Турбіна (турбомашинах) являє собою тепловий двигун, в якому потенційна енергія робочого тіла перетворюється в механічну роботу (енергію) обертання ротора. Це обертання здійснюється безперервно в процесі перетворення енергії і може безпосередньо передаватися до рушія (наприклад, генератору або гвинта).
Як робоче тіло може використовуватися вода (гідротурбіна), водяна пара в різних термодинамічних станах (парова турбіна) або газ (газова турбіна). Гідротурбіни не є тепловими двигунами і в нашому курсі не розглядаються За принципом перетворення енергії робочого тіла турбіна істотно відрізняється від інших теплових двигунів, таких, як парова машина або двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). У поршневих двигунах енергія робочого тіла (пари або газу) безпосередньо перетворюється в механічну роботу рухомого поршня за рахунок статичного тиску. За допомогою кривошипно-шатунного механізму зворотно-поступальний рух поршневий групи перетворюється в обертальний рух вала двигуна.
Сукупність соплового або направляючого апарату і вінця робочих лопаток називається турбінної щаблем (ТС). Принципова конструктивна схема найпростішої парової турбіни, що складається з однієї турбінної ступені, представлена на рис.2, де 4 - сопло; 5 - корпус; 3 - робочі лопатки; 2 - диск ротора; 1 - вал; 6 - вихлопної патрубок.
Мал. 3. Принципова схема активної і реактивної турбінних ступенів
Процес перетворення потенційної енергії в механічну роботу може відбуватися по-різному, в залежності від типу турбінної ступені.
Турбінні щаблі, у яких розширення пари (перетворення потенційної енергії в кінетичну енергію) відбувається тільки в нерухомих соплах (напрямному апарату) до надходження його на робочі лопатки, називаються активними.
Турбінні щаблі, у яких розширення пари відбувається не тільки до набрання ним на робочі (рухомі) лопатки, а й під час проходження між ними, називаються турбінними ступенями зі ступенем реакції. Якщо зміна теплосодержания пара при перебігу його в нерухомих і рухомих каналах турбінних лопаток однаково, турбінну щабель прийнято називати реактивної.
Конструкція активних і реактивних ступенів відмінні один від одного. Принципові схеми активної (а) і реактивної (б) турбінних ступенів показані на рис.3. У активних турбінних ступенів направляючий апарат (сопловий) розташований в діафрагмах, закріплених в корпусі турбіни, робочі лопатки кріпляться до диска, жорстко насадив або викував за одне з валом. Для надання більшої жорсткості робочі лопатки між собою кріпляться за допомогою бандажа в пакети по 7 ÷ 12 лопаток.
У реактивної турбінної ступені направляючий апарат кріпиться безпосередньо до корпусу, робочі лопатки кріпляться на роторі барабанного типу. Зазвичай робочі лопатки реактивних ступенів з'єднані між собою в пакети за допомогою зв'язує дроту або демпфирующей (сполучною) дроту.
Таким чином, активні і реактивні ступені мають свої конструктивні особливості:
- в активних щаблях ротор дискового типу;
- в реактивних щаблях ротор виконується у вигляді барабана;
- в активній ступені направляючий апарат виконується у вигляді сопел, розміщених в діафрагмах;
- в реактивної ступені направляючий апарат виконаний у вигляді напрямних лопаток, закріплених на корпусі турбіни.
Корабельні парові турбіни в більшості випадків виконуються багатоступінчатими. Проточна частина турбіни складається з послідовно розташованих один за одним ступенів. Залежно від типу використовуваних ступенів розрізняють:
- активно-реактивні (комбіновані) турбіни.
Відзначимо суттєві переваги і деякі недоліки парових турбін в порівнянні з поршневими двигунами.
Відмітною властивістю турбіни є її швидкохідні. Це властивість турбіни обумовлено безперервністю робочого процесу. Безперервність робочого процесу обумовлює для різних частин турбіни сталість тиску, температури і напружень. Це дозволяє використовувати робоче тіло з високими параметрами, а для робочих органів - високі швидкості, що підвищує економічність і зменшує вагу і габарити турбіни.
Парова турбіна відрізняється простотою конструкції. Всі рухомі частини турбіни роблять тільки обертальний рух, вузли турбіни прості і надійні в експлуатації. Обертові частини турбіни завжди повністю закриті, що робить її безпечною для обслуговування.
Важливою відмінною рисою турбіни є її порівняно велика потужність. зосереджена в одному агрегаті. Ця особливість пояснюється можливістю досягнення високих швидкостей робочого тіла в турбіні, а, отже, великих витрат пара через турбіну. А потужність двигуна прямо пропорційна величині витрати робочого тіла. Якщо у корабельних ДВС сучасної конструкції гранично допустима потужність одного агрегату 18500 квт, то у судовихтурбін - 80000 квт.
Парова турбіна є поки єдиним двигуном, використовуваним в корабельних ядерних енергетичних установках.
До недоліків парових турбін можна віднести:
- погіршення економічності на змінних режимах роботи;
- нереверсивного. і, як наслідок, необхідність в установці спеціальної турбіни для забезпечення реверсу;
- необхідність включення до складу турбозубчатих агрегатів (ТЗА) спеціальної передачі для зниження частоти обертання ротора від турбіни до виконавчого механізму (гребний гвинт, електричний генератор і т.п.). Передача ж, особливо зубчаста, є джерелом звуковий вібрації і шуму.
Незважаючи на зазначені недоліки, роль парових турбін, як в стаціонарній, так і корабельної енергетиці, велика.