Turbin

En turbin, fra gresk  τύρβη, tyrbē, («turbulens»), er en roterende mekanisk maskin som henter energi fra en fluidstrøm og konverterer den til nyttbar rotasjonsenergi. Med fluid menes både væske og gass. Ofte er turbiner og pumper (sentrifugalpumper) konstruksjonsmessig nokså like, og metodikk for konstruksjon er derfor også lik.
En turbin er en maskin med minst én bevegelig del som kalles rotor, eller i vannturbiner løpehjul,; det er en aksel eller trommelen med påmonterte turbinblader eller skovler. Det bevegelige fluidet virker med en kraft på bladene, slik at de beveger seg og gir rotasjonsenergi til rotoren. Gass-, damp- og vannturbiner har vanligvis et hus (eller trykkammer) rundt rotoren (eller løpehjulet) som er fylt opp med og styrer arbeidsmediet. Huset har fastmonterte eller justerbare skovler, ledeskovler, som styrer fluidet og kan variere pådraget. Disse kan også ha form av dyser. Til akslingen kobles en arbeidsmaskin. I dag er dette vanligvis en generator for elektrisitetsproduksjon. Eksempler på tidlige turbiner er vindturbiner og vannhjul.

Historisk bakgrunn

Æren for oppfinnelsen av dampturbinen er gitt både til den britiske ingeniøren Charles Algernon Parsons (1854-1931), for oppfinnelsen av reaksjonsturbinen og til svenske ingeniøren Gustaf de Laval (1845-1913), for oppfinnelsen av impulsturbinen. For moderne dampturbiner blir ofte prinsippet fra både reaksjonen- og impulsturbinen benyttet i samme enhet, typisk variere graden av reaksjon og impuls fra bladroten og ut til dets periferi.
Ordet «turbin» ble skapt i 1822 av den franske gruveingeniøren Claude Burdin fra det latinske turbo, eller virvel, i avhandlingen Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse, som han sendte til det franske vitenskapsakademiet i Paris
Ægidius Elling (1861-1949) regnes for å ha utført verdens første vellykkede konstruksjon av en gassturbin. Denne ble testet i Kristiania i rundt en halvtime den 27. juni 1903. Materialteknologien var ikke kommet langt nok til at turbinen kunne få praktisk anvendelse, og det gikk enda mange år før gassturbiner fikk stor utbredelse.

Virkemåte

Et arbeidsmedium (væske eller gass) som har potensiell energi (i form av trykk) og kinetisk energi (i form av hastighet) blir utnyttet i en turbin. Fluidet kan være kompressibelt eller inkompressibelt. Flere fysiske prinsipper er brukt i turbiner for å utnytte denne energien.
Sammenlignes en vannturbin med et tradisjonelt vannhjul, er det noen konstruksjonsmessige forhold som gjør at en turbin er en mye mer effektiv maskin. Hovedforskjellen mellom tidlig vannturbiner og vannhjul, er at en virvelkomponent (i matematikken brukes det engelske ordet «curl», som også brukes på norsk) av det strømmende vannet overfører energi til rotoren. På grunn av denne ekstra bevegelseskomponent tillates turbinen å være betydelig mindre enn et vannhjul med samme ytelse. Da turbinene ble introdusert kunne de utnytte en større vannmengde ved å rotere raskere. Den elementære sammenhengen for utviklet effekt ved rotasjon er , der P er effekt [Watt], T er dreiemoment [Nm] (kraft x arm) og  er vinkelhastigheten [rad/s]. Av denne sammenhengen ser en at et høyt omdreiningstall gir stor ytelse, selv om momentet er lite. En annen fordel som gjelder med vannturbiner er at de kan utnytte mye større fallhøyder, enn et vannhjul. Istedenfor å utnytte noen få meter av et vannfall med et vannhjul, kan en vannturbin utnytte fallhøyder på over 1000 m.

Impulsturbiner

Impulsturbiner endrer strømningsretningen av en væske eller gasstråle med høy hastighet. Den resulterende impuls får turbinen til å roterer og fluidstrømmen forlater maskinen  med redusert kinetisk energi. Det er ingen trykkendring i fluidet eller gassen over turbinbladene (de bevegelige bladene eller skovlene), som i tilfelle med en moderne damp-eller gassturbin, som i sted tar alle trykkfall i de stasjonære bladene (eller dysene). Før det når turbinen blir fluidets statiske trykk (trykkhøyde) endret til kinetisk trykk (hastighetshøyde) ved å akselerere fluidet via en (eller flere) dyseer. Peltonturbinen og de Laval turbinen bruker kun denne prosessen. Impulsturbiner krever ikke et trykkammer (eller hus) rundt rotoren fordi arbeidsmediets jetstrøm er skapt av dysen før det når bladene på rotoren. Newtons andre lov beskriver overføring av energi til impulsturbiner. Imidlertid anvendes som regel et hus over turbinhjulet for å unngå at vannet eller gassen skal komme ukontrollert ut i bygningen der turbinen står.

Reaksjonsturbiner

Reaksjonsturbiner utvikler dreiemomentet på grunn av gassens eller væskens trykk og/eller masse. Det skjer trykkendringer i gassen eller væsken når den passerer gjennom rotorbladene. Et trykkammer er nødvendig for å innkapsle det fluidet som virker på turbintrinn(e), eller så må turbinen være fullstendig nedsenket i fluidstrømmen (slik som en vindturbin). Dekselet inneholder og styrer arbeidsfluidet, og for vannturbiner skapes et sug (undertrykk) etter at vannet har forlatt selve turbinen ved hjelp av en difusor (ofte kalt sugerøret). Francisturbiner og de fleste dampturbiner bruker dette konseptet. For komprimerbare arbeidsmedier, er flere turbintrinn vanligvis brukt til å utnytte det voksende gassvolumet effektivt. Dette er tilfelle i en dampturbin der turbinbladenes lengde varierer svært mye fra første til siste trinn. Newtons tredje lov beskriver overføring av energi for reaksjonsturbiner.
I dampturbiner, som for eksempel blir brukt i skip eller i varmekraftverk, vil en Parsons-type reaksjonsturbin kreve omtrent det dobbelte antall av rader av turbinblader som de Laval-typen av en impulsturbin, for å gi den samme grad av termisk energiomforming. Dette gjør Parsons-turbin mye lengre og tyngre. Den totale virkningsgraden for en reaksjonsturbin er noe høyere enn det tilsvarende for en impulsturbin for den samme termiske energiomforming.

Kombinert design

I praksis benyttes det for design av moderne turbin både reaksjon- og impulskonsepter i varierende grad når det er mulig. Vindmøller bruker et prinsipp med vinger som generere et løft som en reaksjon på det bevegelige fluidum og overbringer dette til rotoren. Vindturbiner får også  litt energi fra impuls av vinden, ved å avlede den i en vinkel. Crossflow turbinen er utformet som en impulsmaskin med en dyse, men i tilfeller med lavt trykk (liten fallhøyde)  kommer noen av effekten gjennom reaksjon, som et tradisjonelt vannhjul. Turbiner med flere trinn kan benytte enten reaksjon- eller impulsblader under høyt trykk. Dampturbiner var tradisjonelt mer impulsbaserte, men utviklingen har beveget seg i retning av reaksjonsdesign som ligner på de bladene som brukes i gassturbiner. Ved lavt trykk vil arbeidsfluidet ekspanderer i volum for små reduksjoner i trykket. Under disse betingelser blir bladdesignet strengt tatt av reaksjonstypen der den innerste delen av bladet alene gir impuls. Grunnen til dette er virkningen av rotasjonshastigheten for hvert blad. Ettersom volumet øker, øker bladlengde, og roten av bladet roterer med en lavere periferihastighet i forhold til ytterdelen. Denne forandring i hastighet tvinger konstruktøren til å endre fra impuls på den innerste delen, til en høy grad av reaksjonsform i ytterdelen av bladene.

Moderne metodikk for design

Moderne turbindesign har utviklet beregningsmetodene ytterligere. Computational fluid dynamics
gjør bruk av numerisk analyse og kompenserer for mange av de forenklingene som brukes til å utlede klassiske formler, og programvare hjelper til med å utføre optimalisering. Disse verktøyene har ført til stadige forbedringer av turbindesign i løpet av de siste 40 årene.

Bruksområder

Nesten alle elektrisk kraft i verden er produsert med en turbin av noe slag. Dampturbiner med meget høy virkningsgrad kan utnytte omtrent 40 % av den termiske energien, mens resten forsvinner som spillvarme.
De fleste jetmotorer er avhengige av turbiner for å kunne gi flyet fart.
Turbiner er ofte en del av en større maskin. For eksempel kan en gassturbin være en varmekraftmaskin som er sammensatt av en turbin, kanaler, kompressor, forbrenningskammer, varmeveksler, vifte og (om den produserer elektrisitet) en generator. Forbrenningsturbiner og dampturbiner kan bli koblet til maskiner som pumper og kompressorer, eller kan benyttes for fremdrift av skip. Som fremdriftsmaskineri i skip er dampturbinen vanligvis tilkoblet propellen via et mellomliggende gir, dette for å tillate turbinen å ha mye større turtall enn propellen.
Stempelmotorer, som en flymotorer eller motoren i en lastebil, kan ha påmontert en turbin som blir drevet av motorens egen eksos for i neste omgang å drive en inntakskompressor. Denne konfigurasjonen er kjent som en turbolader, eller på folkemunne bare kalt "turbo".
Turbiner kan ha svært høy effekttetthet (dvs. forholdet mellom effekt og vekt, eller effekt til volum). Årsaken til dette er deres evne til å operere på meget høye hastigheter. Til romfergenes  hovedmotorer ble det brukt turbopumpeer (maskiner som består av en pumpe drevet av en turbin) for å mate drivgassene (flytende oksygen og hydrogen) inn i motorens brennkammer. Denne  hydrogenturbinpumpen er litt større enn en bilmotor og yter nesten 70 000 hk eller 52,2 MW.
Turboekspanderen er mye brukt for nedkjøling i industrielle prosesser.