Buhar türbini

Sayfanın 6 Temmuz 2016 tarihinde onaylanmış olan kontrol edilmiş bir sürümü, bu revizyonu temel almıştır.

Buhar türbini basınçlı buhardan termal enerji çıkaran ve dönen bir çıkış mili üstünde mekanik iş yapmak için kullanılan bir alettir.Modern gösterimi 1884 yılında Sir Charles Parsons tarafından keşfedildi.

Türbin, dönme hareketi oluşturduğundan dolayı özellikle elektrik jeneratörünü çalıştırmak için kullanılır. Elektrik üretiminin yaklaşık yüzde doksanı Amerika Birleşik Devletlerinde (1996) buhar türbinleri kullanımı iledir.Buhar türbini , buhar genleşmesindeki çoklu aşama kullanımındaki termodinamik verimliliği içindeki gelişmesinin bir çoğunu oluşturan ısı motorunun bir biçimidir ve bu ideal tersinir genişleme sürecine yakın bir yaklaşımla sonuçlanır.

Tarih

Bir reaksiyon türbini olarak ayrılabilen ilk alet, bir oyuncaktan çok daha küçüktü ve bu ilk alet (klasik Aeolipile) Roma Mısır'da İskenderiye Yunan matematikçi Kahramanı tarafından 1. Yüzyılda tanımlandı.1551 yılında Osmanlı Mısır’da Taqi al-Din tarafından dönen bir pervanenin pratik uygulamasıyla buhar türbini oluşturuldu.Bunlara ek olarak italyan Giovanni Branca (1629) ve John Wilkins(İngiltere) (1648)’te buhar türbini oluşturdu. Taqi al-Din ve Wilkins tarafından oluşturulan buhar türbini günümüzde buhar krikoları olarak bilinir. Modern buhar türbini 1884 yılında Sir Charles Parsons tarafından keşfedildiİlk modeli 7.5 kilowatt elektrik üreten bir dinamoyla birleştirildi.Parsons’un buhar türbini keşfi ucuzdu, çoklu elektiriği mümkün kıldı ve deniz taşımacılığında ve deniz harpında köklü bir değişim yaptı.Parsons’un tasarımı bir reaksiyon tipti.Sonra bir Amerikalı tarafından onun patentine izin verildi ve kısa bir zaman içinde büyüdü.Buna ek olaraktan Parsons’un türbini, büyümesi için ve kolay olması için üretildi.Parsons , tüm büyük dünya gücü istasyonları için benimsenen keşfini görmesi onu memnun etti ve jeneratörlerin boyutu kurduğu 7.5 kilowattan 50,000 kilowatt kapasiteye arttırdı.Parsons ömrü boyunca bir birimin üretim kapasitesine 10 kat yükseltildi.Sadece kara amaç için onun firmasi C.A. Parson ve Şirket ve lisans sahipleri tarafından inşa edilen turbo jeneratörlerden toplam çıkış 30 milyon beygir gücünü aştı.

Türbin için diğer değişimlerin sayısı buharla verimli bir şekilde çalışarak geliştirildi. Gustaf de Laval tarafından keşfedilen de Laval türbin, bir türbin bıçağına karşı çalıştırılmadan önce tam hızda buhar hızlandırdı. De Laval’ın dürtü türbini daha basit, daha ucuz ve onun basınca dayanıklı olmasına da gerek yok.O her buhar basıncıyla çalışabilir fakat önemli ölçüde daha az verimlidir. fr:Auguste Rateau.1900 yılında Laval ilkesini kullanarak dürtü türbini birleştiren bir basınç geliştirdi.1903 yılında ABD patenti sağlandı ve 1904 yılı içinde Fransız torpido botuna bir türbin sağlandı.1897 yılına kadar 10 yıl için the École des mines de Saint-Étienne öğretti ve sonra ölümünden sonra Alstom firmasını dahil eden başarılı bir şirket kurdu.Buhar ve gaz türbinlerinin modern teorisi kurucularından Zürihte İsviçre Politeknik Enstitüsü’nde Slovak fizikçi, mühendis ve profesör olan Aurel Stodola’dır.(Buhar türbini ve onun ileriye yönelik kullanımı mekanik motor olarak 1903 yılında Berlin’de yayınlandı.’Buhar ve gaz türbinleri ‘ adlı sonraki kitabı 1922 yılında yayınlandı.

Bir dürtü türü olan ABD şirketi Uluslararası Curtis Denizcilik Türbin Şirketi tarafından patenti olan ve aslen geliştirilen Kahverengi-Curtis türbini,1900 yıllarında John Brown & Company ile birlikte geliştirildi.Kraliyet Donanması savaş gemileri ve muntazam seferli gemiler dahil olan motorlu ticaret gemileri ve savaş gemileri-John Brown kullanılır.

Türleri

Buhar türbinleri , pompa, kompresör ve diğer şaft tahrikli ekipman için mekanik sürücüler olarak kullanılan 0.75 kilowatt biriminden daha küçükten başlayıp elektrik üretmek için 1 500 000 kilowatt (1.5 GW; 2 000 000 hp) türbinlerine kadar uzanan çeşitli boyutlarda yapılır.Modern buhar türbinleri için farklı sınıflandırmalar vardır.

Kanat Ve Sahne Tasarımı

Türbin kanatları(bıçakları) ağızlar ve nozullar olarak iki ana modelden oluşur.Bıçaklar onların üstünde buhar etkisinden dolayı tümüyle hareket eder ve onların profilleri yaklaşmaz.Bu buhar hız düşüşüne ve özellikle hiç basınça yol açar.Çünkü buhar bıçakları boyunca hareket eder.Bir türbin , dürtü türbini,Curtis türbini Rateau türbini ya da Brown-Curtis türbini olarak adlandırılan sabit nozullarla birbirini takip eden bıçaklardan oluşmuştur.Nozullar bıçaklara benzer görünür fakat onların profilleri çıkışın yanına yaklaşır.Buhar nozullar boyunca hareket ederken bu buhar basınç düşüşüne ve hız artışına neden olur.Nozullar çıkışta hem onların üstündeki buhar etkisinden ve reaksiyondan dolayı hem de yüksek hız buharından dolayı hareket eder.Bir türbin , reaksiyon türbini ya da Parsons türbini olarak adlandırılan sabit nozullarla birbirini takip eden hareketli nozullardan oluşur.

Düşük güç uygulamaları dışında,türbin bıçakları bileşik olarak adlandırılan sırayla çoklu aşamalar içinde düzenlenir.Bu düşük hızlarda çokça verimi geliştirir.Bir reaksiyon aşaması hareketli nozulları sıra ile takip eden sabit nozulların sırasıdır.Çoklu reaksiyon aşaması buhar girişi ve basınç-bileşik türbinine yol açan çok sayıda küçük düşüşlerdeki egzoz arasındaki basınç düşüşüne ayrılırDürtü aşaması ya basınç-bileşik ya hız-bileşik ya da basınç-hız bileşik olarak olabilir.Basınç-bileşik dürtü aşaması bileşik için çoklu aşamayla hareketli bıçakları sırasıyla takip eden sabit nozulların sırasıdır.Bu onun keşfinden sonra Rateau türbini olarak da bilinir. Hız-bileşik dürtü aşaması ( Curtis tarafından keşfedilen diğer bir adıyla Curtis çarkı) sabit bıçakların sırasıyla birbirini takip eden iki ya da daha fazla hareketli bıçakların sabit nozullar sırasıdır.Bu birkaç küçük damlalar halinde hız düşüşü olarak ayrılır.Hız-bileşik dürtü aşama sırası basınç-hız bileşik türbini olarak adlandırılır.

1905 yılıyla,buhar türbinleri, gemi kullanımına ve kara-kökenli güç uygulamalarına girdiğinde,reaksiyon aşamasıyla takip edilen çoklu aşama türbinin(buhar basıncının en yüksek olduğu yer) başlangıcında bir ya da daha fazla Curtis çarklarının kullanılmasının beğenilen bir şey olduğuna karar verildi.Bu kasa ve türbin rotoru arasında azalan sızıntıdan dolayı yüksek basınç buharla daha verimlidir.Bu 1905 Alman deniz buhar türbininin çizimiyle örneklendirilebilir.Kazanlardan çıkan buhar bir teknisyen (bu durumda bir gemici throttlemen olarak bilinir.) tarafından şahsen kontrol edilen bir gaz yoluyla yüksek basınçta sağdan girer.O düşük basınçta çıkmadan önce çeşitli reaksiyon aşamalarıyla ve beş Curtis çarkıyla geçer.Kondansatör , buhardan sağlanılan enerjiyi maksimum yapan bir vakum sağlar ve kazanları geri döndürebilmek için besi suyunun içine buhar yoğunlaşır.Sol tarafta birkaç ilave reaksiyon aşamaları(iki geniş rotor) vardır.Bu aşamalar ayrı bir gaz tarafından içeri alınan buharla geri bir operasyon için ters bir şekilde türbini döndürür.Verimlilik astern türbinleri için bir öncelik değildir çünkü gemiler nadiren tersinir bir şekilde çalıştırılır.Bu yüzden sadece birkaç aşamalar para ödemek için kullanılır.

Kanat Tasarımı Zorlukları

Türbinle karşılaşılacak en büyük zorluk bıçaklardan tarafından yaşanılan sızıntıyı azaltmaktır.Yüksek sıcaklıklardan ve işlemdeki yüksek gerilimden dolayı buhar türbini malzemeleri bu mekanizmalar yoluyla hasar görür.Türbin verimini geliştirme çabasıyla sıcaklıklar artırılıyorken sızıntı daha önemli hale gelir.Sızıntıyı belirlemek için termal tabaka ve alaşımlar katı çözelti güçlendirilmesi ve tane sınırı güçlendirilmesiyle bıçak tasarımlarında kullanılırlar.

Koruyucu tabakalar oksitlenmeyi belirlemek ve termal zararı azaltmak için kullanılır.Bu tabakalar sıklıkla dengeli hale getirilmiş zirkonyum oksit bazlı seramiklerdir.Termal koruyucu tabaka kullanmak nikel alaşımlı sıcaklık pozuna sınır koyar.Bu bıçak içindeki deneyimlerden sızıntı mekanizmalarını azaltır.Oksidasyon kaplamalar bıçakların dışına kurularak sebeb olan kayıpları belirler.Bu özellikle yüksek sıcaklık ortamında önemlidir.

Nikel bazlı bıçaklar gücü ve sürünme direncini geliştirmek için alüminyum ve titanyum alaşımlı edilir.Bu alaşımların küçük yapıları bileşimin farklı bölgelerinde oluşur.Gama-ana fazının eşit dağılımı-nikel,alüminyum ve titantum birleşimi-yapıdan dolayı bıçağın gücü ve sürünme gücü ilerler. Renyum ve rutenyum gibi ısıya dayanıklı elementler sürünme gücünü arttırmak için alaşıma eklenebilir.Bu elementlerin eklenmesi gama fazının yayılımını azaltır.Bu yüzden sürünme direncini,yorulma dayanımını ve gücü korur.

Buhar Sağlama Ve Egzoz Koşulları

Bu modeller yoğuşmalı,yoğuşmasız,tekrar ısıtma,ekstraksiyon ve indüksiyon içerir.

Yoğuşmalı türbinler en yaygın elektrik santrallerinde bulunmaktadır.Bu türbinler yaklaşık %90 çeşidi sıklıkla kısmen yoğuşuk durumdaki kazandan soğutucuya bir basınç altında boşaltılır.

Yoğuşmasız ya da geri basınç türbinleri en yaygın olarak işletme buharı uygulamalarında kullanılır.Karşı basınç , buhar basınçı aşamasındaki ihtiyaçların uygun olması için bir kapakçığı düzenleyerek kontrol edilir.Bunlar yaygınlıkla düşük basınçlı buhar sürecinde büyük miktarlarda ihtiyaç olunan rafineriler, merkezi ısıtma üniteleri, kağıt hamuru, kağıt tesisleri ve tuzdan arındırma faaliyetlerin de bulunmaktadır.

Tekrar ısıtma türbinleri de neredeyse tamamen elektrik santrallerinde kullanılır.Buhar akışı , tekrar ısıtma türbinleri içinde,türbinin yüksek basınçlı bölümünden çıkar ve aşırı derecede ısı eklenilen kazanlara geri döndürülür.Buhar daha sonra türbinin orta basınç bölümüne geri döner ve genleşmeye devam eder.Bir döngü içinde tekrar ısıtmayı kullanmak türbinden iş verimini arttırır ve genleşme,son satırda bıçaklardaki aşınmayı azaltarak buhar yoğunlaşmadan önce sonuça ulaşır.Birçok durumlar da, süper ısıtma buhar ücreti olarak bir döngü içinde çalıştırılan tekrar ısıtmaların maksimum sayısı türbinden iş verimi içinde artışı etkisiz hale getirir.

Türbinlerin ayıklanması tüm uygulamalar için yaygındır.Ayıklanan bir türbin içinde,buhar türbinin çeşitli aşamalarında salınır ve genel devir verimini geliştirmek için besleme suyu kazana gönderilir ya da endüstriyel aşama ihtiyaçları için kullanılır.Ayıklanma akışları bir kapakçıkla kontrol edilebilir.

Türbinlerin indüksiyonu ek güç üretmek için orta bir aşamada düşük basınçlı buharı tanımlar.

Gövde Ve Şaft Düzenlemeleri

Bu düzenlemeler tek gövdeli,çift gövdeli ve çift şaftlı türbinleri içerir.Tek gövdeli üniteler bir tek gövdeli ve şaftın jeneratöre birleştiği yerdeki en basit stildir.Çift gövdeli iki veya daha fazla gövdenin tek bir jeneratörü çalıştırmak için direk olarak birleştiği yerlerde kullanılır.Çift şaftlı türbin düzenlemesi sıklıkla farklı hızlarda çalışan iki veya daha fazla jeneratörü çizgi sürüşü olmayan doğrultuda vasıflanır.Çift şaftlı türbinler genel olarak birçok büyük uygulamalar için kullanılır.

İki Akım Rotorlar

Hareketli buhar türbin gövdesi üstünde hem teğetsel hem de eksenel basıncı açıklar.Fakat basit bir türbin içinde eksenel basınç rakipsizdir.Doğru rotor konumunu ve dengelemeyi korumak için bu kuvvet karşıt bir güç tarafından etkisiz olmalıdır.Basınç yatakları şaft yatakları için kullanılabilir,rotor yardımcı pistonları kullanabilir.Bu rotor iki çıkışlarından çıkan ve gövdenin ortasından giren ya da bunların kombinasyonu çift akışlı buhar olabilir.Çift akışlı rotorda zıt şekillerdeki her yarım yüz kanatlardan dolayı eksenel kuvvetler birbirlerini iptal ederler fakat teğetsel kuvvetler birlikte hareket ederler.Bu taslak iki akış,çift eksenel akış ya da çift egzoz olarak adlandırılır.Bu düzenleme çift şaftlı türbinin düşük basınçlı gövdesinde yaygındır.

Işletme Ve Tasarım Prensibi

İdeal buhar türbini, bir izantropik ya da sabit entropi süreci olarak kabul edilir.Türbine giren buharın entropisi türbinden ayrılan buharın entropisiyle eşittir.Hiçbir buhar türbini gerçekten izantropik değildir.Türbin uygulaması tipik izantropik verimliliğiyle %20-90 ına uzanır.Türbin içi kanatlarla birkaç setleri oluşturur.Sabit kanatların bir seti gövdesiyle bağlanır ve dönen kanatların bir seti şaftla bağlanır.Verimli bir şekilde çeşitlenen belirli minumum temizlemeyle ,setlerin şekil ve boyutuyla birbirine bağlanan setler her aşamada buharın genişmesini kullanır.

Türbin Verimi

Türbin verimini maksimize etmek için birkaç aşamada buhar genişletilir.Bu aşamalar enerjinin bu aşamalardan nasıl çıkartıldığını ve uyarı veya tepki türbini olarak bilinip bilinmemesi ile karakterize edilir.Çoğu buhar türbini bir tepki ve uyarı dizaynı karışımı kullanır:her aşama biri veya diğeri gibi davranır ama bütün türbinler ikisini de kullanır.Tipik olarak,yüksek basınç bölümleri tepki tipi ve alçak basınç aşamaları uyarı tipidir.

Ani Etkili Türbin

Ani etkili türbin, yüksek hızlı jetlerin içine buhar akışını yünlendiren sabit nozullara sahiptir.Bu jetler, buhar jet yönünü değiştirirken kova şeklindeki rotor kanatları tarafından şaft dönmesini değiştiren önemli bir kinetik enerjiye sahiptirler.Aşama karşısında buhar hızı içinde net bir artışla sadece sabit kanatlar karşısında basınç düşüşü oluşur.Buhar nozullar boyunca aktığından dolayı ,basıncı giriş basıncından çıkış basıncına düşer.(atmosfer basıncı ya da genellikle kondensetor vakum).Buharın genişlemesi yüksek oranda olmasından dolayı, buhar çok yüksek hızla nozullardan ayrılır.Hareketli kanatlardan ayrılan bu buhar buharın maksimum hızında yüksek kısma sahiptir.Daha yüksek çıkış hızından dolayı enerji kaybı yaygın olarak hız üzerinde taşıma ya da kayıp bırakma olarak adlandırılır.

Momentumun moment kanunu , geçici kontrol hacmini tutan bir akışkanın, hareket eden dış kuvvetlerin momentlerinin toplamının, kontrol hacmi boyunca açısal momentum akışının net zaman değişimine eşit olduğunu açıklar.

Dönen akışkan, teğetsel bir hızla $V_{w1}$ , $r_{1}$ yarıçapından kontrol hacimle girer ve teğetsel hızla $V_{w2}$ , $r_{2}$ yarıçapında ayrılır.

Bir hız üçgeni , çeşitli hızlar arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamayı kolaylaştırır.Yandaki şekilde ;

V_{1}

ve

V_{2}

ayrı ayrı giriş ve çıkışta mutlak hızlardır.

V_{f1}

ve

V_{f2}

ayrı ayrı giriş ve çıkışta akış hızlardır.

V_{w1}+U

ve

V_{w2}

ayrı ayrı giriş ve çıkışta dönen hızlardır.

V_{r1}

ve

V_{r2}

ayrı ayrı giriş ve çıkışta bağıl hızlardır.

U_{1}

ve

U_{2}

ayrı ayrı giriş ve çıkışta kanat hızlarıdır.

\alpha

ve

\beta

kanat açısıdır.

Momentumun moment kanunu ile sıvıdaki tork şu şekilde verilir;

           $T={\dot {m}}(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1})$

Ani dürtü türbini için, $r_{2}=r_{1}=r$ 'tir. Bu yüzden kanatlar üstündeki teğetsel kuvvet $F_{u}={\dot {m}}(V_{w1}-V_{w2})$ Birim zamanda yapılan iş veya güç şu şekildedir; ${W}={T*\omega }$

ω ,türbinin açısal hızı olduğunda, kanat hızı ${U}={\omega *r}$ .O zaman güç $W={\dot {m}}U({\Delta }V_{w})$

Kanat Verimi

Kanat verimi ( ${\eta _{b}}$ ) şu şekilde açıklanabilir; ${\eta _{b}}={\frac {Work~Done}{Kinetic~Energy~Supplied}}={\frac {2UV_{w}}{V_{1}^{2}}}$

Basamak Verimi

Çarpma etkili türbinin bir basamağı bir nozul set ve bir hareketli çark içerir. Basamak verimi nozuldaki entalpi düşümü ve basamakta yapılan iş arasındaki ilişkiyi tanımlar. ${\eta _{stage}}={\frac {Work~done~on~blade}{Energy~supplied~per~stage}}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}$

Burada ${\Delta h}=h_{2}-h_{1}$ nozuldaki buharın belirli entalpi düşüşüdür.

Termodinamiğin ilk kanunda: ${h_{1}}+{\frac {V_{1}^{2}}{2}}={h_{2}}+{\frac {V_{2}^{2}}{2}}$

$V_{1}$ ’in $V_{2}$ ’den belli derecede düşük olduğu kabul edilirse, şu sonuç çıkar; ${\Delta h}$ ≍ ${\frac {V_{2}^{2}}{2}}$ .Üstelik basamak verimliliği kanat verimliliği ve nozul verimliliğin bir ürünüdür veya ${\eta _{stage}}={\eta _{b}}*{\eta _{N}}$ .Nozul verimliliği ${\eta _{N}}$ = ${\frac {V_{2}^{2}}{2(h_{1}-h_{2})}}$ ile gösterilir, nozulun girişindeki buharın entalpisi (in J/Kg) $h_{1}$ ’dir ve nozulun çıkışındaki entalpisi $h_{2}$ . ${\Delta V_{w}}=V_{w1}-(-V_{w2})$ ${\Delta V_{w}}=V_{w1}+V_{w2}$ ${\Delta V_{w}}={V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}}$ ${\Delta V_{w}}={V_{r1}\cos \beta _{1}}(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}})$

Çıkıştaki ve girişteki kanat açılarının kosinüslerinin oranı alınabilir ve ${c}={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}$ ile gösterilir.Kanadın girişindeki ve çıkışındaki rotor hızının buhar hızına göreli oranı sürtüne katsayısıyla belirlenir ${k}={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}$ . $k<1$ ve buhar kanat etrafında aktıkça, sürtünmeden dolayı göreli hızdaki azalmayı gösterir.( $k=1$ for smooth blades). ${\eta _{b}}={\frac {2U\Delta V_{w}}{V_{1}^{2}}}={\frac {2U(\cos \alpha _{1}-U/V_{1})(1+kc)}{V_{1}}}$

Girişteki kanat hızının mutlak buhar hızına oranı kanadın hız oranı olarak adlandırılır ${\rho }$ = ${\frac {U}{V_{1}}}$ ${\eta _{b}}$ maksimumdur, ${d\eta _{b} \over d\rho }=0$ ya da ${\frac {d}{d\rho }}(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc))=0$ . Bu gösterir ki ${\rho }={\frac {\cos \alpha _{1}}{2}}$ ve bundan dolayı, ${\frac {U}{V_{1}}}={\frac {\cos \alpha _{1}}{2}}$ . Şimdi ${\rho _{opt}}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {\cos \alpha _{1}}{2}}$ (tek basamaklı çarpma türbini için)

Öyleyse, basamak verimliliğinin en büyük değeri ${\frac {U}{V_{1}}}={\frac {\cos \alpha _{1}}{2}}$ ifadesindeki ${\eta _{b}}$ / değerini koyarak elde edilir.

Ve elimize şu geçer; ${(\eta _{b})_{max}}=2(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2})(1+kc)={\frac {\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}{2}}$ .

Eşit açılı kanatlar için, $\beta _{1}=\beta _{2}$ , öyleyse $c=1$ ve elimize şu geçer; ${(\eta _{b})_{max}}={\frac {cos^{2}\alpha _{1}(1+k)}{2}}$ . Kanat yüzeyinde kaynaklanan sürtünme ihmal edilirse; ${(\eta _{b})_{max}}={\cos ^{2}\alpha _{1}}$ .

Maksimum verimlilikteki sonuçlar

${(\eta _{b})_{max}}={\cos ^{2}\alpha _{1}}$

1.Verilmiş buharı hızının kilogram başına yaptığı iş ${\cos ^{2}\alpha _{1}}=1$ veya $\alpha _{1}=0$ iken maksimum olur.

2. $\alpha _{1}$ yükseldikçe, kanatlarda yapılan iş düşer ama aynı zamanda, kanadın yüzey alanı da azalır, öyleyse daha az sürtünme kaybı olur.

Reaksiyon Türbinleri

Reaksiyon türbinlerinde rotor kanatlarının kendileri yakınsak nozul oluşturacak şekilde düzenlenir. Bu tür türbinler buhar rotor tarafından şekillendirilmiş nozullara doğru hızlandıkça üretilen reaksiyon kuvvetinde kullanılır. Buhar statorun sabitlenmiş kanatçıkları tarafından rotora yönlendirilir. Rotorun tüm çevresini dolduran bir jet gibi statoru terk eder. Ve sonra buhar yön değiştirir ve kanatların hızına göreli olan hızını azaltır. Rotor ve statorda buharın basamağa doğru olan hızında hiçbir net değişme olmadan ama rotorun ilerlemesindeki işe etki ederek basınçtaki ve sıcaklıktaki düşmeyle, statora doğru hızlanması ve rotora doğru yavaşlamasıyla, basınç düşmesi yaşanır.

Kanat Verimliliği

Bir basamakta kanada enerji girişi:

$E={\Delta h}$ sabit kanatlara (f) sağlanan kinetik enerji + hareketli kanatlara sağlanan kinetik enerjiye(m) eşittir.

Veya ${E}$ = sabit kanatların üzerindeki entalpi düşümü, ${\Delta h_{f}}$ + hareketli kanatların üzerindeki entalpi düşümü, ${\Delta h_{m}}$ . Kanatların üzerindeki buhar genişlemesinin etkisi çıkıştaki göreli hızın yükselmesidir. Öyleyse çıkıştaki göreli hız $V_{r2}$ daime girişteki göreli hızdan büyüktür $V_{r1}$ . Hız açısından, hareketli kanatlardaki entalpi düşümü şöyle gösterilir: ${\Delta h_{m}}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}$ (statik basınçtaki değişme katkı yapar) Sabit kanatlardaki entalpi düşümü, sabit kanatlara giren buhar hızının önceden hareketli kanatlardan çıkan buhar hızıyla aynı olduğu kabul edildiğinde, söyle gösterilir:

${\Delta h_{f}}$ = ${\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}$ = V₀ nozuldaki girişteki buhar hızıdır. $V_{0}$ çok küçüktür ve ihmal edilebilir.

Öyleyse, ${\Delta h_{f}}$ = ${\frac {V_{1}^{2}}{2}}$

$E={\Delta h_{f}+\Delta h_{m}}$

$E={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}$

Çok kullanılan bir tasarım yarım reaksiyon seviyesine veya %50 reaksiyona sahiptir ve bu Parson’un türbini olarak bilinir. Simetrik rotor ve stator içerir. Bu türbin için hız üçgeni benzerdir ve şöyledir:

$\alpha _{1}=\beta _{2}$ , $\beta _{1}=\alpha _{2}$

$V_{1}=V_{r2}$ , $V_{r1}=V_{2}$

Parson’un türbinin kabul ederek ve elimizdeki tüm ifadeleri alarak:

${E}={V_{1}^{2}}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}$

Girişteki hız üçgeninden şunu elde ederiz;

${V_{r1}^{2}}={V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$

${E}={V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}}$

${E}={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}$

Yapılan iş (saniyede akan birim kütle): ${W}={U*\Delta V_{w}}={U*(2*V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}$

Öyleyse kanat verimliliği şöyledir:

${\eta _{b}}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}$

Maksimum Kanat Verimliliği

Eğer , ${\rho }={\frac {U}{V_{1}}}$ , o zaman

${(\eta _{b})_{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}}$

Maksimum verimlilik için ${d\eta _{b} \over d\rho }=0$ ,şunu elde ederiz;

${(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1})(4\cos \alpha _{1}-4\rho )-2\rho (2\cos \alpha _{1}-\rho )(-2\rho +2\cos \alpha _{1})=0}$

Ve sonunda şunu verir: ${\rho _{opt}}={\frac {U}{V_{1}}}={\cos \alpha _{1}}$

Öyleyse ${(\eta _{b})_{max}}$ kanat verimliliği ifadesindeki ${\rho }={\cos \alpha _{1}}$ değerini koyarsak bulunur.

${(\eta _{b})_{reaction}}={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}$

${(\eta _{b})_{impulse}}={\cos ^{2}\alpha _{1}}$

İşlem Ve Sürdürme

Buhar devrelerinde kullanılan yüksek basınç yüzünden, buhar türbinleri ve onların gövdelerinde yüksek ısıl atalet vardır. Kullanım için buhar türbinleri ısıtıldığında, ana buhar supapları durdurur (kazandan sonra), kızgın buharın supapları pas geçebilmesi için direk olarak bir hatta sahip olur ve buhar türbiniyle sistem boyunca hatları ısıtmaya devam eder. Döndürme dişlisi, dengesiz genleşmeyi önlemek için olan düzenli sıcaklığı koruyan türbini döndürecek buhar yokken kullanılır. İlk olarak, rotoru düzgün bir yüzey (eğrilik olmayan) kabul ederek döndürme dişlisiyle türbini döndürdükten sonra döndürme dişlisinin kullanımı biter ve buhar ilk önce kıçtaki türbine, sonra da öndeki türbine gider. Büyük buhar türbinleri için ısıtma prosedürü on saati aşabilir.

Normal işlemlerde, rotor dengesizliği yüksek döndürme hızı nedeniyle kanatların rotordan kasaya doğru kopmasına neden olabilecek titremeye sebep olabilir. Bu riski azaltmak için, önemli derecede efor türbini dengelemek için sarf edilir. Ve türbinler yüksek kaliteli buharla çalıştırılır; ya kızgın (kuru) buhar ya da yüksek kurulukta doygun buhar. Bu yoğunlaştırılmış suyun kanatlara çarptığında ortaya çıkan kanatların çarpmasını ve aşınmasını önler (nem devam eder). Ayrıca, kanatlara giren sıvı su türbin milinin taşıyıcı yatağına zarar verebilir. Bunu engellemek için kazandaki sıcak buharı korumak için yapılan kontroller boyunca kondensat boru türbine yönlenen buhar şeridine kurulur

Modern buhar türbinlerinin bakımı kolay ve ucuzdur (genellikle kWh başına $0.005 civarında );çalışma süreleri çoğu zaman 50 yılı aşar.

Hız Düzenlemesi

Bir türbinin kontrolünün bir regülatör ile yapılması önemlidir çünkü zararı önlemek için yavaş çalıştırılması gerekir ve bazı uygulamalar (mesela alternatif elektrik akımı üretimi) ince hız ayarları gerektirir. Türbin rotorunun kontrolsüz hızlandırılması türbine giden buhar akışını kontrol eden nozul supaplarının kapanmasına neden olan yüksek hız tribine sebep olabilir. Eğer bu başarısız olursa, türbin çoğunlukla felaket boyutlarında parçalanana kadar, hızlanmaya devam eder. Türbinleri yapması pahalıdır. İnce üretim ve özel kalitede materyaller gerektirir. Elektrik ağıyla senkronizasyondaki normal süreç boyunca, enerji santrali yüzde beşlik droop hız kontrolüyle yönetilir. Bu şu anlama geliyor, tam yük hızı %100 ve yüksüz hız %105. Enerji santrallerinin yitimi ve çevrinmesi olmadan ağın sabit işlemi için bu gereklidir. Normalde hızdaki değişim küçüktür. Güç çıkışındaki ayarlamalar merkezkaçlı regülâtördeki baskı yayını yükselten droop eğrisini yavaşça yükselterek yapılır. Genellikle tüm enerji santralleri için basit sistem gerekliliği budur çünkü eski ve yani santraller sıklıktaki ani değişimlere dışarıyla iletişime gerek duymadan uyumlu olmak zorundadır.

Buhar Türbinlerinin Termodinamiği

Buhar türbini bitişikteki diyagramda gösterilen rankin çevriminin 3 ve 4üncü kısımlarının kullanan termodinamiğin basit prensipleriyle çalışır. Kızgın buhar (veya uygulamaya göre doygun kuru buhar) yüksek sıcaklıkta ve basınçtaki kazandan çıkınca türbine girer. Yüksek sıcaklıktaki ve basınçlı buhar nozul (çarpma etkili türbinde sabit bir nozul veya reaksiyon türbininde sabit kanarlar) kullanılarak kinetik enerjiye dönüştürülür. Buhar nozulu terk edince, yüksek sıcaklıkta hareket eder ve türbinin kanatlarına gönderilir. Kanatların üzerindeki onları hareketine neden olan buhar basıncı yüzünden kanatlarda bir kuvvet oluşur. Bir jeneratör veya diğer aletler milin üzerine yerleştirilebilir ve buhardaki enerji depolanabilir ve kullanılabilir. Gaz türbini girdiğinden daha yüksek sıcaklıkta ve basınçta doymuş buhar(uygulamaya göre sıvı buhar karışımı) olarak terk eder ve soğutulmak üzere konsendere gönderilir. Eğer ilk kurala bakarsak, birim kütle için geliştirlien işteki orana karşılık bir eşitli buluruz. Eğer çevreye doğru olan ısı kaybının olmadığını kabul edersek ve belli bir entalpideki değişime oranladığımızda kinetik ve potansiyel enerjideki değişimi ihmal edersek, şu eşitliğe ulaşırız;

${\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}$

Ẇ ; birim zaman başına geliştirilen işteki oran.
ṁ ; türbine doğru akan kütlenin oranı.

İzantropik Verim

Türbinin ne kadar iyi çalıştığını ölçmek için, izantropik verime bakabiliriz. Bununla türbinin gerçek performansıyla ideal izantropik türbinin başarabileceği performansı karşılaştırırız. Verimliliği hesaplarken, çevreye olan ısı kaybının sıfır olduğu kabul edilir. Başlangıç basıncı be sıcaklığı gerçek ve ideal türbinde aynıdır ama türbinin çıkışında, gerçek türbin için enerji içeriği (spesifik entalpi) gerçek türbinin tersinmezliği yüzünden ideal türbinin için olandan farklıdır. Spesifik entalpi ikisi arasında daha güzel bir karşılaştırma yapabilmek için gerçek ve ideal türbinde aynı değerlendirilir. İzantropik verim gerçek işi ideal işe bölerek bulunur.

$\eta _{t}={\frac {h_{3}-h_{4}}{h_{3}-h_{4s}}}$

h₃ üçüncü basamaktaki spesifik entalpi .
h₄ gerçek türbin için dördüncü basamaktaki spesifik entalpi.
h_4s izantropik türbin için dördüncü basamaktaki spesifik entalpi.

Direk Bağlama

Elektrik güç istasyonları dünyadaki elektriğin çoğunu(%80 kadar) üretmek için elektrik jeneratörlerine bağlı buhar türbinlerini kullanır. Büyük çaplı pistonlu buhar makilerine hantal olduğundan ve yavaş çalıştığından, buhar türbinlerinin gelişimi merkezi elektrik jeneratörlerini pratik hale getirdi. Çoğu elektrik santrali kömür santrali ve nükleer santraldir; bazı tesisatlar buhar yaratmak için jeotermal buhar veya konsantre güneş enerjisi (CSP)kullanırlar. Buhar türbinleri termik santrallerdeki besleme suları gibi büyük santrüf pompaları sürmek için kullanır.

Elektrik enerjisi üretimi için kullanılan türbinler genellikle direk olarak jeneratörlerine birleşiktir. Elektrik güç sistemlerinin sıklığına göre eş zamanlı sabit hızlara döndürülmek zorunda olduğundan, en büyük ortak hız 50 Hz sistemleri için 3,000 RPM, ve 60 Hz sistemleri için 3,600 RPM. Nükleer reaktörlerin ısı limiti düşük gaz kaliteli fosil yakıtlı santrallerden düşük olduğu için, türbin jeneratör setleri bu hızın yarısında çalışmaya ayarlanabilir ama türbin kanatlarındaki aşınmayı azaltmak için dört kutuplu jeneratörlerle.

Deniz Propulsiyonu

Buharla çalışan gemilerde, buhar türbinlerinin pistonlu motorlara karşı avantajı küçük boyutlu, kolay bakımlı, hafif ve az titreşimli olmasıdır. Bir buhar türbini, sadece binlerde RPM’de çalışırken etkilidir ama en etkili çark dizaynları 300 RPM’den düşük hızlar içindir. Sonuç olarak Turbinia gibi birinci dünya savaşı sırasında kullanılan çok sayıda gemi buhar türbinlerinden çark millerine direk bağlı olmalarına rağmen, hassas (dolayısıyla pahalı) küçültme dişlisi genellikle gereklidir. Diğer alternatif yüksek hızlı türbinle çalıştırılan bir elektrik jeneratörünün bir veya daha fazla az hızlı çark millerine bağlı elektrik motorlarını çalıştırmak için kullanıldığı turbo-elektrik iletimidir; hassas diş kesimi savaş sırasındaki darboğazın bir ürünü olabilir. Turbo-elektrikli çalıştırma birinci dünya savaşsı sırasında büyük US savaş gemilerinde ve bazı fast linerlarda en çok kullanılandır ve ikinci dünya savaşında birlik transferinde ve toplu üretim yıkıcı eskortlarda kullanıldı. Türbinlerin alım fiyatı, çok daha az yakıt ve bakım masrafı ve küçük boyutlu türbinle, eşit enerjili pistonlu motorlarla karşılaştırıldığında dengelenir. Ama 1950lerden, dizel motorların büyük güvenilirliği ve yüksek verimliliği vardı: itici buhar türbini çevrimlerinin verimlilikleri ilerde %50yi geçebilir ama dizel motorları, günümüzde, özellikle deniz uygulamalarında genellikle %50yi aşıyor. Dizel enerji istasyonlarının işletim masrafları düşüktür çünkü az işlem gerektirmektir. Öyleyse, bilinen buhar gücü yeni gemilerin çok azında kullanılıyor. Tekrar sıvılaştırmaktansa, buhar türbiniyle boil-off gaz kullanmayı daha etkili bulan LNG carriers bir istisnadır.

Nükleer enerjili gemiler ve deniz altılar türbinlere buhar sağlamak için nükleer reaktör kullanır. Nükleer enerji genellikle dizel enerjisinin pratik olmadığı denizaltı uygulamaları gibi ya da lojistik ikmalin sorun çıkardığı buzkıran uygulamalarında kullanılır. Royal Navy’nin Vanguard-class denizaltıları için olan reaktör yakıtının dünyanın etrafında 40 kez dönmeye yettiği tahmin ediliyor ki bu bir deniz taşıtının servis ömrü için yeterlidir. Nükleer tahrik bakımın, nükleer sistemdeki düzenleri kontrollerin pahalılığı ve yakıt döngüsünün pahalılığı nedeniyle sadece birkaç ticareti deniz aracına uygulanır.

İlk Gelişmeler

1894-1935 arasındaki deniz propulsiyonu buhar türbinlerinin gelişimi türbinin toplam masrafı pistonlu motorlarla yarışan gemi pervanelerinin düşük enerji hızlı(300 rpm’den az) yüksek verimli hız ihtiyacının sağlamak için kullanıldı 1894’de, verimli küçültme çarkları gemiler için gerekli yüksek enerji için uygun değildi, yani doğrudan bağlama gerekliydi. Pervane miline doğrudan bağlı olan Turbinia’da, türbinin verimli hızı birkaç denemeden sonra buhar akışını direk bağlamalı seri halinde üç türbine de (her milde bir tane) yönlendirerek azalır –serilerde yaklaşık toplamda 200 türbin basamağı yürütülür. Ayrıca, yüksek hızda çalışmak her milde 3 pervane vardır. Dönemin yüksek mil hızları türbin enerjili USS Smith isimli 1909 yılında açılışı yapılmış olan ve 3 mili 28.35 knots’da 724 rpm’de dönen direk bağlama türbinleri olan ilk US destroyerinde gösterilmiştir. Seride birbirine buhar veren birkaç kasadaki türbinlerin kullanımı aşağıdaki deniz propulsiyonu uygulamalarında standart hale geldi ve bir çift şaftlı formudur. İlk türbin yüksek basınçlı (HP)türbindir, son türbin düşük basınçlı (LP)ve bunların arasında kalan her türbin normal basınçlı (IP)türbindir. Turbinia’dan sonraki düzenlemeler, 1934 yılında açılışı yapılan, her şafta serideki tek kademeli küçültme şanzımanın iki giriş milinin sonuna bağlı dört türbin tarafından enerji sağlanan Long Beach, California’daki RMS Quenn Mary’de görülebilir. Bunlar HP, ilk IP, ikinci IP ve LP türbinleridir.

Seyir Mekanizmaları Ve Dişliler

Gemilerdeki seyir hızları ele alındığında ekonomi en önemli parametrelerden biridir. Seyir hızı, kabaca bir savaş gemisinin maksimum hızının yarısıdır ve bu geminin maksimum gücünün %20-25 ine tekabül eder. Yakıt tasarrufu için uzun yolculuklarda bu hız kullanılmalıdır. Bu, pervane hızlarını verimli bir seviyeye getirmesine rağmen, türbin verimini oldukça düşürür. Bu yüzden eski türbinlerle çalışan gemilerin seyir seviyeleri oldukça düşüktür. Birçok buhar tirbünün propulsiyon evresinde işe yarayan çözümlerden biri seyir türbinidir. Bu, daha fazla safha ekleyebilmek için bir ya da daha fazla şafta direk olarak bağlı olan, kısmen HP türbini boyunca bir safhanın takip ettiği ekstra bir türbindir ve yüksek hızlarda kullanılmaz. 1911’ de küçültme dişlilerinin bulunmasıyla bazı gemiler, özellikle USS Nevada, bunları, doğrudan sürücülü türbinleri koruyarak seyir türbinlerinde kullanmıştır. Küçültme dişlileri türbinlerin şafta kıyasla çok daha hızlı ve verimli çalışmalarını sağlar ama üretimleri pahalıdır. Seyir türbinleri yakıt tasarrufu açısından pistonlu motorlara göre daha verimliydi. Seyir türbinlerinin hızlı gemilerde pistonlu motorların yerini almasına Titani örnek verilebilir. ABD deniz kuvvetleri seyir türbinlerini 1909’ da kullanılmaya başlanan „Delaware-class battleships“ de kullandıktan sonra 1912’ de kullanılan „New York-class battleships“ pistonlu motorlara geri dönmüştür. Daha sonra 1914‘ te „Nevada“ da tekrar türbin kullanmıştır. Pistonlu motorların ikinci plana düşmesinin nedeni ABD donanmasının 1. Dünya Savaşı’ ndan sonra 21 deniz milini aşan gemiler yapmayı planlamamasıdır. Yakıt tasarrufu, yüksek hızdan daha önemliydi. 1898’ de ABD Filipinler’ i ve Havai’ yi ele geçirdi ve İngiliz donanmasının dünya çapındaki kömür istasyonu ağının yokluğunu çekti. Bu yüzden 1900-1940 arasında, özellikle 1. Dünya Savaşı’ndan sonra Japonya ile savaş arayışı içindeyken, ABD donanması yakıt tasarrufu için herhangi bir ülkeye muhtaçtı. Bu ihtiyacı, ABD’nin 1908-1920 arasında hiç kruvazör üretmemesi ve bunun sonucu olarak destroyerleri kruvazörlerin yerine uzak görevlere göndermek zorunda kalınması artırmıştır. Sonuç olarak 1908-1920 arası üretilen destroyerların seyir problemlerine çeşitli çözümler üretilmiştir. Bu çözümlerden biri, bir ya da iki milin üzerine pistonlu motoru ve çarklı veya çarksız seyir türbinini birlikte yerleştirmekti. Ama tam çarklı türbinlerin hem üretim maliyeti hem de yakıt tüketimi bakımından ekonomik olduğu anlaşıldıktan sonra çoğu gemide sadece bu türbinler kullanılmıştır. 1915’ in başlarında İngiliz donanmasındaki bütün destoyerlerin tamamında tam çarklı türbinler kullanılmıştır. Bunu 1917 ABD takip etmiştir. İngiliz donanmasında Jutland Savaşın’ a(1916’ nın ortaları) kadar hız birincil önem taşımaktaydı. Jutland Savaşı’ nda yüksek hız elde etmek uğruna savaş gemisinin zırhından çok fazla fedakarlık edildiği görüldü. İngilizler 1906’dan itibaren sadece türbinli gemi kullanmaya başladılar çünkü büyük bir imparatorluk olmaları uzak yolculuklara uygun gemileri gerektiriyordu. 1935’ te ABD donanması ”Mahan-class destroyer“ larında ilk defa çift kademeli devir düşürücü dişli donanımı kullandı. Bu türbin hızının mil hızının da üstüne çıkması sağladı.Ayrıca türbinler tek kademeli devir düşürme donanımındakinde daha küçük olabiliyordu. Bununla beraber buhar basıncı ve sıcaklığı da devamlı olarak arttı. Çift kademeli küçültme şanzımanına bağlı olan eksenel akımlı yüksek basınç türbini ve çift eksenel akımlı alçak basınç türbininden oluşan bir yapı oluştu. Bu yapı ABD donanmasındaki ve İngiliz donanmasındaki buhar türbini döneminde varolmaya devam etti. Bu yapı 2. Dünya Savaşı’ ndan kalan çoğu gemide gözlenebilir. 1950lerin başlarında ABD donanmasında çoğu uçak gemisi ve savaş gemisi 8.28 MPa/510 C buharı kullandı[34]. Buharlı savaş gemileri dönemi 1970’lerde Knox-class frigates in üretilmesine kadar devam etti. 2. Dünya Savaşı‘ ndan 2001‘ de nükleer yakıtlı gemilerin üretilmesine kadar taşıma ve mühimmat gemileri 4.14 MPa buhar basıncını kullanmaya devam etti. Nükleer yakıtlı gemilerin dışında, günümüzde gaz türbinleri ve dizel motorlar kullanılmaktadır.

Turbo-Elektrik Çalıştırma Sistemi

Turboelektrik sistemi ilk defa 1917’ de USS New Mexico gemisinde kullanıldı. İlerleyen 8 yıl içinde ABD donanması turboelektrik sistemle çalışan 5 savaş gemisi ve 2 uçak gemisi daha üretti. 10 tane daha büyük savaş gemisi üretilmesi planlanıyordu ancak Washington Denizcilik Antlaşması’na aykırı olduğu için iptal edildi. Bu sistem, 4 mile elektrik gücü sağlamak için 2 büyük buhar türbiniyle çalışıyordu. Bu sistem devir düşürme çarklı sisteme nazaran daha az maliyetliydi ve gemi daha fazla manevra kabiliyeti sağlıyordu. Bazı okyanus gemileri, asker taşıma gemileri ve destroyer eskortları da turboelektrik sistemle çalışmaktaydı. Ancak, ABD “antlaşma kruvazör“ lerinde ve sonrasında üretilen gemilerinde çarklı türbinler kullanmıştır.

Lokomotifler

Ana Makale: Buhar türbinli lokomotif Buhar türbinli lokomotif motoru, buhar türbini ile çalıştırılan bir motordur. Buhar türbinli lokomotiflerin en önemli avantajları dönüş dengelerinin yüksek olması ve düşük tokmak darbelerine sahip olmalarıdır. Dezavantajı ise elde edilen gücün değiştirilememesine bağlı olarak, sadece uzun mesafeli yolculuklar için uygun olmasıdır. İlk buhar türbinli tren 1908’de Milan’da “Officine Meccaniche Miani Silvestri Grodona Comi“ için üretilmiştir. 1924’te Krupp firması Deutsche Reichsbahn için buhar türbinli tren üretmiştir.

Test

Buhar türbinleri için yapılan testler belirli prosedürler ve tanımlar dâhilinde standardize edilmiştir. Üretici ve tüketici arasındaki anlaşmaya ve türbinin dizaynına bağlı olarak istenen standartlar seçilir. ASME(American Society of Mechanical Engineers) buhar türbinleri üzerine birçok test kodu üretmiştir. ASME PTC 6-2004, ASME PTC 6.2-2011, PTC 6S-1988 bunlardan birkaçıdır. Bu standartları uluslararası geçerlilik taşımaktadır. Bu standartların en önemli özelliği, hata payının minimize edilmediği testleri ticari değer taşımadığını belirtmesidir.

Kaynak

Buhar Türbini ="Buhar Türbini">[http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_turbine