Turbiinid

Kuniks mehaanikas liiguvad asjad sirgjooneliselt on kõik lihtne. Pane nad pöörlema või võnkuma ja kõik on peapeale pööratud”

Keskmine tudeng füüsika loengus 

Energiatehnoloogia Erialavõistluse esimese teooria ülesanne teemaks on turbiinid ja pöördliikumine, mille puhul on tegemist ühe olulisema komponendiga energeetikas alates tööstusrevolutsiooni aegadest. Kõige enam kasutatakse turbiine energeetikas, eeskätt erinevat tüüpi elektrijaamade elektrigeneraatorite jõumasinatena. Lisaks leiavad turbiinid kasutust reaktiivmootorites (lennukimootorid, laevamootorid) ja sisepõlemismootorite turbokompressorites.  

Ajalugu 

Pilt: Heroni turbiin

Esimene turbiinina käsitletav seade oli pigem kasutusel põneva vigurina ja mänguasjana – Aleksandria Heroni turbiin.  

Erinevaid kirjeldusi auruturbiine meenutavatest seadeldistest leiab ka 16. sajandist (1551. Taqi al-Din Ottomani impeeriumist) ja 17. sajandist (1629. Giovanni Branca Italliast, 1648. John Wilkins Inglismaalt). 

Esimene auruturbiini abil liikuva sõiduki (võiks öelda ka „auto“) disainis 1672. aastal Ferdinand Verbiest.  

Moodsale auruturbiinile sarnaneva seadme loomise au võib anda Charles Parsons’ile, kelle 1884. aastal loodud dünamole kinnitatud turbiin suutis toota 7,5 kW võimsusega elektrivoolu.   

20. sajandi alguses sai turbiinide arendamine tõelise hoo sisse – eraldi võiks välja tuua Rootsi inseneri Gustaf de Laval, kes arendas aktiivturbiine ja Slovakkia inseneri Aurel Stodola, kes arendas gaasiturbiine. 

Tänapäeva soojuselektrijaamades kasutatakse valdavalt kondensatsiooniturbiine ning  koostootmisjaamades enamasti vaheltvõtuga kondensatsiooniturbiine või vasturõhu auruturbiine.  

Hüdroturbiinid on olnud kasutuses ajalooliselt väga ammu – varasemad teadaolevad pärinevad Rooma Impeeriumist, 3-4. sajandist enne meie aega. Sisuliselt on varasemate hüdroturbiinide näol tegemist olnud vesiratastega, mille mehaanilist energiat on kasutatud kasuliku töö tegemiseks. 

Esimesed kirjeldused, mis sarnanevad rohkem tänapäeva hüdroturbiinidega pärinevad 1595. aastast, kuid tõeline arendustöö selles valdkonnas läks lahti 19. sajandi alguses.  

Pilt: Verbiest Turbine car

Turbiinide ehitus 

Pilt: Turbiinid

Sõna ’turbiin’ tuleneb ladina keelsetest sõnadest turbare (pöörlema) ja turbo (pööris) ja tähistab labamasinat, mille suure kiirusega pöörlev tööratas muundab voolava aine energia mehaaniliseks pöördliikumiseks. Turbiine eristatakse neid käitava keha järgi – auruturbiin, tuuleturbiin, hüdroturbiin, gaasiturbiin. Igal neist on veel erinevaid alatüüpe. 

Turbiini põhilised osad on rootor, staator, võll, labad ja düüsid. 

Düüsid (inglise keelses kirjanduses  – nozzle) on avaused, mille kaudu juhitakse voolav keha turbiini labadele. Rootor on turbiini pöörlev mehhanism, millele kinnituvad labad. Rootor pöörleb võllil.  

Mitte kõikidel turbiinidel ei ole staatorit. Staator on turbiini mitteliikuv osa, mille fikseerimise abil on võimalik mõjutada turbiini pöörlemist.  

Turbiine on võimalik eristada ka töölabadele mõjuva jõu järgi – aktiivturbiinid ja reaktiivturbiinid. Aktiivturbiinide puhul mõjub töölabadele ainult labade vahel vooluse suuna muutumise põhjustatud jõud, reaktiivturbiinis kandub töölabadele olulisel määral ka reaktiivjõud, mis tekib vooluse kiirenemisest labade vahel. 

Pilt: Reaktiiv- ja aktiivturbiinid

Turbiinid energeetikas 

Maailma esimene soojuselektrijaam, mis tootis elektrit avalikku võrku oli Edison Electric Light Station, mis rajati Londonisse aastal 1882. Selle võimsus oli 93 kW (võrreldes tänapäeva seadmetega, siis keskmine veekeetja on umbes 2 kW). Samal aastal rajas Edisoni ettevõte oma elektrijaama ka New Yorki, Pearl Street Power Station. Jaam suutis anda elektrit (kasutati peamiselt valguse tootmiseks) kogu Manhattani saare alumisele piirkonnale.  

Erakordne Edisoni jaamade puhul oli see, et toodeti alalisvoolu. See aga pani võrgupiirkonnale peale suured piirangud, kuna elektri edasikandmisega kaasnes märkimisväärne pingelangus.  

Vahelduvvoolu elektrivõrk hakkas arenema 1886. aastal, kui George Westinghouse ehitas vahelduvvoolul põhineva elektri ülekandmise süsteemi kasutades pinge tõstmiseks ja langetamiseks transformaatoreid. Sellisel kujul oli kogu süsteem palju odavam ehitada ning kaod võrgus olid samuti oluliselt väiksemad. Süsteem oli juba üsnagi sellise näoga nagu ta on seda ka tänapäeval.  

Miks on turbiin energeetika seisukohalt nii oluline? 

Vahelduvvoolu tootmiseks kasutatakse generaatoreid, mis muundavad pöördliikumise kineetilise energia elektrienergiaks ehk siis – generaatorit peab miski ringi ajama ja see miski on just nimelt turbiin.  

Auruturbiini abil elektri tootmine on väga vähese paindlikkusega – katlad, reaktorid ja aurugeneraatorid on loodud töötama kindlal võimsusel ning nende koormuse muutmine on väga piiratud, kuna üldiselt on nende koormus seotud nende seadmete mahuga. Lisaks vajavad auruturbiini kindlat töörõhku ja piisavat aurukogust, et tööle hakata. 

Elektri tootmise seisukohalt on suurepärased hüdroturbiinid, kuna nende võimsust on oluliselt lihtsam reguleerida kui auruturbiini oma ja nende pöörlemissagedust on samuti lihtne hoida.  

Tuuleturbiinid, mis on Eesti jaoks olulised taastuvelektri tootmise allikad on sageduse ja võimsuse poolest täiesti juhitamatud.  

Põhjus, miks  elektrivõrgu poole pealt on eelistatud just nimelt auru- ja hüdroturbiinidega tootmisseadmed peitub elektrivõrgu toimimises. Elektrivõrgu, eriti just võrgu ühtede olulisimate komponentide jaoks on ülioluline parameeter sagedus. See peab olema kogu elektrivõrgu ulatuses sama ja sünkroonis, selle jaoks, et kogu voolu ülekande süsteem toimiks.  

Meil Euroopas on elektrivõrgusageduseks 50 Hz, Ameerikas ja mõningal osal Aasiast on võrgus sageduseks 60 Hz. Miks nii – sest ajalooliselt on nii jäänud. Transformaatoritele oleks oluliselt efektiivsem oleks tegelikult töötada märksa kõrgematel sagedustel. Kuna aga võrgu arenemise faasis oli kokku lepitud sagedusega 50 Hz (Euroopas), siis hiljem ei hakatud seda enam muutma, sest see oleks nõudnud liiga suuri investeeringuid seadmete ümbertegemiseks. Lisaks on voolu ülekandmisel aga parem, kui tegemist oleks madalamate sagedustega.  

Elektri tootmise puhul paneb sageduse paika turbiini pöörlemine, mis omakorda paneb paika generaatori pöörlemise. Korrektne sagedus on oluline eeskätt transformaatorite jaoks, mis on kasutusel elektrivõrgu pinge reguleerimisel. Auruturbiinide puhul on pöörlemissagedust on üsnagi hõlbus hoida konstantsena kontrollides turbiini antava auru kogust ja parameetreid. Hüdroturbiinide puhul saab reguleerida vee vooluhulka.  

Turbiinide teema ülesanne 

Eesti suurima potentsiaaliga taastuvelektri allikas on tuul ning tuulegeneraatori võimsust tuule kiiruse ja turbiini laba pikkuse järgi arvutatakse järgmiselt: 

Kus  

P – võimsus (W) 

ρ – õhu tihedus (kg/m3

v – tuule kiirus (m/s) 

r – turbiini laba pikkus (m) 

Suurus  8/27 tuleneb Betz’i piirist ning märgib efektiivsust. 

Eesti tuuleparkide elektri toodangut saab jälgida Eleringi veebis

Eesti elektri tootmist ja tarbimist saab samuti jälgida Eleringi veebis

Tuule kiiruse mõõdetud tulemused on olemas Eesti Ilmateenistuse lehel

  1. Kui suur oli aastal 2020 Eesti suurim tuuleparkide poolt võrku antud elektriline võimsus (MW) ja millal see oli (kuupäev ja tund)? 
    Vastus: suurim võimsus, mis Eesti tuulepargid suutsid 2020. aastal elektrivõrku anda oli 289,2 MW ning see oli 24. veebruaril kell 12.00.
  1. Mis on sellel ajal keskmine tuule kiirus? 
    Vastus: keskmine tuule kiirus sel ajal oli 8,62 m/s. Puhanguline kiirus ei ole keskmine tuule kiirus. 
  1. Arvestades, et Eestis on hetkeseisuga ligikaudu 150 elektrivõrku ühendatud tuulegeneraatorit, kui suur on keskmine turbiini laba pikkus? 
    Vastus: keskmise laba pikkuse leidmiseks oleks vaja kasutada Eesti keskmist tuule kiirust, milleks on 3,5 m/s. Kasutades arvutustes ka keskmist tuulikute poolt genereeritud võimsust (100,3 MW) saame laba pikkuseks 36 m. 
  1. Kui suur oli suurim ja vähim tuuleenergia toodangu osakaal Eesti elektri tarbimises 2020. aastal ja millal (kuupäev ja tund) need väärtused olid? 
    Vastus: suurim tuuleenergia toodangu osakaal Eesti elektritarbimises 2020. aastal oli 38% ning see oli 3. novembril kell 3 öösel, vähim tuuleenergia toodangu Eesti tarbimises oli 29. septembril kell 19.00.
  1. Pildil on näidatud Eesti koostootmisjaamad. Kumb on suurem – kas Eesti tuuleparkide keskmine võimsus või taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus? (jäätmekütus arvestada taastuvkütuseks)
     Vastus: taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus on 144,6 MW, Eesti tuulegeneraatorile keskmine võimsus aastal 2020 oli 100,3 MW, seega oli 2020. aastal taastuvkütustel töötavate koostootmisjaamade elektriline võimsus suurem. 
Elektrijaamad

Lahendusi saad esitada sellel lingil kuni 11. aprill kell 23.59