Turbiini
Turbiini eli turpiini (lat. turbare 'vetää') on pyörivä kone, joka muuttaa virtaavan aineen eli fluidin energiaa turbiinin pyörimisenergiaksi. Yleensä turbiinin akseliin on kiinnitetty generaattori, joka muuttaa liike-energian sähköenergiaksi. Turbiini-generaattori-yhdistelmillä tuotetaan liki kaikki kulutettava sähköenergia. Muita turbiinien käyttökohteita ovat suihkumoottorit. Käänteisesti toimiva turbiini on kompressori tai turbopumppu.
Turbiinien jaottelu
Turbiinit jaotellaan väliaineen perusteella seuraavasti;
Toinen tapa jaotella turbiineja perustuu niiden toteuttamaan termodynaamiseen sykliin. Tuossa jaottelussa kaasuturbiinit yleensä toimivat puhtaasti Brayton-syklillä, höyryturbiinien mennen Rankine-periaatteella. Näin päin ajatellen huomataan usein, että välimuotojakin on. Esimerkiksi välitulistimen käyttö höyryturbiinissa tuo sen lähemmäs Brayton-periaatetta, pois Rankinesta. Lisäksi puhtaat kaasuturbiinit, kuten hävittäjälentokoneiden korkeatehoiset suihkumoottorit, voivat myös toimia yliääninopeuksisilla kaasuvirroilla, jolloin moottorin lämpötieteellinen ja virtaustekninen analyysi sekä luokittelu mutkistuvat entisestään. Tällaisissa sovelluksissa muun muassa ulosvirtauskanavan tai -suuttimen sisällä tapahtuu hankalasti mallinnettavaa työn ja voiman tuottoa, yhteisesti edeltävän turbiinikoneiston tekemästä. Kts. raketti.
Teoreettinen perusta
Väliaine sisältää paine- ja lämpöenergiaa eli entalpiaa sekä liike-energiaa. Turbiinit jaetaan kahteen eri ryhmään sen perusteella, miten tätä väliaineen energiaa muunnetaan mekaaniseksi energiaksi.
- Impulssiturbiinissa (usein myös aktioturbiini) suuttimella väliaineen paine-energiaa muutetaan nopeusenergiaksi. Väliaineen paine ei laske enää juoksusiivistössä. Suurinopeuksinen suihku suunnataan turbiinin siipiin. Siipi muuttaa suurinopeuksisen virtauksen suuntaa. Nopeuden muutoksesta seuraava impulssi pyörittää turbiinia ja vähentää virtauksen liike-energiaa. Pelton- ja deLaval-turbiinit toimivat tällä periaatteella. Impulssiturbiini ei välttämättä tarvitse koteloa juoksusiivistön ympärille, sillä suihku säädetään jo suuttimessa. Newtonin toinen laki kuvaa energiasiirtoa aktioturbiinissa.
- Reaktioturbiinit kehittävät vääntömomenttinsa reagoimalla väliaineen paineeseen, joka laskee väliaineen edetessä turbiinin juoksusiivistössä. Laajeneva väliaine siis pyörittää turbiinia. Francis-turbiinit ja useimmat höyryturbiinit toimivat tällä periaatteella. Reaktioturbiinit tarvitsevat suihkua ohjaavan kotelon juoksusiivistön ympärille. Newtonin kolmas laki kuvaa reaktioturbiinin energiansiirtoa.
Näitä kahta tapaa käytetään turbiineissa usein rinnakkain. Tuuliturbiinissa pääosa energiasta muodostuu, kun poikkileikkaukseltaan siivenmuotoinen lapa aiheuttaa nosteen, joka pyörittää turbiinin akselia. Lavat saavat energiaa myös impulssista kun tuulen suunta muuttuu. Vesiturbiineihin kuuluvat ristivirtausturbiinit ovat impulssiturbiineja ja niissä on suutin, mutta matalan putouskorkeuden sovelluksissa ne toimivat reaktiolla kohtuullisella hyötysuhteella kuten tavallinen vesipyörä.
Perinteinen turbiinisuunnittelu kehittyi 1800-luvun puolivälissä. Vektorianalyysi yhdisti virtauksen turbiinin siipien muotoon ja pyörimiseen. Graafinen laskeminen oli ensimmäinen käytetty menetelmä. Kaavat perusmitoituksen tekemiseen mille ja minkälaiselle tahansa virtaukselle soveltuvalle, hyötysuhteeltaan hyvälle koneelle ovat olemassa. Osa näistä on kokemusperäisiä ja niin sanottuja peukalosääntöjä toisten perustuessa klassiseen mekaniikkaan. Säännöissä on tehty yksinkertaistavia oletuksia, kuten on tyypillistä tekniikan laskennassa.
Käyttö
Lähes kaikki maailman sähköstä tuotetaan turbiineilla. Korkeimman hyötysuhteen turbiinit pystyvät hyödyntämään jopa 40 % lämpöenergiasta. Hyödyntämättä jäävää nimitetään lämpöhäviöksi. Valtaosa suihkumoottoreista perustuu turbiinien tuottamaan mekaaniseen työhön.
Turbiinit ovat usein vain osa suurempaa kokonaisuutta. Esimerkiksi kaasuturbiini voi viitata polttokoneeseen, johon kuuluu turbiini, kompressori, polttokammio, lämmönvaihdin, puhallin ja mahdollisesti generaattori, mikäli laitoksen tarkoituksena on tuottaa sähköä.
Pistovirtamoottoreiden, kuten lentokoneen moottoreiden, savukaasuja voidaan käyttää turbiinissa hyödyksi ajamaan imu-ilmakompressoria. Tällaista asennusta kutsutaan nimellä turboahdin tai "turbo". Turbiineilla voi olla korkea tehotiheys (tehon suhde massaan tai tilavuuteen). Tämä johtuu siitä, että turbiinit voivat toimia hyvin korkeilla nopeuksilla.
Aiheesta muualla
- Turbiinin laskennallisia perusteita (englanniksi)