Bir türbin a, döner cihaz kısmen dönüştürür iç enerji a akışkan , sıvı (gibi su ) ya da gaz halde ( buhar , hava , yanma gazı içine), mekanik enerji vasıtasıyla kanatların bir yerleştirilmiş döner mil. Yüksek hızda .
Akışkana giren enerji, özellikle hızı , basıncı ve entalpisi ile karakterize edilir . Türbinden çıkan mekanik enerji, bir alternatör , bir kompresör , bir pompa veya herhangi bir başka alıcı (örneğin bir jeneratör ) gibi başka bir döner mekanizmayı çalıştırır . Montaj daha sonra sırasıyla turbo alternatör , turboşarj , turbopompa vb. olarak adlandırılır .
Buhar türbini, Clausius - Rankine olarak bilinen termodinamik çevrime göre çalışan bir dıştan yanmalı motordur . Bu çevrim, genellikle su buharı olan motor sıvısını etkileyen durum değişikliği ile ayırt edilir .
Bu döngü en azından aşağıdaki adımları içerir:
Bu buhar kullanılacağı anda aşağıdaki adımları gerçekleştirir:
Kullanılan sıvı , pistonlu buhar motorununkiyle aynıdır , ancak türbin bir evrim operatörüdür, turbo makinelerin başlıca avantajları şunlardır :
Buhar türbini, pistonlu buhar motorları tarafından sunulan bir tür termal motorun doruk noktasıdır. Tasarımlarının doğasında var olan kısıtlamalar, genellikle kullanımlarını endüstriyle sınırlandırır. Bu durumda, termal enerji bir kondansatörde "boşa gitmediği" için ucuz elektrik elde edilir . Bu türbinlere “geri basınç türbinleri” denir. Bu tür bir kullanımla, özellikle tatlılarda , diğerlerinin yanı sıra, yakıtın serbest ve fazla olduğu şeker kamışında karşılaşılmıştır : küspe , özütlenmiş şeker olan ezilmiş şeker kamışı .
Bir türbin, üzerine kanatların sabitlendiği bir şaft içeren bir rotordan ve genellikle bir eksenel düzlemde birleştirilmiş iki parçadan oluşan sabit deflektörleri taşıyan bir mahfazadan oluşan bir statordan oluşur . Ayrıca, bölümlere ayrılmış bir giriş toroidi ve yoğunlaştırıcıya doğru yönlendirilmiş bir egzoz ıraksamasını içerir. Sabit deflektörlerin işlevi, bir nozul ağı oluşturarak genişlemenin tamamını veya bir kısmını sağlamak ve önceki aşamadan ayrılan akışın yönünü değiştirmektir.
Bir buhar türbini, her biri iki işlev sağlayan bir veya daha fazla aşamadan oluşur:
Buhar türbinleri, genellikle tek bir makinede birleştirilen iki geniş kategoriye ayrılır:
Türbin üretimi, termal, mekanik (merkezkaç kuvveti) ve kimyasal ( buhar korozyonu ) streslere dayanmak için yüksek alaşımlı çeliklerin (Cr-Ni-V) kullanılmasını gerektirir , bkz. Ni bazlı süper alaşımların kullanımı . İlk iki kısıtlama, çapı ve dolayısıyla son aşamalarda izin verilen akışı sınırlar. Bu nedenle, bir metreden uzun bıçaklar halihazırda ciddi üretim sorunları oluşturmaktadır. Ek olarak, hızların radyal heterojenliği, daha sonra sol bir şekle sahip olan, işlemesi karmaşık olan ve mekanik kısıtlamaları iyi davranışı sınırlayan kanatların değişken bir insidansını dayatır .
Pratikte sıcaklık 550 ila 580 °C ile sınırlıdır ve uygulanan maksimum sıcaklık 650 °C'dir . Basınç 180 bar civarındadır ve süperkritik kurulumlar için 250 bara ulaşır .
Sonuç olarak, yüksek güçlü türbinler genellikle aynı eksende bulunur (tandem bileşik düzenleme):
Böylece, %40'ı biraz aşan bir çevrim verimliliği ile 1000 MW'ın üzerinde güçler elde etmek mümkündür .
Yelpazenin diğer ucunda, en küçük türbinler birkaç on kilovatlık güce sahiptir. Genellikle tek bir aşamadan oluşurlar ve sanayide veya gemilerde makineleri sürmek için kullanılırlar. İkisi arasında, az çok karmaşık ve belirli endüstriyel kullanımlara uyarlanmış (çekmeli, basınca karşı vb.) bir dizi türbin vardır.
Ancak araç turboşarjlarına takılan birçok küçük türbin de vardır . En küçük türbinler kesinlikle dental türbinlerdir .
Buhar türbinlerinin ana avantajı, dıştan yanmalı bir motor olmalarıdır . Sonuç olarak, tüm yakıtlar (gaz, akaryakıt, kömür, atık, artık ısı) ve özellikle en ucuzu, ona buhar sağlamak için kullanılabilir. Isıtma güneş enerjisi ile dahi yapılabilmektedir . Verim oldukça yüksek değerlere ulaşabilir ve bu da işletme maliyetlerinin düşmesine neden olur.
Öte yandan, kurulumların maliyeti ve karmaşıklığı, ölçek ekonomilerinden yararlanmak için çoğunlukla yüksek güçlü kurulumlar için onları ayırır. Özel durumlar dışında, gaz türbinleri ve motorlar yaklaşık 10 MW'ın altında daha uygundur .
Kondenserin soğutulması aynı zamanda büyük bir su akışı veya hacimli hava soğutucuları gerektirir , bu da kullanım alanlarını hemen sabit veya deniz tesisatlarıyla sınırlandırır.
İskandinav ülkelerinde ve aynı zamanda bazı büyük Fransız şehirlerinde (Paris, Lyon, Nantes, vb.), artık ısı düzenli olarak bir ısıtma ağı oluşturmak için kullanılır (bkz. Kojenerasyon ). Santralin yakınındaki belediyelerde 80 ila 90 °C arasında ısıtılan suyu borular iletir ve kişi veya şirketler binaları ısıtmak için bu ağa bağlanabilir.
Verim artar basınç buharı ve sıcaklık arasında aşırı ısınma . Ancak bu özelliklerdeki artış, genleşme sonunda buharın sıvı içeriği ile sınırlıdır. Aslında, genişleme eğrisi, son genişleme aşamalarının verimliliğini ve aynı zamanda mekanik mukavemetini olumsuz yönde etkileyen damlacıkların oluşumu ile doyma eğrisine ulaşabilir. Karışımın sıvı su içeriği %15 veya %30 ile sınırlandırılmalıdır . Sonuç olarak , izin verilen sınır basınçları ve sıcaklıkları belirleyen kondenserdeki basınçtır.
Diğer termodinamik çevrimler gibi, buhar türbinleri tarafından uygulanan Rankine çevrimi de Carnot çevriminden daha düşüktür ve bu nedenle iyileştirmeler bu çevrime yönelmek için tasarlanmıştır. Böylece, yoğuşturucu ile kazan arasındaki suyun türbinin farklı aşamalarında çekilen buharla yeniden ısıtılması, izobarik ısıtma fazının termodinamik olarak bir izoterme eşdeğer bir dönüşüme yönelmesini mümkün kılar . Çekme aşamalarının ve ilgili eşanjörlerin sayısı arttıkça cihazın verimliliği ve maliyeti de artar; bu nedenle, kat sayısı nadiren yedi birimi aşıyor. Verimlilik kazancı %5 . Bu cihaz ayrıca kazan üzerine bir hava ısıtıcısının kurulmasını gerektirir.
Öte yandan genleşme sonunda nem sorununa rağmen basıncın ve sıcaklığın artmasını sağlamak için genleşen buharı kazana doğru doymuş buhar basıncına geri döndürmek ve yeniden işlemeye devam etmek mümkündür. ek bir ısı eşanjöründe aşırı ısınma . Bu adımlar, aşırı ısınma fazını bir izoterme ve dolayısıyla bir Carnot döngüsüne yaklaşmaya yöneltmek için çoğaltılabilir. Uygulamada, tesisatlar genellikle tek bir yeniden kızdırma içerir. Verimlilik kazancı %5'e ulaşabilir .
Döngü temel olarak iki durum değişikliğinden oluşur ( buharlaşma ve yoğunlaşma ). Su faz diyagramı mümkün bir süper kritik kazan kullanılmasıyla durum, tek bir değişiklikle bir döngü tasavvur kolaylaştırır. Gerçekten de kritik noktanın ötesinde (yaklaşık 220 bar ve 350 °C ) hal değişimi olmaz ve sıvı ve gaz fazları artık ayırt edilemez. Süper kritik çevrimler, çevrim sonunda nemi sınırlamak için genellikle çift yeniden ısıtma gerektirir. Verim kazancı hala %2 ila %3'tür ve yakıt artışla daha kolay gerekçelendirilir .
Özellikleri nedeniyle, buhar türbinleri nükleer olanlar da dahil olmak üzere orta ve yüksek güçlü termik santrallerde yaygın olarak kullanılmaktadır . Yaklaşık 1 ila 10 MW güç aralığında kojenerasyon uygulamalarında (atık yakma fırını ve bölgesel ısıtma, endüstriyel proses) kullanılırlar. Ayrıca gaz türbinlerinin egzoz ısısının elektriğe dönüştürülmesini mümkün kıldıkları kombine çevrimlerde kullanımlarına da dikkat çekmeliyiz .
Buhar türbinleri , özellikle daha büyük gemiler (petrol tankerleri, uçak gemileri ve nükleer denizaltılar) için denizcilik tahrik alanında da kullanılmaktadır, ancak giderek yerini dizel motorlar veya gaz türbinleri almaktadır. Sürüş makinelerinin işlevi de elektrik motorları lehine ortadan kalkıyor.
Bugüne kadar, birkaç başarısız deneme dışında karayolu veya demiryolu tahrikinde herhangi bir uygulama bulamadılar.
Nükleer santrallerin buhar döngüsü özeldir. Gerçekten de, şu anda yaygın olan basınçlı su reaktörlerinde (PWR), fisyondan gelen ısı, bir birincil aşırı ısıtılmış su devresi ile kalpten yaklaşık 150 bar ve 300 °C'ye çıkarılır . Bu ısı ikincil devrede doymuş buhar üretir. Yüksek basınç aşamasının çıkışında, buhar kurumaya (sıvı damlacıklarının ayrılması) ve orta derecede aşırı ısınmaya (buhar üreticisinin çıkışında buhar tarafından) maruz kalır. Sıcak kaynağın sınırlı sıcaklığı ve dolayısıyla oluşturulan buhar nedeniyle, çevrim verimliliği %30 civarında düşük kalır. Nükleer santraller 1.450 MW'a kadar çıkan çok güçlü turbo alternatör gruplarına sahiptir .
Performans artışı ile ilgili yansımalar merkezinde olan reaktör tasarımında 4 inci kuşak . Ayrıca nükleer enerjinin ilk zamanlarında PWR'lerden farklı tipte reaktörlerin ( UNGG , CANDU , vb ) özellikle diğer ısı transfer akışkanları ile yapılmasına yol açmıştır . Ancak, PWR'lerin güvenliği ve güvenilirliği şu anda onları gerekli kılmaktadır.
Yanma türbini olarak da adlandırılan bir gaz türbini , rolü, kinetik sayesinde harekete geçen kanatçıklarla donatılmış, bir şaftın dönüşü yoluyla mekanik enerji üretmek olan içten yanmalı motor ailesine ait termodinamik dönen bir makinedir. bileşenlerinin hızlı yanması ile bağlantılı gazın hareketi ile üretilen enerji .
Türbinler havacılığın temel bir parçasıdır:
Benoît Fourneyron tarafından icat edilen bu türbin, su akışından güç alıyor. Bir hidroelektrik barajın akış aşağısına kurulduğunda , elektrik üreten bir alternatörü çalıştırır . Esas olarak su basıncını ( Francis türbini ), su hızını ( Pelton türbini ) veya hatta büyük bir akışı (tip ampul grubu veya Kaplan türbini ) kullanabilir. Bu türbinler barajın düşme yüksekliğine göre kullanılmaktadır.
Hidrolik türbinler, esas olarak, su değirmenlerinden , verimliliklerini büyük ölçüde artıran, tamamen ve kalıcı olarak akıma dalmaları ile ayırt edilirler .
Amerikan çevre hukuku türbinleri geçen balıkların ölümlerinin azaltılması hidroelektrik santralleri gerektirir. Bunun için Idaho Ulusal Laboratuvarı, türbinlerin kullanımını en üst düzeye çıkarmak amacıyla ileri teknolojilere sahip ( Gelişmiş Türbin Sistemleri ve İleri Teknoloji Türbinleri veya ATT) "yeşil" türbinlerin geliştirilmesi için bir "Hidroelektrik" programı oluşturmuştur . hidroelektrik kaynakları "teknik, toplumsal ve çevresel avantajlarını geliştirerek" , maliyetlerini ve teknik olarak mümkün olduğunca çevre üzerindeki etkilerini azaltırken. Bu program, türbinlerden geçen balıkların yaralanma ve ölümlerini %2 veya daha azına ( programın başlangıcında mevcut olan en iyi türbinler için %5 ila %10'a kıyasla ) ve diğer türbinlerde %30 veya daha fazla oranlara indirmeyi amaçlamıştır . Bu nedenle bu laboratuvar, enerji santrallerinin balıklar üzerindeki etkilerini, özellikle bir "balık probu" (çeşitli türbin hızı koşulları altında, farklı türbin tiplerinden geçiş sırasında maruz kalınan stresleri ölçen sensörler içeren bir tür balık simülasyonu) kullanarak modelleme konusunda uzmanlaşmıştır. su akışı ve basıncı). Laboratuar ayrıca , birden fazla türbinden geçen alabalıkların veya yılan balıklarının kümülatif hayatta kalma durumu üzerinde yerinde testler yürütüyor . Geri bildirim, türbinlerin balıklar üzerindeki etkilerini ortadan kaldırmayı ve daha düşük bir yükseklikten düşmelerde elektrik üretmeyi amaçlayan yeni tür türbinlerin konfigürasyon çalışmalarına beslenir.
Bu nedenle , 2009'da ALDEN'e göre (ve 2006'da test edilmiştir) gökkuşağı alabalığı için 96 saatten sonra %83 ila %93 hayatta kalma, diğer türler için %90 ila %100 hayatta kalma ile 2000-2005 yıllarında "balık dostu türbinler" önerilmiştir. "çok düşük yük " (VLH®2) ve " ichthyophile®2 " , inşaat mühendisliği ihtiyacını ve dolayısıyla iş maliyetlerini büyük ölçüde azaltma avantajına sahiptir, çok düşük düşüşleri (2 ila 3) donatmaya izin veren bir verimlilik için m ); US Army Corps of Engineers tarafından 1995 yılında yayınlanan , türbinlerin balıkların ömrü ile uyumluluk çalışmalarının sonuçlarını bütünleştiren bir tasarım sayesinde balığın türbinden (özellikle yılan balıkları) zarar görmeden geçişine izin verirken, Fransa'da inşa edilen bir VLH türbininin ilk prototipiMart 2007(üzerinde Tarn içinde Moulin de Troussy de, Millau ). Bu türbinlerin su girişleri aynı zamanda iktiyo-uyumluluk cihazları ile donatılabilir (örneğin Fransa'da Navarrenx'te Gave d'Oloron üzerinde test edilmiştir ) ve ONEMA ile iyileştirilebilir . (Larinier, Thévenet ve Travade, 2008) ve tırmanışı kolaylaştırmak için bir balık merdiveni bunlarla ilişkilendirilebilir (Lot'taki Saint-Géry elektrik santralinde (2 MW ) olduğu gibi, 2015'te yenilenmiştir). En kötü koşullarda, aynı koşullar altında çalışan geleneksel bir Kaplan türbinine kıyasla ani ve/veya gecikmeli ölüm açısından etkiler 2 ila 3'e bölünür. Yılan balıkları, uzunlukları nedeniyle en savunmasız olanlardır ve öldürüldüklerinde genellikle türbinden dışarı çıkarlar.
Bir hava türbini, sıkıştırılmış havanın gevşemek ve hız kazanmak için geldiği bir kanat sistemidir. Bu türbin tarafından geliştirilen enerji aşağıdaki denklemle ilgilidir:
veya:
Bu tür türbin, diğerlerinin yanı sıra tornavida veya basınçlı hava matkapları gibi aletlerde kullanılır.