Turbiini

Turbiini, jokin erilaisista laitteista, jotka muuttavat nestevirran energian mekaaniseksi energiaksi. Muuntaminen tapahtuu yleensä johtamalla neste paikallaan olevien kanavien tai siipien järjestelmän läpi, jotka vuorottelevat roottoriin kiinnitetyistä siipimäisistä siivistä koostuvien kanavien kanssa. Järjestämällä virtaus siten, että roottorin lapoihin kohdistuu tangentiaalinen voima eli vääntömomentti, roottori pyörii ja työ saadaan talteen.

Turbiinit voidaan luokitella neljään yleiseen tyyppiin käytettävien nesteiden mukaan: vesi, höyry, kaasu ja tuuli. Vaikka samat periaatteet pätevät kaikkiin turbiineihin, niiden erityiset rakenteet eroavat toisistaan niin paljon, että ne on syytä kuvata erikseen.

Vesiturbiini käyttää potentiaalienergiaa, joka syntyy ylävirran vesialtaan ja turbiinista lähtevän vedenkorkeuden (myötävirtauksen) välisestä korkeuserosta, ja muuttaa tämän niin sanotun vedenkorkeuden työksi. Vesiturbiinit ovat noin 2 000 vuotta vanhojen yksinkertaisten vesipyörien nykyaikaisia seuraajia. Nykyään vesiturbiinit käytetään ensisijaisesti sähköenergian tuottamiseen.

Suurin osa sähköenergiasta saadaan kuitenkin sähkögeneraattoreihin kytketyistä höyryturbiineista. Turbiinit saavat käyttövoimansa höyrystä, joka tuotetaan joko fossiilisia polttoaineita käyttävässä tai ydinvoimalla toimivassa generaattorissa. Höyrystä saatava energia ilmaistaan kätevästi turbiinissa tapahtuvana entalpiamuutoksena. Entalpia kuvastaa sekä lämpöenergian että mekaanisen energian muotoja virtausprosessissa, ja se saadaan sisäisen lämpöenergian ja paineen ja tilavuuden tulon summana. Höyryturbiinin läpi kulkeva käytettävissä oleva entalpian muutos kasvaa höyrynkehittimen lämpötilan ja paineen kasvaessa sekä turbiinin ulostulopaineen pienentyessä.

Gasuturbiineissa nesteestä irrotettu energia voidaan ilmaista myös entalpiamuutoksena, joka kaasun osalta on lähes verrannollinen turbiinin läpi tapahtuvaan lämpötilan pudotukseen. Kaasuturbiineissa käyttönesteenä on ilma, johon on sekoitettu kaasumaisia palamistuotteita. Useimmissa kaasuturbiinimoottoreissa on ainakin kompressori, polttokammio ja turbiini. Nämä on yleensä asennettu yhdeksi kokonaisuudeksi, ja ne toimivat täydellisenä voimanlähteenä niin sanotussa avoimessa kierrossa, jossa ilmaa imetään ilmakehästä ja palamistuotteet johdetaan lopulta takaisin ilmakehään. Koska onnistunut toiminta riippuu kaikkien osien integroinnista, on tärkeää tarkastella koko laitetta, joka on itse asiassa polttomoottori, eikä pelkästään turbiinia. Tästä syystä kaasuturbiineja käsitellään artikkelissa polttomoottori.