Garo turbina (pranc. turbine, iš lot. turbo 'sūkurys') - tai energijos rūšies keitimo įtaisas, variklis, kuris vandens garų termo-mechaninę plėtimosi energiją verčia į mechaninę energiją, t. y., sukimo momentą.
Šiluminėse elektrinėse garo turbinos yra sujungiamos su elektros generatoriumi. Yra ir dujų turbinų, kuriose vietoje vandens garų išnaudojama dujų degimo reakcijos sukuriama termo-mechaninė energija. Šiuolaikinės garo ir dujų elektrinės, kuriose dalį energijos gamina dujų turbina, o kitą dalį - garo turbina, leidžia iš to paties kiekio kuro pagaminti daugiau elektros energijos. Pavyzdžiui, 2012 m. pabaigoje naujausias Lietuvos elektrinės blokas pradėjo gaminti elektros energiją tokiu principu.
Pati turbina susideda iš darbo rato ir mentės. Iš garo katilo išsiveržusi garo srovė veikia mentes, priverčiant ratą suktis itin dideliu greičiu - apie 30 000 kartų per minutę.
Istorinė apžvalga
Nors pirmoji dujų turbina buvo užpatentuota dar XVIII a., jos pradėtos naudoti gerokai vėliau. Pirmosios jėgainės, kuriose buvo naudojamos turbinos, atsirado 1890 m. Iki šiol elektros energiją šiluminėse ir branduolinėse elektrinėse gamina pagal garo turbinos veikimo principą.
Anglų inžinierius Charlesas Algernonas Parsonsas (1854-1931) 1881 m. susidomėjo turbinomis ir pradėjo eksperimentuoti. Po trejų metų jis užpatentavo savo sukurtą reaktyviąją garo turbiną, o netrukus - ir generatorių, kuris garų sukuriama mechaninę energiją paverčia elektros energija.
1897 m. birželio 26 d. vykusio Didžiosios Britanijos karinio laivyno parado metu pasaulį nustebino laivas „Turbinia“. Tai buvo pasaulyje greičiausiai plaukiojantis laivas, pasiekęs beveik 64 km/val. greitį. Šio laivo inžinierius Ch.A. Parsonsas jame įrengė tris garo turbinas.
Garo turbinos yra ekonomiškesnės ir greičiau veikia nei garo mašinos, todėl jas palaipsniui išstūmė. 1900 m. turbinos pradėjo varyti minininkų laivus, o po 1906 m. - visus didelius karinius laivus.
Garo turbinų veikimo principai ir tipai
Po to, kai garai išsiplečia garo turbinoje ir atlieka darbą, jie patenka į kondensatorių, kur esant dideliam vakuumui kondensuojasi į vandenį. Tokios turbinos vadinamos kondensacinėmis.
Kai garai patenka į garo turbiną visais lygiais, kad galėtų atlikti darbą, išmetamieji garai yra didesni nei atmosferos slėgis ir yra tiesiogiai naudojami pramoniniam ar buitiniam šildymui, be kondensatoriaus. Tokios turbinos vadinamos termofikacinėmis.
Tam tikras parametras ir tam tikras garo kiekis gali būti ištraukiamas iš tam tikros pakopos ar kelių pakopų garo turbinos viduryje, kad būtų tiekiama šiluma į išorę, o likę išmetamieji garai vis tiek patenka į kondensatorių. Šio tipo garo turbina vadinama reguliuojamo ištraukimo garo turbina. Kadangi šilumos vartotojas turi tam tikrus reikalavimus šildymo garų slėgiui, būtina reguliuoti išmetamųjų garų šildymo slėgį, kad jis atitiktų vartotojo poreikius.
Po to, kai į garo turbiną patenkantys garai išplečiami, kad galėtų atlikti darbą keliais etapais, jie vėl įleidžiami į katilo šildytuvą šildymui, o tada grįžta į garo turbiną, kad toliau plėstųsi ir dirbtų, o išmetamieji garai patenka į kondensatorių. Tai yra ištraukimo priešslėgio garo turbina.
Garo turbinos gali būti skirstomos pagal veikimo principą:
- Impulsų pakopos turbinos: Jose darbo rato mentes suka ne garai, o karštos dujos. Garai daugiausia plečiasi purkštuko mentėje ir tik nedidelis kiekis judančioje mentėje.
- Reakcinės stadijos turbinos: Jose garai tokiu pačiu laipsniu plečiasi purkštuko mentėje ir judančioje mentėje.
Pagal pritaikymą ir veikimo ypatybes garo turbinos skirstomos į šiuos tipus:
1. Atbulinio slėgio garo turbina
Atbulinio slėgio garo turbinų išmetimo slėgis gali būti pasirinktas pagal vartotojų poreikius. Šio tipo turbinos gali būti plačiai naudojamos metalurgijoje, statybinėse medžiagose, chemijos pramonėje, cemento gamykloje ir kt. Gaminant išmetamųjų dujų energiją, jos stabilumą galima reguliuoti automatiškai. Kaip vidutinės įtampos jėgainė, skirta energijos suvartojimui transformuoti, jos išmetamųjų dujų garų terpė (apie 435 ℃, 3MPa ~ 4MPa) gali būti naudojama vidutinės įtampos įrenginiams eksploatuoti. Įrenginio gamybos pajėgumai yra tiesiogiai proporcingi šildymo kiekiui, tai yra, galia fiksuojama šiluma. Kadangi visas garo šildymas vyksta be šalčio nuostolių, energijos taupymo efektas yra labai puikus.
2. Ištraukimo priešslėgio garo turbina
Be atgalinio slėgio šildymo, ji taip pat gali šildyti garus esant skirtingam slėgiui garo ištraukimo būdu. Visas siurbimo slėgis gali būti automatiškai sureguliuotas iki nominalios vertės, keičiant šildymo kiekį. Ji tinka šilumos vartotojams, kuriems reikia dviejų rūšių skirtingo slėgio garo, kad būtų išvengta energijos švaistymo.
3. Kondensacinė turbina
Ypač aukštas slėgis, aukštas slėgis, žemas slėgis, vidutinis slėgis, žemas slėgis, žemo slėgio drėgnas garas ir kitos rūšies kondensacinės garo turbinos gali būti plačiai naudojamos elektrinėse, šiluminėse elektrinėse, savarankiškai tiekiamose elektrinėse kaip pagrindinis variklis, kuris skatina generatorius gaminti elektros energiją. Šio tipo garo turbinos taip pat gali būti transformuojamos į nereguliuojamą ištraukimo garų turbiną, kuri, be elektros energijos, gali išgauti dalį garo šildymui (ištraukimo slėgis kinta keičiantis darbo sąlygoms). Galinėje dalyje sumontuotos garo turbinos taip pat patenka į šį diapazoną ir gali toliau dirbti naudodami garus, kurių parametrai yra mažesni.
4. Ekstrahavimo kondensacinė garo turbina
Yra daug rūšių vieno ištraukimo garo turbinų ir dvigubo ištraukimo garo turbinų, kurios gali patenkinti skirtingų vartotojų šildymo ir šildymo poreikius. Kadangi išgaunamas garas nepatenka į kondensatorių, sumažėja visos mašinos energijos nuostoliai ir pagerėja energijos taupymo nauda. Siurbimo tūrį galima keisti savo nuožiūra, stabilią siurbimo slėgio vertę galima reguliuoti automatiškai, valdymo ir reguliavimo įtaisas yra saugus ir patikimas.
Garo turbinos komponentai ir konstrukcija
Garo turbina yra šiluminis variklis su sukamuoju darbiniu ratu, verčiantis potencinę vandens garo energiją mechaniniu darbu. Ją sudaro:
- Rotorius (velenas su ant jo užmautu darbiniu ratu)
- Statorius (korpuse nejudamai įtvirtintas kreipratis - įtaisas su žiedu įtaisytomis nejudamomis mentėmis, nukreipiančiomis garą į darbinio rato mentes).
Garas tiekiamas į kreipratį, kuriame plečiasi ir išsiveržęs iš jo slegia darbinio rato mentes. Kreipratis ir darbinis ratas sudaro vieną pakopą. Garo turbina dažniausiai būna daugiapakopė (iki keliasdešimt pakopų ant vieno veleno).
Pagal tai, kaip vyksta energijos virsmas, skiriamos:
- Aktyviosios garo turbinos: Daugiau nei pusė garo potencinės energijos virsta kinetine kreipratyje.
- Reaktyviosios turbinos: Energijos virsmas vyksta tarp darbinio rato menčių.
Pagal panaudoto garo panaudojimą turbinos skirstomos į:
- Kondensacines: Naudotas garas kondensuojamas (iš jo vėl gaminamas garas).
- Termofikacines: Naudoto garo šiluma tiekiama šilumos vartotojams.
Garo turbina yra greitaeigiškesnė, kompaktiškesnė, ekonomiškesnė už garo mašiną.
Garo turbinos Lietuvoje
Lietuva yra viena iš šalių, kuriose garo turbinos pradėtos naudoti gana anksti. 1901 m. statomos Vilniaus centrinės elektrinės katilinėje buvo įrengti du garo katilai, dvi 257 kW galios garo mašinos su generatoriais ir trys garo siurbliai. Padidėjus elektros vartotojų skaičiui 1912 m. įrengta pirmoji Lietuvoje garo turbina. Jos galia buvo 948 kW. 1925 m. ši turbina buvo pakeista galingesne - 1800 kW, po trejų metų pradėjo veikti antroji - 3000 kW galios, o 1937 m.
Turbinos ir generatoriaus veikimo animacija
Vandens turbinų palyginimas su garo turbinomis
Nors pagrindinis šios straipsnio dėmesys skiriamas garo turbinoms, verta paminėti ir vandens turbinas, kurios veikia panašiu principu, tačiau naudoja vandens energiją.
Pagrindiniai vandens turbinos veikimo parametrai:
- Vandens slėgis (H): Vienetinio svorio vandens srauto energijos skirtumas tarp turbinos įleidimo ir išleidimo sekcijų, matuojamas metrais.
- Vandens srautas (Q): Vandens kiekis, praeinantis per turbinos skerspjūvį per laiko vienetą.
- Greitis: Kiek kartų per minutę apsisuka pagrindinis turbinos velenas.
- Našumas (N): Galia, išskiriama vandens turbinos veleno gale. Apytikslė mažųjų hidroelektrinių našumo formulė yra N=(6,0-8,0) QH.
- Efektyvumas (η): Turbinos išėjimo ir vandens srauto santykis.
Vandens turbinos skirstomos į dvi pagrindines kategorijas:
- Kontratakos tipo turbinos: Vandens srauto potencialinę energiją, slėgio energiją ir kinetinę energiją paverčia kieta mechanine energija. Jų yra šeši tipai: mišraus srauto (Francis), ašinio srauto fiksuotų menčių, pasvirusio srauto, skersinio srauto fiksuotų menčių ir kt.
- Impulsinio tipo turbinos: Vandens tekėjimo kinetinę energiją paverčia kieta mechanine energija. Yra trys impulsinių turbinų rūšys: kibirinio tipo (Petiono), pasvirusio tipo ir dvigubo atšakų tipo.
Mišraus srauto turbina (Francis turbina) yra viena plačiausiai naudojamų šiuolaikinių turbinų, pasižyminti plačiu vandens slėgio pritaikymo spektru, paprasta konstrukcija, patikimu veikimu ir dideliu efektyvumu. Ji taikoma vandens slėgio diapazone nuo 50 iki 700 m.
Ašinio srauto turbina tinka mažos galios elektrinėms, kurių vandens slėgis šiek tiek svyruoja (nuo 3 iki 50 metrų). Rotacinio sraigto konstrukcija yra sudėtingesnė ir užtikrina gerą eksploatacinį stabilumą.
Kaušo tipo vandens turbina (Petiono turbina) veikia smūgiuodama turbinos kaušo mentes išilgai turbinos perimetro liestinės kryptimi vandens srove iš purkštuko. Ji naudojama dideliems vandens slėgiams, nuo 40 iki 4500 m.
Pasvirusioji vandens turbina naudojama mažose ir vidutinio dydžio hidroelektrinėse, kurių tinkamas slėgio diapazonas yra mažesnis nei 400 m.
Kavitacija vandens turbinose yra sudėtingas reiškinys, sukeliantis triukšmą, vibraciją ir efektyvumo sumažėjimą, dėl kurio gali atsirasti menčių erozija. Siekiant to išvengti, svarbu tinkamai suprojektuoti turbiną, užtikrinti aukštą gamybos kokybę, naudoti antikavitacines medžiagas, teisingai nustatyti įrengimo aukštį ir pagerinti eksploatavimo sąlygas.
