Турбина
Это слово происходит от латинского слова turbo — вихрь, вращение с большой скоростью. Так стали называть в середине XIX в. вращающиеся устройства — первичные двигатели, в которых энергия воды, пара или газа преобразуется в механическую энергию, т. е. в работу. Устройство турбины несложно. Она состоит из двух рядов изогнутых лопаток, один из которых размещается в неподвижном корпусе, а второй — на вращающемся рабочем колесе. Вода, пар или газ по неподвижным направляющим лопаткам поступает к лопаткам рабочего колеса и давит на них, заставляя вращаться.
В зависимости от того, какве вещество (рабочее тело) заставляет вращаться турбины, они делятся на гидравлические (гидротурбины), паровые и газовые.
Самой простой гидротурбиной является водяное колесо, широко применявшееся в качестве первичного двигателя в глубокой древности (см. рис.). Рабочие лопатки (ковши) такого колеса приводятся в действие силой падающей воды. Колесо соединяли или с жерновами мельницы, или с черпаком, поднимавшим воду выше уровня реки. Очень крупное колесо — диаметром более 17 м — установил на алтайском руднике талантливый русский изобретатель К. Д. Фролов еще в 1780 г. Тысячи таких колес используются и в настоящее время для орошения в странах Азии, Африки и Южной Америки.
Гидротурбины современных гидроэлектростанций устроены гораздо сложнее. Чтобы они развивали мощность в сотни тысяч киловатт, строят гигантские плотины, которые поднимают уровень воды более чем на 200 м.
В бетонном теле плотины гидроэлектростанции сооружают спиральные каналы диаметром в несколько метров, по которым с большой скоростью несутся потоки воды. Вода попадает на лопатки гидротурбины, соединенной с элект рогенератором, и вращает ее. Максимальная мощность современных гидротурбин достигает 750 МВт.
В настоящее время более 15% всей вырабатываемой в мире электрической энергии создается на гидроэлектростанциях. На электростанциях, использующих энергию приливов (приливных электростанциях), гидротурбины располагаются внутри дамбы, отгораживающей берег в тех местах, где высота прилива достигает нескольких метров. Они работают и во время прилива, когда вода заполняет отгороженную часть берега, и тогда, когда она во время отлива уходит обратно в море.
Паровые турбины являются основным двигателем теплоэлектростанций (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС). Пар, находящийся в паровом котле под высоким давлением, проходит через паровую турбину, состоящую из нескольких рядов направляющих и рабочих лопаток. Каждый такой ряд называется ступенью турбины, а сама турбина — многоступенчатой.
Паровые турбины современных тепловых электростанций имеют мощность до 1300 МВт, гидравлические — более 600 МВт в агрегате. Газовая турбина — часть газотурбинных двигателей (ГТД). Такие двигатели, в частности, работают на современных самолетах (см. Реактивные двигатели). Воздух в газотурбинных двигателях сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которую вводится жидкое топливо или горючий газ. Нагретый сжатый газ вращает турбину. Часть своей работы турбина отдает компрессору, сжимающему воздух, а часть — потребителю — электрогенератору на газотурбинной электростанции, воздушному винту или реактивной струе на самолете, колесу автомобиля, нагнетателю, перекачивающему газ по газопроводу, и т. д. Из-за высокой температуры газа лопатки газовой турбины обычно приходится искусственно охлаждать. Для этого их иногда делают полыми и продувают через них холодный воздух. Мощность газовых турбин — до 100 МВт, разрабатываются турбины мощностью 150 МВт. На электростанциях газотурбинные установки используются в качестве так называемых пиковых устройств, т. е. устройств, работающих в напряженные утренние и вечерние часы суток — в часы пик. Дело в том, что потребление электроэнергии в течение суток очень неравномерно. Изменить режим работы паровой турбины нелегко, так как пар аккумулирует большое количество теплоты и для его охлаждения нужно много времени. Газотурбинные двигатели легко ввести в работу. Их запускают в тот момент, когда потребление энергии резко возрастает.
Основы теории паровых и газовых турбин создал в конце прошлого века словацкий ученый А. Стодола.
Газовые турбины используют не только для получения работы, но и для глубокого охлаждения и сжижения некоторых газов (воздух, гелий, водород и т. д.; см. Холодильные машины и криогенная техника). Такие турбины называются турбодетандерами. Идею турбодетан- дера предложил и реализовал на практике известный советский ученый академик П. JI. Капица.
Несмотря на то что при конструировании современных турбин используются все достижения современной науки и техники, их теорию до сих пор нельзя считать завершенной. Математические уравнения, описывающие движение воды, пара или газа по лопаткам турбины, еще не решены. Поэтому при разработке турбин приходится более всего опираться на уже накопленный опыт. Решение этих уравнений считается сейчас одной из важных задач математики.
Благодаря хорошей экономичности, компактности, надежности и возможности осуществления большой единичной мощности турбины практически вытеснили поршневые паровые машины из современной мировой энергетики. Об истории изобретения и использования паровой машины рассказано в отдельной статье.
