Auruturbiin

Auruturbiin on soojusjõumasin, milles veeauru sise- ja potentsiaalne energia muundatakse esmalt kineetiliseks energiaks, andes auruosakestele ettenähtud kiiruse, mis seejärel dünaamiliselt turbiini rootori labadele mõjudes muundub mehaaniliseks tööks.

Ehituselt on auruturbiinid rotatsioonmasinad, mis koosnevad seisvast kerest ehk staatorist ja selles pöörlevast rootorist, millele on kinnitatud üks või mitu töölabadega tööratast.

Auruturbiinide liigitus

Tööpõhimõtte järgi liigitatakse auruturbiine aktiiv- ja reaktiivturbiinideks.

Aktiivturbiini tööpõhimõte

• Aktiivturbiinides paisub aur ainult staatori külge monteeritud düüsides või juhtlabade vahelistes kanalites. Pöörlemistasandi suhtes sümmeetrilise ristlõikega töölabade vahelistes kanalites aur ei paisu, vaid düüsidest väljuvad aurujoad muudavad töölabade nõgusatel pindadel libisedes üksnes oma liikumissuunda, tekitades töölabadele mõjuvate dünaamiliste jõudude toimel rootorit pöörava momendi

Reaktiivturbiini tööpõhimõte

• Reaktiivturbiinid erinevad aktiivturbiinidest selle poolest, et auru paisumine pärast juhtlabade vahelt väljumist jätkub ka töölabade vahel, kusjuures entalpialangud paisumisel juhtlabade ja töölabade vahel on võrdsed. See tingimus tagatakse juhtlabade ja töölabade sarnase kujundamise abil, milleks on ebasümmeetrilised aerodünaamilised profiilid.

Kummalgi turbiiniliigil on omad eelised ja puudused, mis määravad nende kasutusalad. Aktiivturbiine kasutatakse auru kõrgematel parameetritel ja ehituse lihtsuse ning kompaktsuse tõttu abiturbiinides. Reaktiivturbiinide eelised ilmnevad madalatel aururõhkudel, mistõttu nende kasutusala piirdub tavaliselt suure võimsusega madalsurveturbiinidega. Ehitatakse ka aktiiv-reaktiivturbiine, mis sisaldavad nii aktiiv- kui ka reaktiivastmeid.

Aktiivturbiin

Reaktiivturbiin

• Ehituse järgi võib auruturbiine liigitada rootori telje asendist sõltuvalt horisontaalseteks ja vertikaalseteks.
• Astmete arvu järgi liigitatakse turbiine ühe- ja mitmeastmelisteks. Turbiini astme all mõistetakse rõhuastet, mis aktiivturbiinides on üks düüside komplekt koos selle järel paikneva rootori töölabade ringiga, reaktiivturbiinides üks juhtlabade ring koos selle järel oleva töölabade ringiga.
• Piiratult leiavad kasutamist ka kiirusastmetega aktiivturbiinid. Nendes, nn Curtise turbiinides paisub aur düüsides, kust suunatakse kahe, harvemini kolme töölabade ringiga rootorile. Töölabade ringide vahel paiknevad seisvad juhtlabad, mis muudavad aurujugade suunda. Kiirusastmetega turbiinides paisub aur vaid düüsides, seega on turbiin ühe rõhuastmega, kuid auru kineetilise energia muundumine mehaaniliseks jaotub töölabade ringide vahel, mis koos juhtlabadega moodustavad kiirusastmed. Võrreldes tavalise aktiivturbiini rõhuastmega on rootori ringkiirus kiirusastmete arv korda väiksem. See võimaldab ühes rõhuastmes kasutada suuremat arendatavat võimsust rootori mõõdukal pöörete arvul. See muudab kiirusastmetega turbiini kompaktsemaks, kuid auru suurema kiiruse tõttu esimestes kiirusastmetes on hõõrdekaod suuremad ja turbiini kasutegur vastavalt madalam ja seetõttu kasutatakse seal, kus esmatähtis pole mitte kasutegur, vaid suur võimsus väikese massi ja gabariitide juures.

Auruturbiinid laevadel

Laeva auruturbiinid jagunevad otstarbe järgi pea- ja abiturbiinideks.

• Peaturbiinid on auruturbiinlaevade peamasinad, mis annavad laevale käigu.
• Abiturbiinid käitavad elektrigeneraatoreid või pumpasid.

Kõik peaturbiinid ja suurema võimsusega abiturbiinid, nagu turbogeneraatorid ja suure võimsusega turbopumbad, on horisontaalsed, mitmeastmelised reaktiivturbiinid. Aktiivturbiine kasutatakse laevadel väikese võimsusega abiturbiinides (turboventilaatorid või väiksemad pumbad), mis võivad olla ka vertikaalsed ja üheastmelised.

Võimsates peaauruturbiinides on turbiini astmete arv 15...20 või enamgi, mistõttu rootori pikkuse vähendamiseks ja ringkiiruste hoidmiseks lubatud piirides lõpuastmetes, kus auru erimahu suurenemisest tingituna rootori läbimõõdud labaderingil on väga suured, kujundatakse need turboajamid kahe- või kolmekerelistena, s.t kahe või kolme eraldi turbiinina auru järjestikuse paisumisega kõrgsurve- ja madalsurve või kõrg-, kesk- ja madalsurveturbiinides. Need monteeritakse ühtsele alusraamile ja on kinemaatiliselt seotud hammasratasreduktoriga, mille kaudu nendes turbiinides arendatav võimsus liidetakse ülekandmiseks võlliliinile, tagades ülekandearvude valiku teel samaaegselt rootorite sobivad pöörlemiskiirused.

Abiturbiinides on rõhuastmeid tavaliselt alla 10, mis võimaldab kujundada need ühtse kompaktse turbiinina. Suurtel mootorlaevadel kasutatakse laialdaselt utilisatsioonikateldest saadava auruga töötavaid turbogeneraatoreid, mille võimsus võib küündida 3,5-4%-ni peamasina võimsusest, tagades reisi ajal osaliselt või täielikult laeva elektrivarustuse ilma selleks kütust kulutamata.

Auruturbiinid on mittereverseeritavad masinad, mis nõuab peaturbiinide puhul eraldi tagasikäiguturbiini (kasutatakse kiirusastmetega auruturbiine) või reguleeritava sammuga sõukruvi.

Ajalugu

Tinglikult võib esimeseks auruturbiiniks lugeda umbes 100. aastal kreeka teadlase Heroni Aleksandrias leiutatud Heroni aurujõuseadet (kera), mis pandi auru survel pöörlema. Esimest aktiivturbiini, mida kasutati pulbritampimismasina ajamina, kirjeldas oma raamatus 1629. aastal itaalia arhitekt Giovanni Branca (1571–1645). 1831. aastal kasutas USA mehaanik William Avery oma leiutist - T-toru kujulist reaktiivturbiini - saeveski ajamina.

Auruturbiinide tegelikku kasutamisaja alguseks võib lugeda 1882. aastat, kui prantsuse päritolu Rootsi leiutaja, insener ja tööstur Karl Gustaf Patrik de Laval (1845–1913) tutvustas üldsusele auruturbiini tööpõhimõtet ja ehitas 1883. aastal oma esimese üheastmelise aktiivauruturbiini. 1890. aastal leiutas Laval aurujoale suurema kiiruse andmiseks düüsi, mille tulemusel kasvas aurujoa kiirus ülehelikiiruseliseks ja auruturbiini pöördeid võis olla kuni 42 000 p/min, aga selliste kiiruste juures ei pidanud tolleaegne teras vastu ja labad murdusid.

Laval lõi kiiruse vähendamiseks ka reduktori, kuid nii laevadel kui ka elektrijaamades osutusid edukaiks siiski iiri päritolu inglise inseneri Charles Algernon Parsonsi (1854–1931) leiutatud mitmeastmelised reaktiiv-auruturbiinid. Esimeste turbiinide pöörlemissagedus oli 18 000 p/min ja võimsus 7,5 kW.

1896.aastal patenteeris Prantsusmaal professor Auguste Camille Edmond Rateau (1863–1930) aktiiv-auruturbiini, mis võis töötada väiksematel kiirustel kui reaktiivturbiin ja USA insener Charles Gordon Curtis (1860–1936) leiutas 1903. aastal aktiiv-reaktiivturbiini, milles osa astmeid olid aktiivsed, osa reaktiivsed.

Kõik nimetatud kolm turbiinitüüpi leidsid rakendamist laevajõuseadmetena, sest võrreldes seni kasutusel olnud aurumasinatega oli nende mass ja ruumivajadus kuni 10 korda väiksemad ja kasutegur kuni kolm korda kõrgem.

1894. aastal ehitas C. A. Parsons mitmeastmelise reaktiiv-auruturbiini, mis paigaldati sõukruviga laevale TURBINIA, mille sõidukiiruseks saavutati pärast katsetusi ja sõukruvide täiustamist 1897. aastal 34,5 sõlme. See oli tol ajal enneolematu, kuna kiireimate aurumasinatega sõjalaevade kiirus küündis vaid 27 sõlmeni. Esialgu paigaldati aurturbiine põhiliselt sõjalaevadele, nii olid Inglismaal aastaks 1914 juba kõigil laevadel auruturbiinid.

Auruturbiinid jõudsid kiiresti ka reisilaevadele, üha suuremate ja võimsamate auruturbiinseadmete ehitamist kannustas võistlus Sinise Lindi pärast. 1907. aastal ehitas Cunard Line nelja korstnaga (L=241 m, kogumahutavusega 32000 reisilaevad LUSITANIA ja MAURETANIA mis olid esimesed suured auru-turbiinlaevad. MAURETANIA 4 auruturbiinjõuseadet koguvõimsusega 52 165 kW andsid keskmiseks kiiruseks 27 sõlme.

Enne Esimese maailmasõja algust ehitas Inglismaal laevatehas White Star Line´i viimase aurumasinatega reisiaurikute seeria OLYMPIC, TITANIC ja BRITANNIC. Nende laevade kaks aurumasinat ja äratöötanud auru turbiin koguvõimsusega 34000 kW tagasid neile laevadele kiiruse 21,5 sõlme.

Saksamaal ehitati vahetult enne Esimese maailmasõja puhkemist kolm hiigelaurikut: IMPERATOR, VATERLAND ja BISMARCK. Neist kahe viimase peaturbiinide koguvõimsus ületas esmakordselt laevaehituse ajaloos 100 000 hj (73600 kW) piiri, tagades laevadele kogumahutavusega ligi 60000 kiiruse 23,5 sõlme. Saksamaal valmis Hamburgis 1929. aastal kogumahutavusega 51 731, peaturbiinide koguvõimsusega 130 000 hj (97 925 kW) reisilaev BREMEN ja aasta hiljem selle sõsarlaev EUROPA.

Prantsusmaal St. Nazaire`s 1935. aastal valminud turbo-elektrilaev NORMANDIE (L=314 m, kogumahutavus 83 423) 4 auruturbiinseadet olid koguvõimsusega 160000 hj (117600 kW), mis tõstsid laeva kiiruse 30 sõlmeni. 1936. aastal valmis Inglismaal Clydebanki laevatehases (L=310,5 m, kogumahutavusega 81 237, 162000-hj peaturbiinidega) QUEEN MARY. Teise maailmasõja eelõhtul, 1939. aastal valmis Inglismaal 14-tekiline kahe korstnaga, eelmistest pisut suurem QUEEN ELIZABETH (L=314 m, kogumahutavus 83 643, 160 000 hj). 1952. aastal valmis ameeriklaste superlainer UNITED STATES (L=301,76 m, kogumahutavus 53 329, 4 peaauruturbiinseadme koguvõimsus 240 000 hj (176 500 kW)), mille täiskäigu kiirus oli 42 sõlme. UNITED STATES jäi viimaseks Sinise Lindi valdajaks, viies laeva keskmise kiiruse 35 sõlme lähedale. Sellest kiiremaid ookeani reisilaevu pole enam üritatudki ehitada. Suurte reisiaurikute kadumine laevaliinidelt langeb ajaliselt kokku aurulaevade kui laevatüübi lõpliku taandumisega mootorlaevade ees.

Praeguseks on uutest ehitatavatest laevadest aurulaevadele jäänud vaid kaks marginaalset nišši: tuumajõuseadmetega laevad on kasutuses vaid üksikute suurriikide sõjalaevastikes suurte lennukikandjate ja piiramatu tegevusraadiusega allveelaevade näol, tsiviillaevadest on mõned arktilised jäämurdjad ja kaubalaevadest juba selgelt langeva trendiga veeldatud maagaasi (LNG) tankerid.

Nüüdisaegsete diiselmootorite agregaatvõimsused ulatuvad 80 000 kW-ni, mis katab praktiliselt kogu sõukruvile ülekantava võimaliku võimsuste vahemiku auruturbiinidega võrreldes 30-40% väiksema kütusekulu juures. Seega on aurujõuseadmete kunagine juhtpositsioon laevade jõuseadmetena tänapäevaks, kui laevastiku valdav osa on mootorlaevad, taandunud põhiliselt laeva soojusenergiaga varustamisele ja mõnedel laevatüüpidel lisaks ka mehaanilise energia tootmisele abiturbiinide abil elektrigeneraatorite või pumpade käitamiseks.

Autor: Jüri Kask

Allikad

Heino Punab. Laeva jõuseadmed. Tallinn 2008