Turbiini

Turbiini, eli turpiini, on pyörivä kone, joka muuttaa virtaavan aineen eli fluidian energia turbiinin pyörimisenergiaksi.

Yleensä turbiinin akseliin on kiinnitetty generaattori, joka muuttaa liike-energian sähkötenergiaksi. Turbiini-generaattori -yhdistelmillä tuotetaan liki kaikki kulutettava sähköenergia. Muita turbiinien käyttökohteita ovat suihkumoottori. Käänteisesti toimiva turbiini on kompressori tai turbopumppu.

Turbiinien jaottelu

Turbiinit jaotellaan väliaineen perusteella

• höyryturbiini
• kaasuturbiini
• vesiturbiini
• tuuliturbiini

Teoreettinen perusta

Väliaine sisältää paine- ja lämpöenergiaaa eli entalpia sekä liike-energiaa. Turbiinit jaetaan kahteen eri ryhmään sen perusteella, miten tätä väliaineen energiaa muunnetaan mekaaniseksi energiaksi.

• Impulssiturbiinissa (usein myös aktioturbiini) suuttimella väliaineen paine-energiaa muutetaan nopeusenergiaksi. Väliaineen paine ei laske enää juoksusiivistössä. Suurinopeuksinen suihku suunnataan turbiinin siipiin. Siipi muuttaa suurinopeuksisen virtauksen suuntaa. Nopeuden muutoksesta seuraava impulssi pyörittää turbiinia ja vähentää virtauksen liike-energiaa. Pelton- ja deLaval-turbiinit toimivat tällä periaatteella. Impulssiturbiini ei välttämättä tarvitse koteloa juoksusiivistön ympärille, sillä suihku säädetään jo suuttimessa. Newtonin toinen laki kuvaa energiasiirtoa aktioturbiinissa.

• Reaktioturbiinit kehittävät vääntömomenttinsa reagoimalla väliaineen paineeseen, joka laskee väliaineen edetessä turbiinin juoksusiivistössä. Laajeneva väliaine siis pyörittää turbiinia. Francis-turbiinit ja useimmat höyryturbiinit toimivat tällä periaatteella. Reaktioturbiinit tarvitsevat suihkua ohjaavan kotelon juoksusivistön ympärille. Newtonin kolmas laki kuvaa reaktioturbiinin energiansiirtoa.

Näitä kahta tapaa käytetään usein sekaisin turbiineissa. Tuuliturbiinissa pääosa energiasta tulee poikkileikkaukseltaan siiven muotoisen lavan aiheuttaessa nosteen, joka pyörittää turbiinin akselia. Lavat saavat energiaa myös impulssilla muuttaessaan tuulen suuntaa. Vesiturbiineihin kuuluvat ristivirtausturbiinit ovat impulssiturbiineja ja niissä on suutin, mutta matalan putouskorkeuden sovelluksissa ne toimivat reaktiolla kohtuullisella hyötysuhteella kuten tavallinen vesipyörä.

Perinteinen turbiinisuunnittelu kehittyi 1800-luvun puolivälissä. Vektoorianalyysi yhdisti virtauksen turbiinin siipien muotoon ja pyörimiseen. Graafinen laskeminen oli ensimmäinen käytetty metodi. Kaavat perusmitoituksen tekemiseen mille ja minkälaiselle tahansa virtaukselle soveltuvalle hyvä hyötysuhteiselle koneelle ovat olemassa. Osa näistä on kokemusperäisiä ja ns. peukalosääntöjä toisten perustuessa klassiseen mekaniikkaan. Mille tahansa tekniikan laskennalle tyypillisesti yksinkertaistavia oletuksia on näissä tehty.

Aiheesta muualla

• Turbiinin laskennallisia perusteita