Τύποι Τουρμπίνων: Αρχές Λειτουργίας και Εφαρμογές

Οι στρόβιλοι είναι περιστροφικές μηχανές που μετατρέπουν την ενέργεια ενός κινούμενου ρευστού σε μηχανική ισχύ, η οποία συχνά μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω γεννητριών. Αυτό το άρθρο εξηγεί τους κύριους τύπους στροβίλων, τις μεθόδους ταξινόμησής τους, τις αρχές λειτουργίας, τα εξαρτήματα, τα χαρακτηριστικά απόδοσης και τις βιομηχανικές εφαρμογές.

Βασικές Έννοιες των Τουρμπίνων

Μια τουρμπίνα αποτελείται από έναν ρότορα με πτερύγια ή κάδους που αλληλεπιδρούν με ένα εργαζόμενο ρευστό όπως ατμός, αέριο, νερό ή αέρας. Η κινητική ενέργεια ή/και η ενέργεια πίεσης του ρευστού μετατρέπονται σε ισχύ άξονα. Ο άξονας μπορεί να κινεί μια ηλεκτρική γεννήτρια, έναν συμπιεστή, μια αντλία, μια έλικα πλοίου ή άλλο μηχανισμό.

Βασική Αρχή Μετατροπής Ενέργειας

Η λειτουργία οποιασδήποτε τουρμπίνας βασίζεται στη διατήρηση της ενέργειας και της ορμής. Ένα απλοποιημένο ενεργειακό ισοζύγιο είναι:

Ενέργεια εισερχόμενου ρευστού = Ισχύς άξονα εξόδου + Ενέργεια εξόδου ρευστού + Απώλειες

Οι βασικοί μηχανισμοί περιλαμβάνουν:

• Επιτάχυνση ή επιβράδυνση του ρευστού μέσω ακροφυσίων και διόδων
• Αλλαγή στην κατεύθυνση ροής ρευστού κατά μήκος των πτερυγίων του ρότορα
• Πτώση πίεσης σε σταθερές και κινούμενες σειρές λεπίδων

Έννοια ώθησης έναντι αντίδρασης

Οι περισσότερες διαμορφώσεις στροβίλων μπορούν να ερμηνευθούν με βάση τα φαινόμενα ώθησης και αντίδρασης:

• Φαινόμενο ώθησης: η ενέργεια εξάγεται κυρίως από την ταχύτητα του ρευστού (κινητική ενέργεια) καθώς αυτό χτυπά τα πτερύγια του ρότορα αφού διέλθει από ένα ακροφύσιο.
• Φαινόμενο αντίδρασης: η ενέργεια εξάγεται από τις συνδυασμένες αλλαγές πίεσης και ταχύτητας που συμβαίνουν τόσο σε ακίνητες όσο και σε κινούμενες λεπίδες.

Το ποσοστό της ενέργειας που μετατρέπεται από τις αλλαγές πίεσης στον ρότορα χαρακτηρίζεται από τον βαθμό αντίδρασης, ο οποίος επηρεάζει τον σχεδιασμό της λεπίδας, το στάθμισμα και τη συνολική διαμόρφωση.

Ταξινόμηση των Τουρμπίνων

Οι ανεμογεννήτριες μπορούν να ταξινομηθούν χρησιμοποιώντας διάφορα κριτήρια, καθένα από τα οποία δίνει έμφαση σε διαφορετικές πτυχές σχεδιασμού και λειτουργίας.

Ταξινόμηση ανά εργαζόμενο ρευστό

Μία από τις πιο συνηθισμένες μεθόδους ταξινόμησης βασίζεται στο εργαζόμενο ρευστό:

• Ατμοστρόβιλοι
• Αεριοστρόβιλοι
• Υδραυλικοί (υδρόβιοι) στρόβιλοι
• Ανεμογεννήτριες (αέρας ως εργαζόμενο ρευστό)
• Στροβίλοι ειδικής χρήσης (π.χ., στρόβιλοι ψυκτικού ή οργανικού ρευστού σε συστήματα ORC)

Ταξινόμηση ανά τρόπο μετατροπής ενέργειας

Σύμφωνα με τη λειτουργία μετατροπής ενέργειας μέσα στον ρότορα:

Παρεμβατικές τουρμπίνες

Στους παλμικούς στροβίλους η πίεση του ρευστού παραμένει ουσιαστικά σταθερή κατά μήκος του ρότορα και σχεδόν όλη η πτώση πίεσης συμβαίνει σε σταθερά ακροφύσια, παράγοντας έναν πίδακα υψηλής ταχύτητας που προσπίπτει στους κάδους ή τα πτερύγια του ρότορα.

Τουρμπίνες αντίδρασης

Στους στροβίλους αντίδρασης, η πτώση πίεσης μοιράζεται μεταξύ των στατικών και των κινούμενων πτερυγίων. Τα περάσματα του ρότορα λειτουργούν ως ακροφύσια, προκαλώντας πρόσθετη επιτάχυνση του ρευστού και μείωση της πίεσης εντός των καναλιών των κινούμενων πτερυγίων.

Ταξινόμηση κατά κατεύθυνση ροής

Σύμφωνα με την κατεύθυνση της ροής του ρευστού σε σχέση με τον άξονα περιστροφής:

• Αξονικές ανεμογεννήτριες: το ρευστό ρέει παράλληλα με τον άξονα (συνήθως σε ατμογεννήτριες, αεριογεννήτριες και μεγάλες ανεμογεννήτριες).
• Ακτινικοί στρόβιλοι: το ρευστό ρέει σε ακτινική κατεύθυνση, είτε προς τα μέσα είτε προς τα έξω (κοινό σε ορισμένους υδραυλικούς στροβίλους και στροβιλοσυμπιεστές).
• Στροβίλοι μικτής ροής: η ροή ρευστού έχει τόσο αξονικές όσο και ακτινικές συνιστώσες (κοινές σε ορισμένους υδραυλικούς στροβίλους και συμπαγείς αεριοστροβίλους).

Ταξινόμηση κατά ύψος πίεσης ή λόγο πίεσης

Για υδραυλικούς και αεριοστροβίλους/ατμοστροβίλους, η κεφαλή πίεσης ή ο λόγος πίεσης είναι μια βασική παράμετρος:

Οι υδραυλικοί στρόβιλοι συχνά κατηγοριοποιούνται ως:

• Στροβιλοκινητήρες υψηλού ύψους (μεγάλη υψομετρική διαφορά, χαμηλότερος ρυθμός ροής).
• Τουρμπίνες μεσαίας κεφαλής.
• Τουρμπίνες χαμηλού ύψους πτώσης (μικρή υψομετρική διαφορά, υψηλός ρυθμός ροής).

Για τους αεριοστροβίλους και τους ατμοστρόβιλους, η συνολική αναλογία πίεσης στα στάδια του στροβίλου επηρεάζει έντονα τον σχεδιασμό και την επιλογή του αριθμού των σταδίων.

Στρόβιλοι ατμού

Οι ατμοστρόβιλοι μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια του ατμού υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας σε μηχανικό έργο. Χρησιμοποιούνται ευρέως σε μονάδες ορυκτών καυσίμων, πυρηνικής ενέργειας, βιομάζας, γεωθερμίας και βιομηχανικής συμπαραγωγής.

Αρχή Λειτουργίας των Ατμοστροβίλων

Ο ατμός που παράγεται σε λέβητα ή γεννήτρια ατμού εκτονώνεται μέσω στατικών ακροφυσίων και κινούμενων σειρών λεπίδων. Η εκτόνωση ακολουθεί θερμοδυναμικές διεργασίες μεταξύ εισόδου υψηλής πίεσης και εξόδου χαμηλής πίεσης (συχνά σε συμπυκνωτή). Η διαδικασία συνήθως προσεγγίζει τον κύκλο Rankine. Η σταδιακή επεξεργασία χρησιμοποιείται για την αποτελεσματική διαχείριση μεγάλων πτώσεων πίεσης και για τον περιορισμό του φορτίου των λεπίδων.

Ατμοστρόβιλοι ώθησης και αντίδρασης

Οι περισσότερες πρακτικές ατμοστρόβιλοι συνδυάζουν στάδια ώθησης και αντίδρασης, αλλά πολλές περιγράφονται σύμφωνα με την κυρίαρχη αρχή:

Οι ωστικοί ατμοστρόβιλοι συνήθως χρησιμοποιούν:

• Σταθερά ακροφύσια ή μπλοκ ακροφυσίων όπου συμβαίνει το μεγαλύτερο μέρος της πτώσης πίεσης.
• Οι τροχοί του ρότορα είναι εξοπλισμένοι με καμπύλους κάδους· οι πίδακες ατμού μεταφέρουν ορμή στον ρότορα.

Οι ατμοστρόβιλοι αντίδρασης συνήθως περιλαμβάνουν:

• Εναλλασσόμενες σειρές σταθερών και κινούμενων πτερυγίων σε σχήμα αεροτομής.
• Η πτώση πίεσης κατανέμεται τόσο σε σταθερές όσο και σε κινούμενες σειρές, δημιουργώντας δυνάμεις παρόμοιες με ανύψωση στις λεπίδες.

Ατμοστρόβιλοι συμπύκνωσης έναντι αντίθλιψης

Οι ατμοστρόβιλοι μπορούν επίσης να ταξινομηθούν ανάλογα με τις συνθήκες εξάτμισης:

• Στρόβιλοι συμπύκνωσης: ο ατμός εξαγωγής εισέρχεται σε έναν συμπυκνωτή σε πολύ χαμηλή πίεση (συνθήκες κενού), μεγιστοποιώντας την ισχύ εξόδου.
• Στροβίλοι αντίθλιψης (χωρίς συμπύκνωση): ο ατμός εξαγωγής παρέχεται σε υψηλότερη πίεση για εφαρμογές θέρμανσης διεργασιών σε βιομηχανικές μονάδες ή δίκτυα τηλεθέρμανσης.

Τυπικές παράμετροι λειτουργίας για ατμοστρόβιλους

Βασικά εξαρτήματα των ατμοστροβίλων

Τα συγκροτήματα ατμοστροβίλων περιλαμβάνουν γενικά:

• Περίβλημα με τμήματα υψηλής, ενδιάμεσης και χαμηλής πίεσης.
• Ρότορας με πολλαπλούς τροχούς ή ενσωματωμένες σειρές λεπίδων.
• Σταθερές σειρές λεπίδων (ακροφύσια) στερεωμένες στο περίβλημα.
• Στεγανοποιητικά και ρουλεμάν άξονα.
• Σύστημα διαχείρισης για τη ρύθμιση της ροής (βαλβίδες ελέγχου και ακροφύσια).
• Συστήματα λίπανσης και ελέγχου λαδιού.

Τυπικές σκέψεις για την επιλογή ατμοστρόβιλου

Σημαντικές παράμετροι για την επιλογή ενός τύπου ατμοστροβίλου περιλαμβάνουν:

• Διαθέσιμη πίεση και θερμοκρασία ατμού από τον λέβητα ή τη διεργασία.
• Απαιτούμενη ισχύς εξόδου και ταχύτητα.
• Ανάγκη για θύρες εξαγωγής ή εισαγωγής για τον ατμό διεργασίας.
• Διαμόρφωση συμπύκνωσης ή αντίθλιψης ανάλογα με τις απαιτήσεις ανάκτησης θερμότητας.

Αεριοστρόβιλοι

Οι αεριοστρόβιλοι είναι κινητήρες εσωτερικής καύσης που λειτουργούν με τον κύκλο Brayton. Προσλαμβάνουν ατμοσφαιρικό αέρα, τον συμπιέζουν, τον αναμειγνύουν με καύσιμο, καίνε το μείγμα και εκτονώνουν το αέριο υψηλής θερμοκρασίας μέσω των σταδίων του στροβίλου που κινούν τόσο τον συμπιεστή όσο και ένα εξωτερικό φορτίο.

Αεριοστρόβιλοι ανοιχτού κύκλου

Στους αεριοστροβίλους ανοιχτού κύκλου, το εργαζόμενο ρευστό (αέρας και προϊόντα καύσης) διέρχεται από τον κινητήρα μία φορά και στη συνέχεια εξάγεται στην ατμόσφαιρα. Αυτές οι μονάδες χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή ενέργειας, τη μηχανική κίνηση (π.χ., συμπιεστές, αντλίες) και την πρόωση αεροσκαφών.

Χαρακτηριστικά χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν:

• Αξονικά ή φυγοκεντρικά στάδια συμπιεστή.
• Θάλαμοι καύσης (κυλινδρικοί ή δακτυλιοειδείς).
• Μονά ή πολλαπλά στάδια στροβίλου για κίνηση συμπιεστή και ισχύ εξόδου.
• Διαχύτης εξάτμισης και ακροφύσιο στοίβας ή πρόωσης.

Αεριοστρόβιλοι κλειστού κύκλου και έμμεσης καύσης

Οι αεριοστρόβιλοι κλειστού κύκλου ανακυκλώνουν ένα εργαζόμενο ρευστό όπως ήλιο, άζωτο ή αέρα σε κλειστό βρόχο μέσω εξωτερικών εναλλακτών θερμότητας. Χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες βιομηχανικές ή πειραματικές εφαρμογές όπου απαιτούνται συγκεκριμένες ιδιότητες του εργαζόμενου ρευστού.

Οι διαμορφώσεις έμμεσης καύσης χρησιμοποιούν έναν εναλλάκτη θερμότητας για τη μεταφορά θερμότητας από μια εξωτερική διαδικασία καύσης στο εργαζόμενο ρευστό, επιτρέποντας τον διαχωρισμό μεταξύ των αερίων καύσης και του εργαζόμενου ρευστού του στροβίλου.

Βιομηχανικοί έναντι αεριοστροβίλων παραγωγής ενέργειας

Οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να χωριστούν σε βαρέως τύπου βιομηχανικά σχέδια και σε αεροδυναμικά παράγωγα μονάδες που προέρχονται από κινητήρες αεροσκαφών:

• Βιομηχανικοί αεριοστρόβιλοι: στιβαροί, συχνά βαρύτεροι, βελτιστοποιημένοι για μεγάλα διαστήματα σέρβις και σταθερή λειτουργία.
• Αεροστρόβιλοι αερομεταφοράς: ελαφρύτεροι, με υψηλότερη αναλογία ισχύος προς βάρος, ταχύτερη εκκίνηση, χρησιμοποιούνται συχνά για μέγιστη ισχύ, υπεράκτιες πλατφόρμες και κινητές μονάδες.

Βασικές παράμετροι απόδοσης για αεριοστροβίλους

Σημαντικές λειτουργικές παράμετροι περιλαμβάνουν:

• Λόγος πίεσης συμπιεστή (συνήθως περίπου 8–30 για πολλές βιομηχανικές μονάδες).
• Θερμοκρασία εισόδου στροβίλου (συχνά στην περιοχή των 1000–1500 °C ανάλογα με το σχεδιασμό και τα υλικά).
• Ισχύς εξόδου (από μερικά MW για μικρές μονάδες έως εκατοντάδες MW για μεγάλα μηχανήματα βαρέως τύπου).
• Ταχύτητες περιστροφής (συχνά 3000 ή 3600 σ.α.λ. για απευθείας συνδεδεμένες γεννήτριες· πολύ υψηλότερες για αεροδυναμικούς πυρήνες).

Μονάδες παραγωγής ενέργειας συνδυασμένου κύκλου

Σε πολλούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας, οι αεριοστρόβιλοι συνδυάζονται με ατμοστρόβιλους. Τα θερμά καυσαέρια από τον αεριοστρόβιλο διοχετεύονται μέσω μιας γεννήτριας ατμού ανάκτησης θερμότητας, παράγοντας ατμό που κινεί έναν ατμοστρόβιλο. Αυτή η διάταξη συνδυασμένου κύκλου βελτιώνει τη συνολική αξιοποίηση ενέργειας και επιτρέπει τη χρήση πολλαπλών τύπων στροβίλων σε μία μονάδα.

Υδραυλικοί (νερό) στρόβιλοι

Οι υδραυλικοί στρόβιλοι μετατρέπουν τη δυναμική και κινητική ενέργεια του νερού σε μηχανική ισχύ. Αποτελούν κεντρικά εξαρτήματα των υδροηλεκτρικών σταθμών και των εγκαταστάσεων αντλιοταμίευσης.

Ταξινόμηση Υδραυλικών Τουρμπίνων

Οι υδραυλικοί στρόβιλοι συνήθως κατηγοριοποιούνται με βάση τη μέθοδο μετατροπής ενέργειας και το εύρος της μέγιστης πίεσης.

Υδραυλικοί στρόβιλοι ώθησης:

• Εξάγετε ενέργεια σχεδόν αποκλειστικά από την ταχύτητα του πίδακα νερού.
• Λειτουργήστε σε ατμοσφαιρική πίεση γύρω από τον δρομέα.
• Χρησιμοποιήστε ακροφύσια για να μετατρέψετε την κεφαλή σε πίδακες υψηλής ταχύτητας που χτυπούν τους κάδους των δρομέων.

Υδραυλικοί στρόβιλοι αντίδρασης:

• Λειτουργήστε πλήρως βυθισμένο υπό πίεση.
• Μετατρέψτε την ενέργεια μέσω των αλλαγών στην πίεση και την ταχύτητα μέσα στις διόδους των δρομέων.
• Απαιτείται περίβλημα και συχνά σωλήνας έλξης για την ανάκτηση της πίεσης.

Κύριοι τύποι υδραυλικών στροβίλων

Τουρμπίνες Πέλτον

Pelton Οι τουρμπίνες είναι μηχανές ώθησης χρησιμοποιείται για συνθήκες υψηλού μανομετρικού ύψους και σχετικά χαμηλής ροής. Βασικά χαρακτηριστικά:

• Ένα ή περισσότερα ακροφύσια που κατευθύνουν πίδακες νερού υψηλής ταχύτητας σε κάδους διπλού κυπέλλου τοποθετημένους στην περιφέρεια ενός τροχού.
• Ρύθμιση ταχύτητας με βελονοειδείς βαλβίδες και εκτροπείς jet.
• Ο δρομέας λειτουργεί συνήθως σε ατμοσφαιρική πίεση, απλοποιώντας τον σχεδιασμό του περιβλήματος.

Φράνσις Τουρμπάινς

Οι στρόβιλοι Francis είναι ευρέως χρησιμοποιούμενοι στρόβιλοι αντίδρασης κατάλληλοι για μεσαίες κεφαλές. Διαθέτουν:

• Σπειροειδές περίβλημα που παρέχει νερό περιφερειακά σε πτερύγια στήριξης και οδηγά πτερύγια.
• Οδηγά πτερύγια για ρύθμιση ροής και έλεγχο κατεύθυνσης.
• Δρομέας με καμπύλες λεπίδες όπου η ροή μεταβαίνει από ακτινική σε αξονική (μικτή ροή).
• Σωλήνας έλξης για ανάκτηση πίεσης και εκκένωση στον αγωγό εξαγωγής.

Στροβιλοστρόβιλοι Kaplan και Propeller

Οι στρόβιλοι Kaplan είναι αξονικής ροής με αντίδραση τουρμπίνες με ρυθμιζόμενα πτερύγια δρομέα και συχνά ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια, επιτρέποντας υψηλή απόδοση σε ένα εύρος ροών. Οι προωστήρες είναι παρόμοιοι αλλά συνήθως έχουν σταθερά πτερύγια δρομέων, κατάλληλα για πιο σταθερές συνθήκες λειτουργίας.

Ζητήματα Υδραυλικού Τουρμπίνας

Η επιλογή και ο σχεδιασμός των υδραυλικών στροβίλων απαιτούν προσοχή στα εξής:

• Διαθέσιμο μανομετρικό ύψος και ρυθμός ροής καθ' όλη τη διάρκεια του έτους.
• Κίνδυνος σπηλαίωσης, αξιολογημένος χρησιμοποιώντας παραμέτρους όπως η καθαρή θετική κεφαλή αναρρόφησης και οι συντελεστές σπηλαίωσης.
• Ρύθμιση ταχύτητας και απαιτήσεις σύνδεσης με το δίκτυο.
• Ιζήματα, υπολείμματα και ποιότητα νερού που επηρεάζουν τη φθορά και τη συντήρηση.

Ανεμογεννήτριες

Οι ανεμογεννήτριες αντλούν κινητική ενέργεια από τον κινούμενο αέρα και τη μετατρέπουν σε μηχανική και ηλεκτρική ενέργεια. Οι σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι κυρίως μηχανές οριζόντιου άξονα με μεγάλες διαμέτρους ρότορα.

Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έναντι ανεμογεννητριών κάθετου άξονα

Άνεμος Οι τουρμπίνες μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τον ρότορα προσανατολισμός άξονα:

• Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα (HAWT): ο άξονας του ρότορα είναι οριζόντιος και συνήθως ευθυγραμμισμένος με την κατεύθυνση του ανέμου. Κυριαρχούν στις εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας.
• Ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα (VAWT): ο άξονας του ρότορα είναι κατακόρυφος. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τους τύπους Darrieus και Savonius. Χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένες εξειδικευμένες εφαρμογές και συστήματα μικρής κλίμακας.

Σχεδιασμοί που βασίζονται σε ανύψωση έναντι Σχεδιασμοί που βασίζονται σε οπισθέλκουσα

Οι περισσότερες σύγχρονες ανεμογεννήτριες είναι μηχανές που βασίζονται σε ανύψωση και χρησιμοποιούν αεροδυναμικές αεροτομές για την αποτελεσματική παραγωγή ροπής. Οι συσκευές που βασίζονται σε οπισθέλκουσα, όπως οι απλοί ρότορες τύπου κυπέλλου ανεμομέτρου, παρέχουν χαμηλότερη απόδοση και χρησιμοποιούνται κυρίως για μικρές εφαρμογές.

Βασικά στοιχεία των σύγχρονων ανεμογεννητριών

Οι τυπικές μεγάλες ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα περιλαμβάνουν:

• Ρότορας με δύο ή τρία πτερύγια προσαρτημένα σε μια πλήμνη.
• Ατράκτος που περιέχει κιβώτιο ταχυτήτων (εάν υπάρχει), γεννήτρια, σύστημα εκτροπής και εξοπλισμό ελέγχου.
• Πύργος που παρέχει ανύψωση για πρόσβαση σε ισχυρότερους ανέμους.
• Σύστημα κλίσης για ρύθμιση της γωνίας της λεπίδας για ρύθμιση της ισχύος και έλεγχο του φορτίου.
• Σύστημα εκτροπής για τον προσανατολισμό του ρότορα προς τον άνεμο.

Λειτουργικά Χαρακτηριστικά

Σημαντικές παράμετροι λειτουργίας είναι:

• Ονομαστική ισχύς εξόδου (από λίγα κιλοβάτ για μικρές μονάδες έως πολλαπλά μεγαβάτ για μηχανήματα κλίμακας κοινής ωφέλειας).
• Ταχύτητες ανέμου έναρξης, ονομαστικής ταχύτητας και ταχύτητας διακοπής, συνήθως στην περιοχή από 3–4 m/s (πρώτη έναρξη) έως περίπου 20–25 m/s (αποκοπή).
• Ταχύτητα ρότορα, συχνά μεταβλητή και ελεγχόμενη μέσω ηλεκτρονικών ισχύος και συστημάτων βήματος.

Τυπικές σκέψεις για ανεμογεννήτριες

Οι βασικές εκτιμήσεις περιλαμβάνουν:

• Χαρακτηριστικά αιολικού δυναμικού στην τοποθεσία (κατανομή ταχύτητας ανέμου, αναταράξεις).
• Απαιτήσεις σύνδεσης στο δίκτυο και ποιότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
• Δομικά φορτία σε πτερύγια, πύργο και θεμέλια.
• Θόρυβος, οπτικές επιπτώσεις και περιορισμοί χρήσης γης.

Ειδικοί και άλλοι τύποι στροβίλων

Πέρα από τις κύριες κατηγορίες, οι εξειδικευμένες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούνται σε συγκεκριμένα βιομηχανικά και ενεργειακά συστήματα.

Μικροτουρμπίνες

Οι μικρο-αεριοστρόβιλοι είναι μικρές μονάδες ισχύος, συνήθως στην περιοχή των δεκάδων έως εκατοντάδων κιλοβάτ. Συχνά χρησιμοποιούν:

• Διαμορφώσεις υψηλής ταχύτητας με έναν ή δύο άξονες.
• Ανακτητές για την ανάκτηση της θερμότητας των καυσαερίων για την προθέρμανση του πεπιεσμένου αέρα.
• Αέρια ή υγρά καύσιμα για κατανεμημένη παραγωγή και συμπαραγωγή θερμότητας και ενέργειας (ΣΗΘ).

Οργανικοί στρόβιλοι κύκλου Rankine (ORC)

Τα συστήματα ORC χρησιμοποιούν οργανικά εργαζόμενα ρευστά με χαμηλότερα σημεία βρασμού από το νερό. Οι στρόβιλοι που λειτουργούν με αυτά τα ρευστά μπορεί να είναι:

• Τύποι ακτινικής εισροής ή αξονικής ροής.
• Σχεδιασμένο για χαμηλές έως μεσαίες θερμοκρασίες (συχνά 80–300 °C), όπως ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας ή γεωθερμικές εφαρμογές.

Στροβιλοκινητήρες σε στροβιλοσυμπιεστές και μηχανήματα διεργασιών

Στους υπερσυμπιεστές αυτοκινήτων και βιομηχανίας, οι στρόβιλοι ακτινικής εισροής κινούν συμπιεστές χρησιμοποιώντας καυσαέρια. Οι βιομηχανίες επεξεργασίας χρησιμοποιούν διαστολείς ή διαστολείς στροβίλων για την ανάκτηση του έργου από τις πτώσεις πίεσης της διεργασίας, όπως σε μονάδες επεξεργασίας αερίου.

Θαλάσσιοι και Αεροδιαστημικοί Τουρμπίνες

Οι θαλάσσιοι αεριοστρόβιλοι κινούν έλικες πλοίων ή υδροστρόβιλους μέσω μειωτήρων στροφών. Στις αεροδιαστημικές εφαρμογές, οι στρόβιλοι αποτελούν αναπόσπαστο μέρος κινητήρων στροβιλοκινητήρα, στροβιλοκινητήρα με ανεμιστήρες, στροβιλοκινητήρα με ελικόπτερο και στροβιλοκινητήρα, όπου κινούν συμπιεστές και σε ορισμένες περιπτώσεις έλικες ή ρότορες ελικοπτέρων.

Βασικές παράμετροι σχεδιασμού και μετρήσεις απόδοσης

Αν και κάθε τύπος ανεμογεννήτριας έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά σχεδιασμού, χρησιμοποιούνται αρκετές κοινές παράμετροι για τον χαρακτηρισμό και τη σύγκριση των σχεδίων ανεμογεννητριών.

Συγκεκριμένη ταχύτητα

Η ειδική ταχύτητα είναι μια αδιάστατη ή κλιμακωτή παράμετρος που χρησιμοποιείται για τη συσχέτιση της ταχύτητας, της ισχύος και του μανομετρικού (ή πίεσης) των στροβίλων. Βοηθά στην ταξινόμηση των στροβίλων και καθοδηγεί την προκαταρκτική επιλογή και κλιμάκωση. Η υψηλή ειδική ταχύτητα αντιστοιχεί συνήθως σε στροβίλους αξονικής ροής, ενώ η χαμηλή ειδική ταχύτητα αντιστοιχεί σε ακτινικές ή ωστικές μηχανές.

Φόρτιση σταδίου και συντελεστές ροής

Για ατμοστρόβιλους και αεριοστροβίλους, οι αδιάστατοι συντελεστές χαρακτηρίζουν την αεροδυναμική των πτερυγίων και την απόδοση του σταδίου:

• Συντελεστής ροής (λόγος της μεσημβρινής ταχύτητας προς την ταχύτητα της λεπίδας).
• Συντελεστής φόρτωσης (λόγος του ειδικού έργου προς το τετράγωνο της ταχύτητας της λεπίδας).

Αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν το σχήμα της λεπίδας, τον αριθμό των σταδίων και τη συνολική διάταξη της μπομπίνας.

Ορισμοί Αποδοτικότητας

Τα συνήθη μέτρα αποδοτικότητας περιλαμβάνουν:

• Ισεντροπική απόδοση: ο λόγος του πραγματικού έργου προς το ιδανικό ισεντροπικό έργο για τις ίδιες καταστάσεις εισόδου και εξόδου.
• Μηχανική απόδοση: ο λόγος της ισχύος του άξονα που παρέχεται στο φορτίο προς την ισχύ που αναπτύσσεται από τον ρότορα του στροβίλου, λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες στα ρουλεμάν και τις στεγανοποιήσεις.
• Συνολική απόδοση: γινόμενο των αεροδυναμικών, μηχανικών και των αποδόσεων της γεννήτριας, όπου εφαρμόζεται.

Υλικά και ζητήματα ψύξης

Για τους στροβίλους υψηλής θερμοκρασίας (αερίου και ορισμένων σταδίων ατμού), τα υλικά και η ψύξη επηρεάζουν έντονα τις επιτρεπόμενες συνθήκες λειτουργίας. Τα πτερύγια και τα πτερύγια μπορεί να ενσωματώνουν εσωτερικές διόδους ψύξης, οπές ψύξης μεμβράνης και επιστρώσεις θερμικού φραγμού. Περιβλήματα και ρότορες στροβίλων έχουν μέγεθος ώστε να περιορίζουν τις τάσεις υπό θερμική και φυγοκεντρική φόρτιση.

Εφαρμογές και Ενοποίηση Συστήματος

Οι ανεμογεννήτριες ενσωματώνονται σε πολλά ενεργειακά και βιομηχανικά συστήματα. Η κατανόηση του ρόλου τους σε αυτά τα συστήματα είναι σημαντική για την ορθή επιλογή και λειτουργία τους.

Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας

Οι κύριες εφαρμογές παραγωγής ενέργειας περιλαμβάνουν:

• Ατμοστρόβιλοι σε σταθμούς άνθρακα, πυρηνικούς σταθμούς, σταθμούς βιομάζας και ηλιακούς θερμικούς σταθμούς.
• Αεριοστρόβιλοι και μονάδες συνδυασμένου κύκλου που χρησιμοποιούν φυσικό αέριο ή άλλα καύσιμα.
• Υδραυλικοί στρόβιλοι σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς ροής, ταμιευτήρες και αντλιοστάσια αποθήκευσης.
• Ανεμογεννήτριες σε χερσαία και υπεράκτια αιολικά πάρκα.

Μηχανική κίνηση και βιομηχανικές διεργασίες

Οι τουρμπίνες συχνά κινούν:

• Συμπιεστές σε αγωγούς φυσικού αερίου και πετροχημικές διεργασίες.
• Αντλίες σε μεγάλης κλίμακας αντλιοστάσια και σταθμούς παραγωγής ενέργειας.
• Συστήματα πρόωσης πλοίων, ειδικά όπου απαιτούνται συμπαγείς, υψηλής ισχύος περιστροφικές μηχανές.

Συμπαραγωγή Θερμότητας και Ηλεκτρικής Ενέργειας

Στα συστήματα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας, οι ατμοστρόβιλοι και οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να παρέχουν τόσο ηλεκτρική ενέργεια όσο και χρήσιμη θερμότητα. Οι ατμοστρόβιλοι αντίθλιψης παρέχουν ατμό διεργασιών και οι αεριοστρόβιλοι μπορούν να παρέχουν θερμότητα εξαγωγής για βιομηχανική ξήρανση, τηλεθέρμανση ή πρόσθετη παραγωγή ατμού.

Συχνές ερωτήσεις σχετικά με τους τύπους στροβίλων