Impulssiturbiini vs. reaktioturbiini
Turbiinit ovat turbokoneita, joita käytetään muuttamaan virtaavan nesteen energia mekaaniseksi energiaksi roottorimekanismeja käyttämällä. Turbiinit muuttavat yleensä nesteen joko lämpö- tai liike-energian työksi. Kaasuturbiinit ja höyryturbiinit ovat lämpöturbiinikoneita, joissa työ syntyy käyttönesteen entalpian muutoksesta; eli paineen muodossa oleva nesteen potentiaalienergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi.
Aksiaalivirtausturbiinin perusrakenne on suunniteltu mahdollistamaan jatkuva nestevirtaus samalla kun se ottaa energiaa. Lämpöturbiineissa korkeassa lämpötilassa ja paineessa oleva työneste ohjataan akseliin kiinnitetylle pyörivälle kiekolle kiinnitetyistä kulmissa olevista roottorisarjan läpi. Jokaisen roottorilevyn väliin on asennettu kiinteät siivet, jotka toimivat suuttimina ja ohjaavat nestevirtausta.
Turbiinit luokitellaan useilla parametreilla, ja impulssien ja reaktion jako perustuu menetelmään, jolla nesteen energia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi. Impulssiturbiini tuottaa mekaanista energiaa kokonaan nesteen impulssista, kun se osuu roottorin lapoihin. Reaktioturbiini käyttää suuttimesta tulevaa nestettä luomaan vauhtia staattorin pyörään.
Lisätietoja Impulssiturbiinista
Impulssiturbiinit muuttavat nesteen energian paineen muodossa muuttamalla nesteen virtauksen suuntaa, kun ne osuvat roottorin lapoihin. Vauhdin muutos saa aikaan impulssin turbiinin lapoihin ja roottori liikkuu. Prosessi selitetään Newtonin toisella lailla.
Impulssiturbiinissa nesteen nopeutta kasvatetaan kulkemalla suuttimien sarjan läpi ennen kuin se ohjataan roottorin siipille. Staattorin siivet toimivat suuttimina ja lisäävät nopeutta alentamalla painetta. Suuremman nopeuden (vauhdin) omaava nestevirta iskee sitten roottorin siipiin siirtääkseen liikemäärän roottorin lapoihin. Näiden vaiheiden aikana nesteen ominaisuudet käyvät läpi impulssiturbiineille ominaisia muutoksia. Painehäviö tapahtuu kokonaan suuttimissa (eli staattoreissa), ja nopeus kasvaa merkittävästi staattorissa ja laskee roottoreissa. Pohjimmiltaan impulssiturbiinit muuntavat vain nesteen kineettistä energiaa, eivät painetta.
Pelton-pyörät ja de Lavalin turbiinit ovat esimerkkejä impulssiturbiineista.
Lisätietoja Reaktioturbiinista
Reaktioturbiinit muuttavat nesteen energian roottorin siipien reaktiolla, kun nesteen liikemäärä muuttuu. Tätä prosessia voidaan verrata raketin pakokaasun reaktioon raketissa. Reaktioturbiinien prosessi selitetään parhaiten käyttämällä Newtonin toista lakia.
Suuttimien sarja lisää nestevirran nopeutta staattorivaiheessa. Tämä aiheuttaa paineen laskun ja nopeuden lisääntymisen. Sitten nestevirta ohjataan roottorin siipille, jotka toimivat myös suuttimina. Tämä alentaa edelleen painetta, mutta myös nopeus laskee kineettisen energian siirtymisen seurauksena roottorin lapoihin. Reaktioturbiineissa ei vain nesteen kineettinen energia vaan myös paineen muodossa oleva nesteen energia muunnetaan roottorin akselin mekaaniseksi energiaksi.
Francis-turbiini, Kaplan-turbiini ja monet nykyaikaiset höyryturbiinit kuuluvat tähän luokkaan.
Nykyaikaisessa turbiinisuunnittelussa toimintaperiaatteita käytetään optimaalisen energiantuotannon tuottamiseen, ja turbiinin luonne ilmaistaan turbiinin reaktioasteella (Λ). Parametri on periaatteessa roottorivaiheen ja staattorivaiheen painehäviön välinen suhde.
Λ=(entalpian muutos roottorivaiheessa) / (entalpian muutos staattorivaiheessa)
Mitä eroa on impulssiturbiinilla ja reaktioturbiinilla?
Impulssiturbiinissa paine (entalpia) laskee kokonaan staattorivaiheessa ja reaktioturbiinin paine (entalpia) laskee sekä roottori- että staattorivaiheessa. {Jos neste on kokoonpuristuvaa, kaasu laajenee (yleensä) sekä roottori- että staattorivaiheessa reaktioturbiineissa.}
Reaktioturbiineissa on kaksi suutinsarjaa (staattorissa ja roottorissa), kun taas impulssiturbiineissa on suuttimet vain staattorissa.
Reaktioturbiineissa sekä paine että liike-energia muunnetaan akselienergiaksi, kun taas impulssiturbiineissa vain liike-energiaa käytetään akselienergian tuottamiseen.
Impulssiturbiinin toiminta selitetään Newtonin kolmannella lailla ja reaktioturbiinit Newtonin toisella lailla.
