توربین‌های بخار (steam turbine) انرژی را از بخار پر فشار استخراج و آن را به کار شافت تبدیل می‌کنند. کل محتوای انرژی موجود در بخار ورودی به توربین بخار به صورت انرژی مکانیکی بازیافت نمی‌شود. مقداری از انرژی بخار در داخل یک توربین تلف می‌شود.
تلفات ورودی (admission losses)
در عمل، جریان بخار درون نازل آیزنتروپیک نیست و با تلفات همراه است که باعث کاهش انرژی جنبشی بخار خروجی از نازل می‌شود.
کاهش انرژی به دلایل زیر انجام می‌شود:
تلفات نشتی (leakage losses)
بخار از بویلر خارج می‌شود و پس از عبور از ولو اصلی (main valve)، ولوهای تنظیمی (regulating valves)، نازل‌ها (nozzles)، فضاهای خالی بین نازل و پره‌های متحرک (moving blades)، دیافراگم (diaphragm)، شافت دوار (rotating shaft) و غیره بهکندانسور (condenser) می‌رسد. علاوه بر این، اختلاف فشار زیادی بین داخل توربین بخار و محیط و همچنین بین دو نقطه از این تجهیزات وجود دارد.
بنابراین نشتی بخار (steam leakage) از راه‌های زیر صورت می‌گیرد:
تلفات اصطکاکی (friction losses)
مقاومت اصطکاکی در طی جریان بخار از نازل‌های روی پره‌های متحرک و ثابت وجود دارد. در بیش‌تر توربین‌ها، چرخ‌های پره (blade wheels) در یک فضای پر از بخار می‌چرخند. اصطکاک ویسکوز (viscous friction) در سطح چرخ باعث ایجاد تلفات در زمان عبور بخار از نازل به چرخ می‌شود. اثر ورود جزئی (partial admission) باعث ایجاد گردابه‌هایی (eddies) در کانال‌های پره‌ها می‌شود.
سطح منحنی پره‌های متحرک (moving blades) و پره‌های ثابت (stationary blades) ایجاد مقاومت می‌کند که با افزایش زبری (roughness) سطح پره و سرعت نسبی بین بخار و پره متحرک، افزایش می‌یابد.
همچنین اتلاف انرژی هنگامی که جت بخار در امتداد انحنای سطح تیغه حرکت می‌کند نیز رخ می‌دهد. تلفات چرخش (turning losses) به زاویه چرخش بستگی دارد.
تلفات اگزاست (exhaust loss)
محتوای انرژی بخار به طور کامل در توربین استفاده نمی‌شود. اگزاست خروجی ازتوربین (turbine) و ورودی به کندانسور (condenser) با وجود فشار بسیار کم دارای مقداری انرژی جنبشی و انتالپی مفید است که باعث اتلاف مستقیم انرژی می‌شود.
تلفات تابشی و جابه‌جایی (radiation and convection losses)
توربین بخار در دمای نسبتا بالایی کار می‌کند و بنابراین بخشی از انرژی حرارتی بخار به صورت تابش و هدایت از بدنه توربین به محیط منتقل می‌شود. این اتلاف مستقیم است و با عایق‌بندی مناسب به حداقل می‌رسد.
تلفات مربوط به رطوبت (losses due to moisture)
بخار عبوری از آخرین مرحله توربین (last stage of turbine) دارای سرعت و رطوبت بالایی است. ذرات مایع دارای سرعت کم‌تری نسبت به ذرات بخار هستند و در نتیجه ذرات مایع مانع از جریان ذرات بخار در آخرین مرحله توربین می‌شوند و در نتیجه، بخشی از انرژی جنبشی بخار از دست می‌رود. اگر کسر خشکی بخار به زیر 0.88 برسد، فرسایش (erosion) و خوردگی (corrosion) پره نیز می‌تواند رخ بدهد.
تلفات انتقال (carry over losses)
وقتی که بخار از طریق دیافراگم (diaphragm) از یک مرحله به مرحله دیگر عبور می‌کند، مقداری اتلاف انرژی صورت می‌گیرد، که به آن تلفات انتقال (carry over losses) گفته می‌شود که در نتیجه آن انرژی جنبشی بخار موجود برای استفاده، در مرحله بعدی تیغه‌های متحرک کم‌تر از مقدار آن در خروج از مرحله قبلی است. دلیل آن، تشکیل گردابه‌ها (eddies) در فضای حلقوی بین نازل و پره‌های متحرک است.
تلفات ورودی (admission losses)
در عمل، جریان بخار درون نازل آیزنتروپیک نیست و با تلفات همراه است که باعث کاهش انرژی جنبشی بخار خروجی از نازل می‌شود.
کاهش انرژی به دلایل زیر انجام می‌شود:
- نیروهای ویسکوز بین ذرات بخار
- اتلاف حرارتی بخار قبل از ورود به نازل
- انحراف جریان در نازل
- توسعه لایه مرزی (boundary layer) در نازل
- توربولانس (turbulence) در نازل
- اصطکاک در نازل که باعث کاهش آنتالپی موجود (available enthalpy) است که در نتیجه آن سرعت واقعی خروجی از نازل کم‌تر از زمان انبساط آیزنتروپیک می‌باشد.
تلفات نشتی (leakage losses)
بخار از بویلر خارج می‌شود و پس از عبور از ولو اصلی (main valve)، ولوهای تنظیمی (regulating valves)، نازل‌ها (nozzles)، فضاهای خالی بین نازل و پره‌های متحرک (moving blades)، دیافراگم (diaphragm)، شافت دوار (rotating shaft) و غیره بهکندانسور (condenser) می‌رسد. علاوه بر این، اختلاف فشار زیادی بین داخل توربین بخار و محیط و همچنین بین دو نقطه از این تجهیزات وجود دارد.
بنابراین نشتی بخار (steam leakage) از راه‌های زیر صورت می‌گیرد:
- ولو اصلی (main valve) و ولو تنظیم (regulating valve)
- سیل‌ها (seals) و گلندها (glands)
- فضای بین نازل‌ها و پره‌های متحرک
- فاصله بین دیافراگم (diaphragm) و شافت توربین (turbine shaft)
- فاصله بین رینگ‌های پره‌های متحرک (moving blade rings) و بدنه توربین (turbine casing)
تلفات اصطکاکی (friction losses)
مقاومت اصطکاکی در طی جریان بخار از نازل‌های روی پره‌های متحرک و ثابت وجود دارد. در بیش‌تر توربین‌ها، چرخ‌های پره (blade wheels) در یک فضای پر از بخار می‌چرخند. اصطکاک ویسکوز (viscous friction) در سطح چرخ باعث ایجاد تلفات در زمان عبور بخار از نازل به چرخ می‌شود. اثر ورود جزئی (partial admission) باعث ایجاد گردابه‌هایی (eddies) در کانال‌های پره‌ها می‌شود.
سطح منحنی پره‌های متحرک (moving blades) و پره‌های ثابت (stationary blades) ایجاد مقاومت می‌کند که با افزایش زبری (roughness) سطح پره و سرعت نسبی بین بخار و پره متحرک، افزایش می‌یابد.
همچنین اتلاف انرژی هنگامی که جت بخار در امتداد انحنای سطح تیغه حرکت می‌کند نیز رخ می‌دهد. تلفات چرخش (turning losses) به زاویه چرخش بستگی دارد.
تلفات اگزاست (exhaust loss)
محتوای انرژی بخار به طور کامل در توربین استفاده نمی‌شود. اگزاست خروجی ازتوربین (turbine) و ورودی به کندانسور (condenser) با وجود فشار بسیار کم دارای مقداری انرژی جنبشی و انتالپی مفید است که باعث اتلاف مستقیم انرژی می‌شود.
تلفات تابشی و جابه‌جایی (radiation and convection losses)
توربین بخار در دمای نسبتا بالایی کار می‌کند و بنابراین بخشی از انرژی حرارتی بخار به صورت تابش و هدایت از بدنه توربین به محیط منتقل می‌شود. این اتلاف مستقیم است و با عایق‌بندی مناسب به حداقل می‌رسد.
تلفات مربوط به رطوبت (losses due to moisture)
بخار عبوری از آخرین مرحله توربین (last stage of turbine) دارای سرعت و رطوبت بالایی است. ذرات مایع دارای سرعت کم‌تری نسبت به ذرات بخار هستند و در نتیجه ذرات مایع مانع از جریان ذرات بخار در آخرین مرحله توربین می‌شوند و در نتیجه، بخشی از انرژی جنبشی بخار از دست می‌رود. اگر کسر خشکی بخار به زیر 0.88 برسد، فرسایش (erosion) و خوردگی (corrosion) پره نیز می‌تواند رخ بدهد.
تلفات انتقال (carry over losses)
وقتی که بخار از طریق دیافراگم (diaphragm) از یک مرحله به مرحله دیگر عبور می‌کند، مقداری اتلاف انرژی صورت می‌گیرد، که به آن تلفات انتقال (carry over losses) گفته می‌شود که در نتیجه آن انرژی جنبشی بخار موجود برای استفاده، در مرحله بعدی تیغه‌های متحرک کم‌تر از مقدار آن در خروج از مرحله قبلی است. دلیل آن، تشکیل گردابه‌ها (eddies) در فضای حلقوی بین نازل و پره‌های متحرک است.
