Turbina a impulsi vs turbina a reazione
Le turbine sono una classe di macchine turbo utilizzate per convertire l'energia in un fluido che scorre in energia meccanica mediante l'uso di meccanismi di rotore. Le turbine, in generale, convertono in lavoro l'energia termica o cinetica del fluido. Le turbine a gas e le turbine a vapore sono macchine turbo termiche, dove il lavoro è generato dalla variazione di entalpia del fluido di lavoro; cioè l'energia potenziale del fluido sotto forma di pressione viene convertita in energia meccanica.
La struttura di base di una turbina a flusso assiale è progettata per consentire un flusso continuo di fluido mentre si estrae energia. Nelle turbine termiche, il fluido di lavoro ad alta temperatura e pressione viene diretto attraverso una serie di rotori costituiti da pale angolate montate su un disco rotante fissato all'albero. Tra ogni disco del rotore sono montate lame fisse, che fungono da ugelli e guidano il flusso del fluido.
Le turbine sono classificate utilizzando molti parametri e la divisione degli impulsi e delle reazioni si basa sul metodo di conversione dell'energia di un fluido in energia meccanica. Una turbina a impulsi genera energia meccanica completamente dall'impulso del fluido quando viene colpito dalle pale del rotore. Una turbina a reazione utilizza il fluido dell'ugello per creare slancio sulla ruota dello statore.
Ulteriori informazioni sulla turbina a impulsi
Le turbine a impulsi convertono l'energia del fluido sotto forma di pressione cambiando la direzione del flusso del fluido quando viene colpito dalle pale del rotore. La variazione della quantità di moto provoca un impulso sulle pale della turbina e il rotore si muove. Il processo è spiegato usando la seconda legge di newton.
In una turbina a impulsi, la velocità del fluido viene aumentata passando attraverso una serie di ugelli prima di essere diretta alle pale del rotore. Le pale dello statore fungono da ugelli e aumentano la velocità riducendo la pressione. Il flusso di fluido con velocità maggiore (slancio) quindi urta con le pale del rotore, per trasferire lo slancio alle pale del rotore. Durante queste fasi, le proprietà del fluido subiscono dei cambiamenti caratteristici delle turbine a impulsi. La caduta di pressione si verifica completamente negli ugelli (cioè gli statori), la velocità aumenta notevolmente negli statori e diminuisce nei rotori. In sostanza, le turbine a impulsi convertono solo l'energia cinetica del fluido, non la pressione.
Le ruote Pelton e le turbine de Laval sono esempi di turbine a impulsi.
Ulteriori informazioni sulla turbina a reazione
Le turbine a reazione convertono l'energia del fluido mediante la reazione sulle pale del rotore, quando il fluido subisce un cambiamento di quantità di moto. Questo processo può essere paragonato alla reazione su un razzo da parte del gas di scarico del razzo. Il processo delle turbine di reazione si spiega meglio usando la seconda legge di Newton.
Una serie di ugelli aumenta la velocità del flusso di fluido nello stadio dello statore. Questo crea una caduta di pressione e un aumento della velocità. Quindi il flusso di fluido viene diretto alle pale del rotore, che fungono anche da ugelli. Ciò riduce ulteriormente la pressione, ma anche la velocità diminuisce a causa del trasferimento di energia cinetica alle pale del rotore. Nelle turbine a reazione, non solo l'energia cinetica del fluido, ma anche l'energia nel fluido sotto forma di pressione viene convertita in energia meccanica dell'albero del rotore.
La turbina Francis, la turbina Kaplan e molte delle moderne turbine a vapore appartengono a questa categoria.
Nella moderna progettazione della turbina, i principi di funzionamento vengono utilizzati per generare una produzione di energia ottimale e la natura della turbina è espressa dal grado di reazione (Λ) della turbina. Il parametro è fondamentalmente il rapporto tra la caduta di pressione nello stadio del rotore e lo stadio dello statore.
Λ=(cambiamento di entalpia nello stadio del rotore) / (cambiamento di entalpia nello stadio dello statore)
Qual è la differenza tra la turbina a impulsi e la turbina a reazione?
In una turbina a impulsi, la caduta di pressione (entalpia) si verifica completamente nello stadio dello statore e nella turbina di reazione diminuisce la pressione (entalpia) in entrambi gli stadi del rotore e dello statore. {Se il fluido è comprimibile, (di solito) il gas si espande in entrambi gli stadi del rotore e dello statore nelle turbine a reazione.}
Le turbine a reazione hanno due set di ugelli (nello statore e nel rotore) mentre le turbine a impulsi hanno ugelli solo nello statore.
Nelle turbine a reazione, sia la pressione che l'energia cinetica vengono convertite in energia dell'albero mentre, nelle turbine a impulsi, solo l'energia cinetica viene utilizzata per generare energia dell'albero.
Il funzionamento della turbina a impulsi è spiegato usando la terza legge di Newton e le turbine di reazione sono spiegate usando la seconda legge di Newton.
