Термин «турбина» имеет латинское происхождение (turbo — вихрь, быстрое вращение) и с середины XIX века обозначает ротационные двигатели. Эти устройства преобразуют энергию движущегося потока — воды, пара или газа — в полезную механическую работу. Конструктивно турбина представляет собой систему изогнутых лопаток: одни закреплены неподвижно в корпусе (направляющий аппарат), а другие установлены на вращающемся роторе (рабочее колесо). Поток рабочего тела, проходя через направляющие лопатки, приобретает нужное направление и скорость, а затем воздействует на лопатки ротора, заставляя его вращаться.
Основные типы турбин
В зависимости от используемого рабочего тела турбины делятся на три основных класса: гидравлические (гидротурбины), паровые и газовые.
Гидравлические турбины
Простейшим предком современной гидротурбины является водяное колесо, известное с древних времен. Его лопасти-ковши приводились в движение силой падающей воды, а энергия использовалась для вращения жерновов мельниц или подъема воды. В 1780 году русский изобретатель К.Д. Фролов создал на алтайском руднике гигантское колесо диаметром более 17 метров. Подобные простые конструкции до сих пор применяются для орошения в ряде регионов мира.
Современные гидротурбины, используемые на гидроэлектростанциях (ГЭС), — это высокотехнологичные агрегаты. Для их работы возводят мощные плотины, создающие перепад уровней воды в сотни метров. Вода с огромной скоростью поступает по спиральным каналам внутрь турбины, вращая её лопатки. Ротор турбины напрямую соединён с валом электрогенератора. Мощность самых крупных современных гидроагрегатов достигает 750 МВт. На долю ГЭС сегодня приходится более 15% мировой выработки электроэнергии.
Особый вид гидротурбин применяется на приливных электростанциях (ПЭС). Они встраиваются в тело дамбы, отгораживающей часть берега, и работают в обоих направлениях: как при приливе, когда вода заходит в бассейн, так и при отливе, когда она возвращается в море.
Паровые турбины
Паровые турбины — это сердце традиционных тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанций. Перегретый пар высокого давления из котла последовательно проходит через несколько рядов (ступеней) лопаток. Каждая ступень состоит из неподвижных направляющих и подвижных рабочих лопаток, что позволяет наиболее эффективно использовать энергию пара. Современные паровые турбоагрегаты для ТЭС и АЭС могут иметь мощность до 1300 МВт.
Газовые турбины
Газовая турбина является ключевым элементом газотурбинного двигателя (ГТД). Такие двигатели широко используются в авиации (турбореактивные и турбовинтовые двигатели), энергетике и на транспорте. В ГТД воздух сжимается компрессором, затем в камере сгорания смешивается с топливом и поджигается. Образовавшийся раскалённый газовый поток с высокой скоростью устремляется на лопатки турбины. Часть энергии вращения турбины затрачивается на привод компрессора, а оставшаяся часть используется для полезной работы — вращения электрогенератора, воздушного винта или создания реактивной тяги. Из-за экстремально высоких температур газового потока (до 1500°C и более) лопатки турбин часто имеют сложные системы внутреннего охлаждения. Мощность промышленных газовых турбин достигает 100-150 МВт.
В энергосистемах газотурбинные установки часто играют роль «пиковых» мощностей. Их главное преимущество — способность быстро запускаться и выходить на полную мощность за считанные минуты. Это незаменимо для покрытия резких скачков энергопотребления в утренние и вечерние часы, в то время как массивные паровые турбины ТЭС и АЭС предназначены для работы в постоянном базовом режиме.
Другие применения и научные основы
Помимо выработки энергии, турбины используются для получения сверхнизких температур. Устройства, называемые турбодетандерами, расширяют сжатый газ (воздух, гелий, водород), совершая при этом работу и сильно охлаждая его. Теоретическую основу для создания эффективных турбодетандеров заложил советский академик П.Л. Капица.
Теоретические основы работы паровых и газовых турбин в конце XIX века заложил словацкий учёный А. Стодола. Однако, несмотря на все достижения современной науки, полная математическая теория течения газа или жидкости в проточной части турбины до сих пор не построена. Конструкторы во многом опираются на эмпирические данные и накопленный опыт, а решение соответствующих сложных уравнений гидрогазодинамики остаётся актуальной задачей для математиков.
Благодаря высокой эффективности, надёжности, компактности и возможности создания агрегатов колоссальной мощности турбины практически полностью вытеснили поршневые паровые машины из мировой энергетики, став её основным двигателем.