Höyryturbiini: Lämpövoimakone

Tätä energiaa muunnetaan akseliin yhdistetyllä generaattorilla sähköenergiaksi.

 

 

Ensimmäisen tunnetun höyryturbiinin rakensi muinaiskreikkalainen tiedemies Heron Aleksandrialainen noin vuonna 50. Kysymyksessä oli enemmän leikkikalua muistuttava tieteellinen koelaite, mutta se oli kuitenkin aito höyryturbiini.

Höyryturbiini nykyaikaisessa muodossaan on irlantilaisen insinöörin Charles A. Parsonsin keksintö vuodelta 1884. Hän rakensi ensimmäisen höyryturbiinin, joka menestyi kaupallisesti ja joka mullisti merisodankäynnin ja mahdollisti entistä nopeampien ja suurempien sotalaivojen rakentamisen. Parsons sai keksinnölleen julkisuutta vuonna 1897, kun hänen rakentamansa pienikokoinen Turbinia-alus osallistui kuningatar Viktorian hallitsijakauden 60-vuotisjuhlan laivastokatselmukseen kymmentuhantisen katsojajoukon edessä.

Mäntähöyrykonetta paljon tehokkaampi höyryturbiini mullisti sähköntuotannon. Tasavirtaa tuottavaan dynamoon suoraan kytketty höyryturbiini eli turbogeneraattori voi pyöriä hyvinkin nopeasti, koska se ei ole sidottu generaattorin navoista johtuvaan vaihtovirran tahtiin. Vuonna 1899 Parsonsin yritys toimitti 1 MW:n turbogeneraattorin Saksaan Elberfeldiin.

Ensimmäisen voimalakäyttöön suunnitellun höyryturbiinin valmisti ruotsalainen Gustaf de Laval 1885 .

Höyryturbiinissa höyrynpaine työntää turbiinin siipipyörän liikkeelle. Suuremman vaikutuspinta-alan vuoksi höyryturbiinin hyötysuhde voittaa mäntähöyrykoneen moninkertaisesti.

Höyryturbiinit ovat useimmiten aksiaalisia eli höyryn virtaussuunta on akselin suuntainen. Turbiini koostuu useista vaiheista, joiden avulla muutetaan höyryn lämpöenergia mekaaniseksi liike-energiaksi eli akselin pyörimisenergiaksi. Yhdessä vaiheessa on paikallaan pysyvä staattorisiivistö ja pyörivä akseliin kiinnitetty roottorisiivistö. Höyryn nopeus kasvaa staattorisiivistössä sen paisuessa alempaan paineeseen. Höyry ohjataan roottorisiivistöön, joka on suunniteltu hyödyntämään höyryn sisältämä liike-energia mahdollisimman hyvin. Höyry pyörittää roottorisiivistöä, jolloin höyryn liike-energia siis muuttuu akselin mekaaniseksi pyörimisenergiaksi.

Paisuessaan alempaan paineeseen höyryn tilavuus kasvaa rajusti, jolloin jokaisen vaiheen paisuntatilan tulee olla edellistä suurempi. Samasta syystä voidaan turbiini jakaa eri osiin esimerkiksi korkeapaineturbiiniin ja matalapaineturbiiniin. Höyryn paisuessa myös sen lämpötila laskee.

Lähes kaikki nykyään käytössä olevat höyrykäyttöiset laivat toimivat turbiini- tai turbosähkökoneistolla. Suurimmat höyryalukset ovat USA:n laivaston ydinkäyttöiset lentotukialukset, joissa höyrykattilana toimii ydinreaktori. Mäntäkoneisiin verrattuna höyryturbiinilla saavutetaan paljon tasaisempi käynti laivoissa. Tämän vuoksi höyryturbiinit olivat laajalti käytössä matkustajalaivoissa 70-luvulle saakka.

Maassa käytetystä sähköstä suurin osa tuotetaan höyryturbiineilla. Voimalaitoksissa höyryturbiinia käytetään pyörittämään generaattoria, joka synnyttää sähkovirran. Höyryturbiinit jaetaan turbiinista tulevan höyrynpaineen perusteella lauhdeturbiineihin ja vastapaineturbiineihin. Höyryturbiinit voidaan jaotella myös höyryn syöttösuunnan suhteen aksiaaliturbiineihin ja radiaaliturbiineihin.

Höyry voidaan tuottaa joko aurinkoenergian keinoin, polttamalla höyrykattilassa polttoainetta, kuten fossiilisia polttoaineita, biomassaa tai kaupunkijätettä tai ydinreaktorilla. Tulistettu höyry johdetaan ensin turbiinin korkeapaineosaan, jossa se luovuttaa enimmän osan entalpiastaan. Se kulkee edelleen laajentuen keskipainesiivistöön ja matalapainesiivistöön.

Höyryturbiinin itsensä mekaaninen hyötysuhde on jopa 0,9–0,96, joka tarkoittaa akselista saadun ja höyrystä otetun energian suhdetta. Jäljelle jäänyt, turbiinista poistuva höyry, sisältää usein 60 % kattilasta saadun höyryn energiasta . Jäljelle jäänyttä lauhdelämpöä voidaan edelleen käyttää lämmitykseen, vaikkapa kaukolämpöverkkoon. Näin päästään jopa 0,85:n kokonaishyötysuhteeseen.