Turbines Begrepen: Kernfeiten, Toepassingen en Werking

Als je nadenkt over omzetting van werkende vloeistof in nuttige mechanische en/of elektrische energie, denk dan aan een turbine. Het is een turbomachine met bewegend deel: loperassembly (rotor assembly). Toepassingen: auto's, luchtvaart, elektrische generatoren, gasturbine motors, etc.

Wat is een turbine?

Een turbine is een rotatief mechanisch apparaat dat energie onttrekt aan een vloeistofstroom en omzet in bruikbare mechanische en elektrische energie. Werk van turbine + generator = elektrische opwekking.

Set bladen op loper onttrekt energie aan bewegende vloeistof. Efficiëntie verschilt per type door ontwerp bladen. Verschillende toepassingen vereisen verschillende ontwerpen.

Alternatief: apparaat dat kinetische energie van vloeistof (lucht, water, stoom, verbrandingsgassen) benut. Energie → rotatiebeweging apparaat → energieopwekking.

Term 'turbine' geïntroduceerd 1822 door Franse mijnengineer Claude Burdin. Grieks: 'vortex' of 'wirbel'. Stoomturbine uitvinding: Anglo-Iers ingenieur Sir Charles Parsons (1854-1931) → reactieturbine. 1845-1913: Zweeds ingenieur Gustaf de Laval → impulseturbine. Moderne stoomturbines: zowel reactie als impuls in één eenheid, variërend van bladwortel tot rand.

Toepassingen

Elektrische opwekking: groot deel wereldwijde elektriciteit via turbogeneratoren.

Gasturbine motors: land, zee, lucht.

Interne verbrandingszuigermotoren: turbocompressoren (turbochargers) voor hogere efficiëntie/snelheid.

Turboexpanders: koeling in industriële processen.

Ruimteshuttle hoofdmotoren: turbopompen (pomp aangedreven door turbomotor) voeden propellants (vloeibare zuurstof/waterstof) in verbrandingskamer.

Warmtemotoren: hoge efficiëntie bij hoge uitgang. Gasturbines frequente keuze door flexibiliteit. Specifieke toepassing: straalmotoren.

Windturbines: kinetische windenergie → mechanisch vermogen → generator → elektriciteit. Onshore of offshore.

Waterturbines: hydroelektrische centrales. Water als werkvloeistof.

Stoomturbines: kern- en thermische centrales. Water → stoom → turbines → elektriciteit.

Let op: primaire functie = energieopwekking.

Componenten

Componenten variëren per type. Voorbeelden:

• Kaplan-turbine: generator met starter, rotor, as, wicket gate, bladen
• Cross-flow (gewijzigde impulseturbine): loper, bladen, waterdoorgang, verdeeler
• Pelton-turbine: loper (impeller), mondstuk, spieer, spieerstang, inlaat, afbuigplaat, emmers, afvoer

Alle onderdelen worden met diagrammen uitgelegd.

Classificaties en typen turbines

Op basis van energie-uitwisseling water-machine

Hoe vloeistofstroom reageert op turbineladen → hydroturbines. Twee hoofdtypen:

Impulsturbines

Loper aangedreven door kinetische energie vloeistof die bladen treft via mondstuk of anders. Draaiende machinery op atmosferische druk. Geschikt voor hoge val, lage doorstroom.

Drie typen: Pelton, Turgo, Cross-flow. Pelton en Turgo gelijk in constructie. Cross-flow = gewijzigde impulseturbine, geclassificeerd als impuls door rotatie loper op atmosferische druk.

Reactieturbines

Werken door som potentiële en kinetische energie water. Druk en snelheid doen bladen draaien. Hele turbine ondergedompeld in water. Drukverandering + kinetische energie → krachtuitwisseling. Toepassing: lagere val, hogere doorstroom dan impulsturbines. Gangbare typen: Francis, Kaplan, Deriaz.

Op basis van vloeistofdoorstroming door machine

Waterdoorstroom door turbine. Vier categorieën:

Radiale stroomturbine (Radial Flow)

Stroom in loper radiaal. Twee typen: inwaarts en uitwaarts radiaal. Francis = goed voorbeeld.

Inwaarts radiaal: water via penstock in kamer → vaste geleidschaufels → rotor → uitlaat. Binnen-/buitendiameter = uitlaat/inlaat.

Tangentiële/perifere stroomturbine

Water stroomt tangentiële richting tot loper. Pelton valt hieronder.

Axiale stroomturbine

Vloeistof parallel aan turbinenaas (as). Kaplan = type.

Gemengde stroomturbine (Mixed Flow)

Stroom binnen radiaal, uitgaand axiaal. Moderne Francis turbines hebben deze kenmerk.

Op basis van hydraulisch werkbereik

Drie categorieën:

• Lage valturbine: < 45 meter val. Kaplan = type. < 3 meter = ultra-lage val
• Middelste valturbine: 45-250 meter. Francis turbines
• Hoge valturbine: > 250 meter. Pelton = voorbeeld

Op basis van specifieke snelheid (Ns)

Ns = snelheid van turbine met geometrische gelijkvormigheid die eenheid vermogen levert onder eenheidsval. Drie klassen:

• Lage specifieke snelheid: Ns 1-10. Impulstypes. Pelton typisch Ns ≈ 4
• Middelste specifieke snelheid: Ns 10-100. Francis type
• Hoge specifieke snelheid: Ns > 100. Kaplan turbine

Werking van een turbine

Eenvoudig te begrijpen, maar verschilt per type. Hier: gasturbine.

Gecomprimeerde lucht verwarmd + gemengd met brandstof. Mengsel ontsteekt → snelle expansie. Expanderende lucht treedt in turbine → doet draaien. Door gecomprimeerde lucht: hoge hoogtes beïnvloeden efficiëntie niet → ideaal voor vliegtuigen.

Conclusie

Turbines: rotatieve mechanische apparaten die energie onttrekken aan werkvloeistof → bruikbare energie. Behandeld: definitie, toepassingen, functie, componenten, diagram, typen, werking.