580 ° C a maximální prováděn, 650 ° C . Tlak je řádově 180 barů a dosahuje 250 barů u superkritických instalací.
Výsledkem je, že turbíny s vysokým výkonem obecně zahrnují na stejné ose (uspořádání tandemových sloučenin):
Je tedy možné dosáhnout výkonů více než 1 000 MW s účinností cyklu mírně přesahující 40%.
Na druhém konci spektra mají nejmenší turbíny výkon několika desítek kilowattů. Obvykle se skládají z jednoho stupně a používají se k pohonu strojů v průmyslu nebo na lodích. Mezi nimi je celá řada turbín víceméně složitých a přizpůsobených konkrétním průmyslovým účelům (s čerpáním, proti tlaku atd.).
Existuje však také mnoho malých turbín vybavených turbodmychadly vozidel. Nejmenší turbíny jsou určitě zubní turbíny .
Hlavní výhodou parních turbín je, že se jedná o externí spalovací motor . Ve výsledku mohou být k zásobování párou používána všechna paliva (plyn, topný olej, uhlí, odpad, zbytkové teplo) a zejména ta nejlevnější. Vytápění lze dokonce provádět solární energií . Výnos může dosáhnout poměrně vysokých hodnot, což má za následek snížení provozních nákladů.
Na druhou stranu náklady a složitost instalací je nejčastěji rezervují pro instalace s vysokým výkonem, aby mohly těžit z úspor z rozsahu. S výjimkou zvláštních případů jsou plynové turbíny a motory vhodnější pod 10 MW .
Chlazení kondenzátoru také vyžaduje velký průtok vody nebo objemných vzduchových chladičů , což okamžitě omezuje jejich oblast použití na pevná nebo námořní zařízení.
Ve skandinávských zemích, ale také v některých velkých francouzských městech (Paříž, Lyon, Nantes atd.) Se zbytkové teplo pravidelně využívá k budování topné sítě (viz Kogenerace ). Potrubí dopravuje vodu ohřátou na 80 až 90 ° C v obcích poblíž elektrárny a jednotlivci nebo společnosti se mohou k této síti připojit k vytápění budov.
Výtěžek se zvyšuje s tlakem na páry a teploty z přehřátí . Zvýšení těchto charakteristik je však omezeno obsahem kapaliny v páře na konci expanze. Ve skutečnosti může expanzní křivka dosáhnout saturační křivky s tvorbou kapiček, které nepříznivě ovlivňují účinnost posledních expanzních stupňů, ale také její mechanickou pevnost. Obsah kapalné vody ve směsi by měl být omezen na 15 nebo 30% . Nakonec je to tlak v kondenzátoru, který určuje povolené mezní tlaky a teploty.
Stejně jako jakýkoli jiný termodynamický cyklus je Rankinův cyklus implementovaný parními turbínami horší než Carnotův cyklus , a proto byla navržena vylepšení, která k němu směřují. To znamená, že ohřívání vody, mezi kondenzátorem a kotlem, parní odtahované v různých stupňů turbíny, umožňuje, aby se isobarický topné fáze mají tendenci směrem k transformaci, která je termodynamicky ekvivalentní k izotermy . Účinnost zařízení, ale také jeho náklady se zvyšují s počtem odběrových stupňů a souvisejících výměníků; proto počet podlaží zřídka přesahuje sedm jednotek. Zvýšení účinnosti je řádově 5% . Toto zařízení rovněž vyžaduje instalaci ohřívače vzduchu na kotel.
Na druhou stranu, aby bylo možné zvýšit tlak a teplotu navzdory problému s vlhkostí na konci expanze, je možné vrátit expandovanou páru na tlak nasycených par směrem ke kotli a pokračovat v opětovném přehřátí v dalším tepelném výměníku . Tyto kroky lze znásobit, aby fáze přehřátí měla sklon k izotermě, a proto se blížila Carnotovu cyklu. V praxi instalace obvykle zahrnují jediné přehřátí. Zvýšení efektivity může dosáhnout 5% .
Cyklus v zásadě zahrnuje dvě změny stavu ( odpařování a kondenzace ). Schéma vodní fáze umožňuje předpokládat cyklus s jedinou změnou stavu pomocí superkritického kotle. Ve skutečnosti za kritickým bodem (kolem 220 barů a 350 ° C ) nedochází ke změně stavu a kapalnou a plynnou fázi již nelze rozlišit. Superkritické cykly obecně vyžadují dvojí ohřev, aby se omezila vlhkost na konci cyklu. Zisk výnosu je stále 2 až 3% a je snadněji zdůvodnitelné zvýšením na palivo .
Díky svým vlastnostem jsou parní turbíny široce používány ve středních a vysoce výkonných tepelných elektrárnách , včetně jaderných . V rozsahu výkonu přibližně 1 až 10 MW se používají v kogeneračních aplikacích (spalovna odpadu a dálkové vytápění, průmyslový proces). Je třeba také poznamenat jejich použití v kombinovaných cyklech, kde umožňují využívat odpadní teplo plynových turbín na elektřinu .
Parní turbíny se také používají v oblasti námořního pohonu , zejména u větších lodí (ropné tankery, letadlové lodě a jaderné ponorky), ale stále častěji jsou nahrazovány dieselovými motory nebo plynovými turbínami. Funkce pohonných strojů také mizí ve prospěch elektromotorů.
K dnešnímu dni nenalezly žádné použití v silničním nebo železničním pohonu, kromě několika neúspěšných pokusů.
Parní cyklus jaderných elektráren je zvláštní. Opravdu, v tlakovodní reaktory (PWR) v současné době velmi rozšířené, teplo z štěpení se odstraní ze srdce primárním přehřátou vodního okruhu do asi 150 MPa a 300 ° C . Toto teplo produkuje nasycenou páru v sekundárním okruhu. Na výstupu z vysokotlakého stupně probíhá pára sušení (oddělování kapiček kapaliny) a mírné přehřívání (párou na výstupu parního generátoru). Kvůli omezené teplotě horkého zdroje, a tedy i tvorbě páry, zůstává účinnost cyklu nízká, kolem 30%. Jaderné elektrárny mají velmi silné turboalternátorové skupiny až do 1450 MW .
Zlepšení výkonu je v centru úvah o konstrukci reaktorů 4 th generace . To také vedlo ke konstrukci jiných typů reaktorů PWR, než v počátcích jaderné energie ( UNGG , CANDU , atd. ), S ostatními pro přenos tepla tekutiny , zejména. Bezpečnost a spolehlivost PWR je však v současné době činí nezbytnými.
Plynová turbína , nazývaná také spalovací turbína , je termodynamický rotační stroj patřící do rodiny spalovacích motorů, jehož úlohou je vyrábět mechanickou energii prostřednictvím otáčení hřídele vybaveného žebry , která se pohybují díky kinetice energie generovaná pohybem plynu spojená s rychlým spalováním jeho složek.
Turbíny jsou základní součástí letectví:
Tato turbína, kterou vynalezl Benoît Fourneyron , je poháněna proudem vody. Při instalaci za vodní přehradou pohání alternátor, který vyrábí elektřinu . Může používat hlavně tlak vody ( Francisova turbína ), rychlost vody ( Peltonova turbína ) nebo dokonce velký průtok (skupina žárovek nebo Kaplanova turbína ). Tyto turbíny se používají podle výšky pádu hráze.
Hydraulické turbíny se od vodních mlýnů odlišují především úplným a trvalým ponořením do proudu, což výrazně zvyšuje jejich účinnost.
Americký zákon o životním prostředí vyžaduje vodních elektráren ke snížení úmrtnosti ryb, které procházejí turbín. Za tímto účelem národní laboratoř v Idahu zřídila program „Hydropower“ pro vývoj „zelených“ turbín s vyspělými technologiemi ( Advanced Turbine Systems and Advanced Technology Turbines neboli ATT) s cílem maximalizovat využití turbín. hydroelektrické zdroje „zlepšením jejích technických, společenských a environmentálních výhod“ při současném snížení nákladů a pokud je to technicky možné, dopadů na životní prostředí. Cílem tohoto programu bylo snížit zranění a úmrtnost ryb procházejících turbínami na 2% nebo méně (ve srovnání s 5 až 10% pro nejlepší turbíny existující na začátku programu) a rychlost dosahující 30% nebo více u jiných turbín. Tato laboratoř se proto specializuje na modelování účinků elektráren na ryby, zejména pomocí „rybí sondy“ (druh rybího simulakra obsahující senzory měřící namáhání vystavená při průchodu různými typy turbín za různých podmínek rychlosti turbíny, průtok a tlak vody). Laboratoř také provádí in situ testy kumulativního přežití lososovitých nebo úhořů procházejících více turbínami. Zpětná vazba je zdrojem konfiguračních studií nových typů turbín zaměřených na eliminaci dopadů turbín na ryby a výrobu elektřiny při pádech z nižší výšky.
Proto byly v letech 2000–2005 navrženy modely „turbíny přátelských k rybám“ , s přežitím 83 až 93% po 96 hodinách u pstruha duhového, 90 až 100% přežití u jiných druhů podle ALDEN v roce 2009 (a testováno v roce 2006), tzv. „very low head“ (VLH®2) a „ichthyophile®2“ , což má tu výhodu, že výrazně snižuje potřebu inženýrského stavitelství a tím i nákladů na práci, a to s účinností, která umožňuje vybavit velmi malé pády (2 až 3 m ); přičemž umožňuje průchod ryb bez poškození turbínou (zejména úhořů) díky konstrukci integrující výsledky studií kompatibility turbín se životem ryb, provedené americkým armádním sborem inženýrů , publikovaným v roce 1995 první prototyp turbíny VLH postavený ve Francii byl v roce 2006Březen 2007(na Tarnu , v Moulin de Troussy v Millau ). Přívody vody těchto turbín mohou být také vybaveny takzvanými ichtyokompatibilními zařízeními (například ve Francii testovány v Navarrenxu na Gave d'Oloron ) a vylepšeny pomocí ONEMA . (Larinier, Thévenet, & Travade, 2008), a rybářský žebřík s nimi může být spojen, aby se usnadnil výstup (jako u elektrárny Saint-Géry (2 MW ) v Lot, renovované v roce 2015). Za nejhorších podmínek jsou dopady z hlediska okamžité a / nebo opožděné úmrtnosti vyděleny 2 až 3 ve srovnání s konvenční Kaplanovou turbínou pracující za stejných podmínek. Úhoři jsou kvůli své délce nejzranitelnější, a když jsou zabiti, jsou často mimo turbínu.
Vzduchová turbína je lamelový systém, kde se stlačený vzduch uvolňuje a zvyšuje rychlost. Energie vyvinutá touto turbínou souvisí s rovnicí:
nebo:
Tento typ turbíny se používá mimo jiné v nástrojích, jako jsou šroubováky nebo vrtačky na stlačený vzduch.