터빈

터빈(/ttɜrbann/ 또는 ^[1][2]/ˈtɜrbnn/)은 유체 흐름에서 에너지를 추출하여 유용한 작업으로 변환하는 회전식 기계 장치입니다.터빈에 의해 생성되는 작업은 ^[3]발전기와 결합하면 전력을 발생시키는 데 사용될 수 있습니다.터빈은 회전자 조립체라고 불리는 적어도 하나의 가동 부품이 있는 터보 기계이며, 회전자는 날개가 부착된 샤프트 또는 드럼입니다.움직이는 유체는 블레이드에 작용하여 블레이드가 움직이고 회전 에너지를 로터에 전달합니다.초기 터빈의 예는 풍차와 물레방아입니다.

가스, 증기 및 수력 터빈은 작동 유체를 포함하고 제어하는 블레이드 주위에 케이스를 가지고 있습니다.증기 터빈의 발명에 대한 공적은 반응 터빈의 발명에 대한 영국계 아일랜드인 엔지니어 찰스 파슨스(1854–1931) 경과 임펄스 터빈의 발명에 대한 스웨덴인 엔지니어 구스타프 드 라발(1845–1913)에게 돌아갔습니다.현대의 증기 터빈은 같은 유닛에서 반응과 임펄스를 모두 사용하는 경우가 많으며, 일반적으로 날개 뿌리부터 주변까지 반응과 임펄스의 정도를 변화시킵니다.알렉산드리아의 영웅은 기원후 1세기에 풍력 터빈 원리를 증명했고 비트루비우스는 기원전 70년경에 그것을 언급했다.

"터빈"이라는 단어는 1822년 그리스어로 "볼텍스" 또는 "휘르릉"이라는 뜻의 프랑스 광산 엔지니어 클로드 버딘이 "터빈 하이드로릭은 기계들을 썩게 한다"라는 메모에서 그가 ^[4]파리의 아카데미 로얄 데 과학에 제출한 것이다.Claude Burdin의 제자였던 Benoit Fourneyron은 최초의 실용적인 수력발전기를 만들었다.

조작 이론

작동 유체는 위치 에너지(압력 헤드) 및 운동 에너지(속도 헤드)를 포함합니다.오일은 압축 가능하거나 압축 불가능할 수 있습니다.터빈은 이러한 에너지를 수집하기 위해 다음과 같은 몇 가지 물리적 원리를 사용합니다.

임펄스 터빈은 고속 유체 또는 가스 제트의 흐름 방향을 변경합니다.결과적으로 발생하는 임펄스는 터빈을 회전시키고 유체 흐름을 감소된 운동 에너지와 함께 남깁니다.증기 또는 가스터빈의 경우 모든 압력 강하가 정지된 블레이드(노즐)에서 발생하므로 터빈 블레이드(이동 블레이드)에는 유체 또는 가스의 압력 변화가 없습니다.터빈에 도달하기 전에 노즐로 유체를 가속하여 유체의 압력 헤드를 속도 헤드로 변경합니다.Pelton 휠과 de Laval 터빈은 이 프로세스를 독점적으로 사용합니다.임펄스 터빈은 유체 제트가 로터의 블레이드에 도달하기 전에 노즐에 의해 생성되므로 로터 주위에 압력 케이스가 필요하지 않습니다.뉴턴의 제2법칙은 임펄스 터빈의 에너지 전달을 설명한다.임펄스 터빈은 유량이 낮고 흡기 압력이 높은 경우에 사용하기에 가장 효율적입니다.^[3]

반응 터빈은 가스나 유체의 압력이나 질량에 반응하여 토크를 발생시킵니다.가스 또는 오일의 압력은 터빈 로터 ^[3]블레이드를 통과하면서 변화합니다.작동 오일이 터빈 단계에 작용하거나 터빈이 유체 흐름(예: 풍력 터빈)에 완전히 잠기도록 하려면 압력 케이스가 필요합니다.케이스에는 작동 유체가 들어 있으며, 작동 유체를 유도하며, 수력 터빈의 경우 드래프트 튜브에 의해 전달되는 흡인을 유지합니다.프란시스 터빈과 대부분의 증기 터빈은 이 개념을 사용합니다.압축 가능한 작동 유체의 경우, 팽창하는 가스를 효율적으로 활용하기 위해 일반적으로 여러 터빈 단계가 사용됩니다.뉴턴의 제3법칙은 반응 터빈의 에너지 전달을 설명한다.반응 터빈은 높은 유속 또는 유체 헤드(업스트림 압력)가 낮은 용도에 더 적합합니다.^[3]

해양 용도 또는 육상 기반 전기 발전에 사용되는 증기 터빈의 경우, 파슨스형 반응 터빈은 동일한 수준의 열 에너지 변환에 대해 드 라발형 임펄스 터빈과 약 두 배의 블레이드 열을 필요로 한다.이는 Parsons 터빈을 훨씬 더 길고 무겁게 만들지만, 반응 터빈의 전체적인 효율은 동일한 열 에너지 변환에 대한 동등한 임펄스 터빈보다 약간 더 높습니다.

실제로, 현대의 터빈 설계는 가능한 한 다양한 정도의 반응과 임펄스 개념을 모두 사용합니다.풍력 터빈은 에어포일을 사용하여 움직이는 유체로부터 반응 양력을 발생시켜 로터에 전달합니다.풍력 터빈은 또한 바람을 비스듬히 꺾음으로써 바람의 충격으로부터 에너지를 얻습니다.다단 터빈은 고압에서 반응 또는 임펄스 블레이딩을 사용할 수 있습니다.증기 터빈은 전통적으로 더 충동적이었지만 가스 터빈에 사용되는 것과 유사한 반응 설계로 계속 이동하고 있다.저압에서는 작동 유체 매체가 부피로 팽창하여 압력을 약간 낮춥니다.이러한 조건하에서 블레이드는 엄밀하게는 블레이드의 베이스가 임펄스만으로 반응형 설계가 됩니다.그 이유는 각 블레이드의 회전 속도의 영향 때문입니다.볼륨이 증가함에 따라 블레이드 높이가 증가하고 블레이드 베이스가 팁에 비해 느린 속도로 회전합니다.이러한 속도의 변화는 디자이너가 베이스에서의 임펄스에서 높은 반응 스타일의 팁으로 변화하도록 강요합니다.

고전적인 터빈 설계 방법은 19세기 중반에 개발되었습니다.벡터 분석은 유체 흐름을 터빈 모양과 회전과 연관시켰다.처음에는 그래픽 계산법이 사용되었습니다.터빈 부품의 기본 치수에 대한 공식이 잘 문서화되어 있으며, 매우 효율적인 기계는 모든 유체 흐름 조건에 대해 신뢰성 있게 설계될 수 있습니다.어떤 계산은 경험적 또는 '경험적 규칙' 공식이고, 다른 계산은 고전 역학에 기초한다.대부분의 공학적 계산과 마찬가지로 가정도 단순화되었습니다.

속도 삼각형을 사용하여 터빈 스테이지의 기본 성능을 계산할 수 있습니다.가스는 절대 속도_a1 V로 정지된 터빈 노즐 가이드 베인을 빠져나갑니다.로터는 U 속도로 회전합니다. 로터에 비해 로터 입구에 충돌할 때 가스의 속도는 V입니다_r1.기체는 로터에 의해 회전되고 로터에 상대적인 속도_r2 V로 빠져나갑니다.그러나 절대적인 측면에서 로터 출구 속도는 V이다_a2.속도 삼각망은 이러한 다양한 속도 벡터를 사용하여 구성됩니다.속도 삼각망은 블레이딩을 통과하는 모든 섹션(예: 허브, 팁, 중간 섹션 등)에서 구성할 수 있지만 일반적으로 평균 단계 반지름에 표시됩니다.스테이지의 평균 성능은 오일러 방정식을 사용하여 이 반지름의 속도 삼각형에서 계산할 수 있습니다.

$\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}$

이 때문에,

$디스플레이 스타일T}} = flac {u\cdot \Delta v_{w}} {T}}}$

여기서:

$h$h ($displaystyle$ \$Delta$ h )는 스테이지 전체의 엔탈피 강하입니다.

${\displaystyle T}${\$displaystyle$ T$}$는 터빈 입구 총(또는 정체) 온도입니다.

${\displaystyle }$u$\displaystyle$u는$$ 터빈 로터 주변 ${\displaystyle \mathrm{속도}}$입니다.

${\displaystyle {\delta }_{}}$v $w \displaystyle$ \$Delta v_{$w$$}는 회전 속도의 ${\displaystyle \mathrm{변화}}$입니다.

$터빈$ 압력비는 ${\displaystyle \frac{\Omega }{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ T$($ 스타일$)$의 함수입니다.$T}}}$ 및$$ 터빈 효율.

현대 터빈 설계는 더 많은 계산을 수반합니다.계산 유체 역학은 고전적인 공식 도출에 사용되는 많은 단순화 가정을 배제하고 컴퓨터 소프트웨어는 최적화를 촉진합니다.이러한 도구들은 지난 40년 동안 터빈 설계를 꾸준히 개선해 왔습니다.

터빈의 주요 수치 분류는 터빈의 특정 속도입니다.이 수치는 출력 및 유량에 대한 터빈의 최대 효율 속도를 나타냅니다.특정 속도는 터빈 크기와 무관하도록 유도됩니다.유체 흐름 조건 및 원하는 축 출력 속도를 고려하여 특정 속도를 계산하고 적절한 터빈 설계를 선택할 수 있습니다.

특정 속도 및 몇 가지 기본 공식을 사용하여 기존 기존 성능 설계를 해당 성능을 가진 새로운 크기로 안정적으로 확장할 수 있습니다.

설계 외 성능은 보통 터빈 맵 또는 특성으로 표시됩니다.

로터의 블레이드 수와 스테이터의 베인 수는 고조파를 줄이고 블레이드 통과 ^[5]주파수를 최대화하기 위해 종종 두 개의 서로 다른 소수입니다.

종류들

• 증기 터빈은 석탄, 연료유 또는 핵연료를 사용하는 화력발전소의 발전기를 구동하는 데 사용된다.그들은 언젠가 직접 선박의 프로펠러(예를 들어 Turbinia, 첫번째 turbine-powered 증기 launch[6]) 같은 기계 장치를 운전하게 되지만, 그러나 대부분의 이러한 애플리케이션 지금 감소 기어 또는 터빈 전기를 생성하는 데 사용되는 전기 모터는 가공의 병기에 연결되어 힘을 가집니다 중간 전기 단계를 이용하는 사용되었다.n1차 부하터보 전기 선박 기계는 주로 미국과 영국 조선소에 충분한 기어 절단 시설이 없었기 때문에 제2차 세계대전 직전과 그 기간 동안 특히 인기가 있었다.
• 항공기 가스터빈 엔진은 피스톤 엔진을 구별하기 위해 터빈 엔진이라고도 합니다.
• 트랜조닉 터빈가스터빈 엔진에 사용되는 대부분의 터빈의 가스 흐름은 확장 과정 내내 아음속을 유지합니다.트랜소닉 터빈에서 가스 흐름은 노즐 가이드 베인을 빠져나갈 때 초음속이 되지만, 일반적으로 다운스트림 속도는 아음이 됩니다.트랜조닉 터빈은 정상보다 높은 압력 비율로 작동하지만 일반적으로 효율성이 떨어지고 일반적이지 않습니다.
• 회전하는 터빈.축류 터빈의 경우 다운스트림 터빈이 업스트림 유닛과 반대 방향으로 회전할 경우 어느 정도 효율상의 이점을 얻을 수 있습니다.그러나 합병증은 역효과를 초래할 수 있습니다.보통 Ljungström 터빈으로 알려진 역회전 증기 터빈은 스웨덴 엔지니어 Fredrik Ljungström (1875–1964)에 의해 스톡홀름에서 처음 발명되었고, 그의 형제 Birger Ljungström과 협력하여 1894년에 특허를 취득했습니다.이 설계는 기본적으로 다단 방사형 터빈(또는 '내포' 터빈 로터 쌍)으로, 반응(Parsons) 터빈보다 4배 더 큰 열 강하를 제공하며, 매우 콤팩트한 설계로 배압 발전소에서 특히 성공을 거둔 유형입니다.그러나, 다른 설계와 달리, 대량의 증기는 어렵게 처리되며, 축류 터빈(DUREX)과의 조합만으로 터빈이 ca 50 MW 이상의 전력으로 건설될 수 있습니다. 해양 애플리케이션의 경우 1회 동안 약 50개의 터보 전기 장치만 주문되었습니다(이 중 상당량이 최종적으로 육지 발전소에 판매되었습니다).917-19년, 1920-22년 동안 터보 터보 터보 터보 터보 터보 엔진 몇 대가 ^[7]판매되었지만 그다지 성공하지 못했습니다.대부분의 육상 발전소가 2010년 사용 중인 반면, 1960년대 후반에는 일부 터보 전기 해양 발전소(ss Ragne, ss Regin)만이 여전히 사용되었다.
• 스테이터리스 터빈다단 터빈에는 가스 흐름을 회전하는 로터 블레이드로 유도하는 정적(정지 상태라는 의미) 입구 가이드 베인이 있습니다.스테이터가 없는 터빈에서는 업스트림 로터에서 나오는 가스 흐름이 (흐름의 압력/속도 에너지 레벨을 재정렬하는) 스테이터 베인의 중간 세트 없이 다운스트림 로터에 충돌합니다.
• 세라믹 터빈기존의 고압 터빈 블레이드(및 베인)는 니켈 기반 합금으로 제조되며 금속의 과열을 방지하기 위해 복잡한 내부 공랭 통로를 사용하는 경우가 많습니다.최근 몇 년 동안 실험용 세라믹 블레이드는 로터 입구 온도 상승 및/또는 공기 냉각을 제거하기 위해 가스 터빈에서 제조 및 테스트되었습니다.세라믹 블레이드는 금속 블레이드에 비해 깨지기 쉬우며 치명적인 블레이드 고장 위험이 높습니다.이로 인해 제트 엔진 및 가스터빈에서 스테이터(정지) 블레이드로의 사용이 제한되는 경향이 있습니다.
• 장막 터빈많은 터빈 로터 블레이드의 상단에는 쉬라우드가 있으며, 이는 인접한 블레이드의 쉬라우딩과 연동되어 댐핑을 증가시켜 블레이드 플래터를 줄입니다.대형 육상 전기 발전 증기 터빈에서는, 특히 저압 터빈의 긴 날개에서 레이싱 와이어로 쉬라우딩을 보완하는 경우가 많습니다.이러한 와이어는 블레이드 루트에서 적절한 거리를 두고 블레이드에 드릴로 뚫린 구멍을 통과하며, 일반적으로 통과하는 지점에서 블레이드에 납땜됩니다.레이싱 와이어는 블레이드 중앙 부분의 블레이드 플래터를 줄입니다.레이싱 와이어의 도입으로 대형 또는 저압 터빈에서 블레이드 고장 발생률이 크게 감소합니다.
• 에어플로우리스 터빈현대적 관행은 가능하면 로터 쉬라우딩을 제거하여 블레이드에 가해지는 원심 부하와 냉각 요건을 줄이는 것입니다.
• 블래드리스 터빈은 기존 터빈처럼 블레이드에 충돌하는 유체가 아닌 경계층 효과를 사용합니다.

• 수력 터빈
  • 펠튼 터빈, 임펄스 수력 터빈의 일종입니다.
  • 프란시스 터빈, 널리 사용되는 수력 터빈의 한 종류입니다.
  • 카플란 터빈, 프란시스 터빈의 변형입니다.
  • 터고 터빈, 펠튼 휠의 변형된 형태입니다.
  • Banki-Michell 터빈 또는 Osberger 터빈이라고도 하는 직교류 터빈.
• 풍력 터빈일반적으로 노즐과 스테이지 간 가이드 베인이 없는 단일 스테이지로 작동합니다.스테이터와 로터가 있는 Eolienne Bollé는 예외입니다.
• 속도 화합물 "커티스"커티스는 1단 또는 스테이터에 고정된 노즐 세트를 사용한 후 파슨스 또는 드 라발과 같이 고정되고 회전하는 블레이드 열의 순위를 사용하여 드 라발과 파슨스 터빈을 결합했습니다. 일반적으로 파슨스 설계의 최대 100단계에 비해 최대 10단계까지입니다.커티스 설계의 전체적인 효율은 Parsons 또는 de Laval 설계보다 낮지만, 저속 및 저압에서의 성공적인 작동을 포함하여 훨씬 광범위한 속도 범위에서 만족스럽게 작동할 수 있어 선박의 발전소에서 사용하기에 이상적입니다.커티스 배열에서는 증기 내의 전체 열강하가 초기 노즐열에서 발생하며, 후속 이동 블레이드열과 정지 블레이드열 모두 증기의 방향을 변경하기만 하면 된다.커티스 배열의 작은 부분(일반적으로 하나의 노즐 부분과 두세 줄의 움직이는 날개)을 사용하는 것을 보통 커티스 '휠'이라고 하며, 이 형태에서 커티스호는 바다에서 많은 반응 및 임펄스 터빈과 터빈 세트의 '관리 단계'로 널리 사용되었습니다.이러한 관습은 오늘날에도 해양 증기 플랜트에서 여전히 흔하다.
• 압력 복합 다단계 임펄스, 즉 "Rateau"는 프랑스 발명가인 오귀스트 레이토에 따라 만들어졌습니다.Rateau는 노즐 다이어프램으로 분리된 단순한 임펄스 로터를 사용합니다.다이어프램은 기본적으로 터빈의 칸막이 벽으로, 일련의 터널이 잘려나갑니다. 깔때기는 넓은 끝이 이전 단계를 향하도록 형성되어 있으며, 다음으로 좁은 쪽도 증기 제트를 임펄스 로터로 향하게 합니다.
• 수은 증기 터빈은 화석 연료 발전소의 효율을 개선하기 위해 작동 유체로 수은을 사용했습니다.비록 몇몇 발전소가 수은 증기와 재래식 증기 터빈을 결합하여 지어졌지만, 금속 수은의 독성은 금방 드러났습니다.
• 스크류 터빈은 아르키메데스식 나사의 원리를 사용하여 상류에서 물의 위치 에너지를 운동 에너지로 변환하는 수력 터빈입니다.

사용하다

이 섹션은 대부분 또는 전체적으로 단일 소스에 의존합니다. 관련 토론은 토크 페이지에서 확인할 수 있습니다. 추가 출처에 인용문을 도입하여 이 기사의 개선에 도움을 주시기 바랍니다.출처 : '터빈'– 뉴스 · 신문 · 서적 · 학자 · JSTOR (2018년 5월)

세계 전력의 많은 부분이 터보 발전기에 의해 생산된다.

터빈은 육지, 바다, 공기의 가스터빈 엔진에 사용된다.

터보차저는 피스톤 엔진에 사용됩니다.

가스 터빈은 매우 빠른 속도로 작동하기 때문에 전력 밀도(즉, 전력 대 질량 또는 전력 대 부피의 비율)가 매우 높습니다.우주왕복선의 주 엔진은 터보펌프(터빈 엔진에 의해 구동되는 펌프로 구성된 기계)를 사용하여 추진제(액체 산소와 액체 수소)를 엔진의 연소실로 공급했습니다.액체 수소 터보펌프는 자동차 엔진(중량 약 700lb)보다 약간 크며 터빈은 약 70,000hp(52.2MW)를 생산합니다.

터보 익스팬더는 산업 공정에서 냉장용으로 사용됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

추가 정보

• 레이튼, 에드윈 T. "경험의 법칙에서 과학 공학으로: 제임스 B.프란시스와 프란시스 터빈의 발명" NLA 모노그래프 시리즈.뉴욕주 스토니브룩: 1992년 뉴욕 주립대학 연구재단.

외부 링크

• 터빈