Импульсная турбина против реактивной турбины
Турбины - это класс турбомашин, используемых для преобразования энергии текущей жидкости в механическую энергию с помощью роторных механизмов. Турбины, как правило, преобразуют в работу тепловую или кинетическую энергию жидкости. Газовые турбины и паровые турбины - это машины с тепловым турбонаддувом, в которых работа создается за счет изменения энтальпии рабочего тела; т.е. потенциальная энергия жидкости в виде давления преобразуется в механическую энергию.
Основная конструкция турбины с осевым потоком спроектирована для обеспечения непрерывного потока жидкости при извлечении энергии. В тепловых турбинах рабочая жидкость с высокой температурой и давлением направляется через ряд роторов, состоящих из наклонных лопаток, установленных на вращающемся диске, прикрепленном к валу. Между дисками каждого ротора установлены неподвижные лопасти, которые действуют как сопла и направляют поток жидкости.
Турбины классифицируются по многим параметрам, а разделение на импульс и реакцию основано на методе преобразования энергии жидкости в механическую. Импульсная турбина полностью генерирует механическую энергию из импульса жидкости при ударе по лопастям ротора. Реакционная турбина использует жидкость из сопла для создания импульса на колесе статора.
Подробнее об Impulse Turbine
Импульсные турбины преобразуют энергию жидкости в форму давления, изменяя направление потока жидкости при ударе о лопасти ротора. Изменение количества движения приводит к возникновению импульса на лопатках турбины, и ротор перемещается. Процесс объясняется вторым законом Ньютона.
В импульсной турбине скорость жидкости увеличивается за счет прохождения через ряд сопел перед направлением к лопастям ротора. Лопатки статора действуют как сопла и увеличивают скорость за счет снижения давления. Затем поток жидкости с более высокой скоростью (импульсом) ударяется о лопасти ротора, передавая импульс лопаткам ротора. На этих стадиях свойства жидкости претерпевают изменения, характерные для импульсных турбин. Падение давления полностью происходит в соплах (то есть в статорах), и скорость значительно увеличивается в статорах и падает в роторах. По сути, импульсные турбины преобразуют только кинетическую энергию жидкости, но не давление.
Колеса Пелтона и турбины де Лаваля являются примерами импульсных турбин.
Подробнее о реакционной турбине
Реакционные турбины преобразуют энергию жидкости за счет реакции на лопасти ротора, когда жидкость претерпевает изменение количества движения. Этот процесс можно сравнить с реакцией на ракете выхлопных газов ракеты. Процесс реакционных турбин лучше всего объяснить с помощью второго закона Ньютона.
Серия сопел увеличивает скорость потока жидкости в ступени статора. Это приводит к падению давления и увеличению скорости. Затем поток жидкости направляется к лопастям ротора, которые также выполняют роль сопел. Это дополнительно снижает давление, но скорость также падает в результате передачи кинетической энергии на лопасти ротора. В реактивных турбинах не только кинетическая энергия текучей среды, но также энергия текучей среды в виде давления преобразуется в механическую энергию вала ротора.
К этой категории относятся турбина Френсиса, турбина Каплана и многие современные паровые турбины.
В современной конструкции турбины принципы работы используются для выработки оптимальной выходной энергии, а характер турбины выражается степенью реакции (Λ) турбины. Параметр в основном представляет собой соотношение между падением давления в ступени ротора и ступени статора.
Λ = (изменение энтальпии в ступени ротора) / (изменение энтальпии в ступени статора)
В чем разница между импульсной турбиной и реакционной турбиной?
В импульсной турбине падение давления (энтальпии) полностью происходит на ступени статора, а в реакционной турбине давление (энтальпия) падает как на ступени ротора, так и на ступенях статора. {Если жидкость сжимаема, (обычно) газ расширяется в ступенях ротора и статора реакционных турбин.}
Реакционные турбины имеют два набора сопел (в статоре и роторе), в то время как импульсные турбины имеют сопла только в статоре.
В реактивных турбинах давление и кинетическая энергия преобразуются в энергию вала, тогда как в импульсных турбинах только кинетическая энергия используется для выработки энергии вала.
Работа импульсной турбины объясняется с помощью третьего закона Ньютона, а реактивные турбины - с помощью второго закона Ньютона.
