[تجهیزات دوار] - توربین چیست - turbine

[P O U R I A]

توربین (turbine) یک وسیله مکانیکی دوار (rotary) است که انرژی را از یک جریان سیال می‌گیرد و آن را به کار مفید تبدیل می‌کند. توربین، توربوماشینی (turbomachine) است که دارای حداقل یک قطعه متحرک به نام مجموعه روتور (rotor assembly) شامل یک شافت (shaft) یا درام (drum) با پره‌های (blades) متصل به آن است. سیال در حال حرکت به صورتی بر روی پره‌ها برخورد می‌کند که آن‌ها را به حرکت در می‌آورد و انرژی جنبشی روتور را تغییر می‌دهد. نمونه‌های توربین اولیه شامل آسیاب‌های بادی و چرخ‌های آبی بودند.

روتور توربین

​

توربین‌های گاز (gas turbine)، توربین‌های بخار (steam turbine) و توربین‌های آبی (water turbine) معمولا دارای یک محفظه (casing) در اطراف پره‌ها هستند که سیال عامل در آن قرار می‌گیرد و آن را هدایت می‌کنند. افتخار اختراع توربین بخار به مهندس انگلیسی چارلر پارسونز (1854-1931) برای اختراع توربین واکنشی (reaction turbine) و مهندس سوئدی گوستاو دلاوال (1854-1913) برای اختراع توربین ضربه‌ای (impulse turbine) داده شده است. توربین‌های بخار مدرن معمولا ضربه و واکنش را همزمان در یک یونیت استفاده می‌کنند که معمولا درجه واکنش (degree of reaction) و ضربه از پایه پره تا محیط آن تغییر می‌کند.

محفظه توربین

​

 

[P O U R I A]

تئوری کارکرد توربین

سیال عامل دارای یک انرژی پتانسیل (هد فشاری) و انرژی جنبشی (هد سرعتی) است. سیال می‌تواند تراکم‌پذیر یا تراکم‌ناپذیر باشد. برای جمع‌آوری این انرژی به وسیله توربین‌ها اصول فیزیکی مختلفی به کار گرفته می‌شود.

توربین‌های ضربه‌ای (impulse turbines) مسیر حرکت جریان سیال پر سرعت یا جت گاز را تغییر می‌دهند. ضربه ناشی از این تغییر جهت باعث چرخش توربین می‌شود و انرژی جنبشی جریان سیال را کاهش می‌دهد. در پره‌های متحرک توربین، فشار سیال یا گاز تغییر نمی‌کند. در مورد توربین‌های گاز یا بخار، تمام افت فشار در پره‌های ثابت (stationary blades) یا نازل‌ها (nozzles) انجام می‌شود. قبل از رسیدن سیال به توربین، هد فشاری آن به وسیله شتاب دادن به سیال درون یک نازل به هد سرعتی تبدیل می‌شود. چرخ‌های پلتون (Pelton wheels) و توربین‌های دلاوال (de Laval turbines) تنها از این فرآیند استفاده می‌کنند. توربین‌های ضربه‌ای نیازی به محفظه‌بندی فشاری (pressure casement) در اطراف روتور ندارند زیرا جت سیال قبل از رسیدن به پره‌های روتور به وسیله نازل ایجاد می‌شود و سپس به پره‌های روتور برخورد می‌کند. قانون دوم نیوتون انتقال انرژی در توربین‌های ضربه‌ای را توضیح می‌دهد.

توربین‌های ضربه‌ای و واکنشی​

توربین دلاوال​

 

[P O U R I A]

توربین‌های واکنشی (reaction turbines) به وسیله واکنش نسبت به فشار یا جرم سیال تولید گشتاور می‌کنند. فشار گاز یا سیال در زمان عبور از پره‌های روتور تغییر می‌کند. در این توربین‌ها نیاز به محفظه‌بندی فشاری (pressure casement) است تا سیال عامل در زمان برخورد با مراحل توربین (turbine stages) درون آن قرار گیرد و یا توربین باید همانند توربین‌های بادی درون سیال عامل غوطه‌ور باشد. در مورد توربین‌های آبی، محفظه سیال عامل را در خود جای می‌دهد و آن را هدایت می‌کند و مکش ناشی از تیوب مکشی (draft tube) را حفظ می‌نماید. توربین‌های فرانسیس (Francis turbines) و بیش‌تر توربین‌های بخار از این مفهوم استفاده می‌کنند. برای سیالات عامل تراکم‌پذیر، برای استفاده بهینه از انرژی، از چند مرحله (stages) استفاده می‌شود. قانون سوم نیوتون بیان‌گر انتقال انرژی در توربین‌های واکنشی است.

پره توربین واکنشی

پره توربین واکنشی​

 

[P O U R I A]

در مورد توربین‌های بخار، یک توربین واکنشی نوع پارسونز (Parsons type reaction turbine) نیازمند حدود دو برابر تعداد ردیف پره‌های یک توربین ضربه‌ای نوع دلاوال (de Laval type impulse turbine) برای میزان برابر تبدیل انرژی می‌باشد. این باعث بسیار بلندتر و سنگین‌تر شدن توربین پارسونز می‌شود ولی در عین حال راندمان توربین واکنشی اندکی بالاتر از توربین معادل ضربه‌ای آن برای میزان برابر تبدیل انرژی می‌باشد.

توربین پارسونز​

در عمل، در طرح‌های مدرن توربین هر جا که نیاز باشد از میزان‌های مختلفی از مفاهیم واکنش و ضربه استفاده می‌کنند. توربین‌های بادی (wind turbines) از یک ایرفویل (airfoil) برای تولید لیفت واکنشی از سیال در حال حرکت و وارد کردن آن به روتور استفاده می‌کنند. توربین‌های بادی همچنین از ضربه باد و به وسیله تغییر جهت آن با یک زاویه، کسب انرژی می‌کنند. توربین‌های جریان متقاطع (crossflow turbines) به عنوان ماشین‌های ضربه‌ای همراه با یک نازل طراحی شده‌اند ولی در زمان‌های پایین بودن هد، همانند چرخ‌های آبی معمولی راندمان خود را به وسیله واکنش حفظ می‌کنند. توربین‌های دارای چند مرحله می‌توانند در فشار بالا از پره‌های واکنشی یا ضربه‌ای استفاده کنند. توربین‌های بخار که به صورت سنتی بیش‌تر ضربه‌ای بودند، به سمت طرح‌های واکنشی در حال حرکت هستند. این مساله برای توربین‌های گاز نیز برقرار است. در فشار پایین، در اثر کمی کاهش در فشار، حجم سیال عامل افزایش می‌یابد. در این شرایط، پره‌ها تا حد زیادی از نوع واکنشی می‌شوند در حالی که پایه پره از نوع ضربه‌ای خالص خواهد بود. دلیل این کار، اثر سرعت چرخش در هر پره می‌باشد. زمانی که حجم افزایش می‌یابد، ارتفاع پره زیاد می‌شود و ریشه پره با سرعت کم‌تری نسبت به نوک آن می‌چرخد. تفاوت سرعت، طراح را مجبور می‌کند که طراحی را از ضربه‌ای در پایه تا واکنشی نوک تغییر دهد.

روش‌های کلاسیک طراحی توربین در اواسط قرن 19 میلادی توسعه پیدا کردند. در آنالیز برداری، جریان سیال با شکل و چرخش توربین ارتباط پیدا می‌کند. در ابتدا روش‌های محاسباتی گرافیکی به کار رفتند. روابط مربوط به ابعاد اصلی قطعات توربین به وجود آمدند که می‌توان ماشین‌های با راندمان بالا و دارای قابلیت اعتماد مناسب را برای هر شرایط سیالی طراحی کرد. برخی از محاسبات تجربی و یا سر انگشتی و برخی بر مبنای ماشین‌های کلاسیک هستند. همانند بیش‌تر محاسبات مهندسی، فرضیات ساده‌کننده‌ای به کار رفته‌اند.

مثلث سرعت در توربین‌ها​

 

[P O U R I A]

در طراحی مدرن توربین، محاسبات بیش‌تری انجام می‌شود. دینامیک سیالات محاسباتی (computational fluid dynamics) یا CFD بدون نیاز به فرضیات ساده‌کننده‌ای که برای به دست آوردن فرمولاسیون کلاسیک استفاده شده‌اند، به کار می‌رود و بهینه‌سازی با نرم‌افزارهای کامپیوتری انجام می‌شود.

مدل‌سازی جریان در توربین به کمک CFD​

دسته‌بندی محاسباتی اولیه توربین، بر مبنای سرعت مخصوص (specific speed) انجام می‌شود. این عدد توضیح دهنده سرعت توربین در بالاترین راندمان آن نسبت به توان و دبی جریان است. سرعت مخصوص از اندازه توربین مستقل است. با داشتن شرایط جریان سیال و سرعت خروجی مطلوب شافت، می‌توان سرعت مخصوص را محاسبه و طرح مناسب را برای توربین انتخاب کرد.

شکل‌های مختلف پره توربین با تغییر سرعت مخصوص

​

می‌توان سرعت مخصوص را به همراه فرمولاسیون پایه‌ای برای مقیاس کردن دقیق یک طرح موجود با راندمان مشخص به سایز جدید با همان راندمان مورد استفاده قرار داد.


کارایی توربین در خارج از نقطه طراحی (off-design) به وسیله مپ توربین (turbine map) یا منحنی مشخصه (characteristic)‌ نشان داده می‌شود.

مپ توربین​

 

[P O U R I A]

انواع توربین

انواع توربین

انواع توربین


توربین‌های بخار (steam turbines)؛ در نیروگاه‌های حرارتی (thermal power plants) همانند نیروگاه‌های استفاده‌کننده از زغال‌سنگ و مازوت برای تولید برق به کار می‌روند. این توربین‌ها در گذشته برای رانش مستقیم دستگاه‌های مکانیکی همانند پروانه کشتی به کار می‌رفتند ولی امروزه در کاربردهای این‌چنینی بیش‌تر از چرخ‌دنده‌های کاهنده یا یک مرحله الکتریکی میانی استفاده می‌کنند که در آن توربین برق تولید می‌کند و پس از آن یک موتور الکتریکی به بار مکانیکی متصل می‌شود.





توربین‌های گاز (gas turbines)؛ که گاهی به آن‌ها موتورهای توربینی (turbine engines) نیز گفته می‌شود. چنین موتورهایی معمولا دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه احتراق (combustor) و نازل و یک یا چند توربین هستند.





توربین ترانزونیک (transonic turbine)؛ سرعت جریان گاز در بیش‌تر موتورهای توربین گاز، در کل مرحله انبساط در زیر سرعت صوت می‌ماند. در یک توربین ترانزونیک، جریان گاز در زمان خروج از نازل‌های گاید وین (nozzle guide vanes) سوپرسونیک می‌شود، در حالی که سرعت‌های پایین دست ساب‌سونیک می‌ماند. توربین‌های ترانزونیک دارای نسبت فشار بالاتر و معمولا راندمان پایین‌تری هستند و کم‌تر به کار می‌روند.

 

[P O U R I A]

توربین‌های چرخش متضاد (contra-rotating turbines)؛ در صورتی که در پایین‌دست یک توربین محوری (axial turbine)، توربینی وجود داشته باشد که دارای جهت چرخش مخالف باشد، می‌توان راندمان را اندکی افزایش داد.



البته پیچیدگی این کار ممکن است باعث نتیجه عکس شود. معمولا به یک توربین بخار دارای چرخش متضاد، توربین لانکستروم (Ljungström turbine) می‌گویند که این طرح شامل یک توربین محوری چند مرحله‌ای (multi-stage radial turbine) یا یک جفت روتور توربین داخل هم (nested turbine rotors) می‌شود که دارای راندمان بالایی است و با وجود طرح جمع و جور، راندمان هر مرحله آن در حد توربین‌های واکنشی پارسونز است. این طرح در نیروگاه‌های بک‌پرشر (backpressure power plants) دارای موفقیت زیادی بوده است. البته بر خلاف طرح‌های دیگر، استفاده از حجم زیاد بخار با سختی انجام می‌شود و استفاده از این توربین برای توان‌های بالاتر از 50 مگاوات تنها با ترکیب چند توربین امکان‌پذیر است.

 

[P O U R I A]

توربین بدون استاتور (statorless turbine)؛ توربین‌های چند مرحله‌ای دارای مجموعه‌ای از پره‌های ورودی (inlet guide vanes) ثابت (stationary) هستند که جریان گاز را به پره‌های دارای چرخش منتقل می‌کنند. در یک توربین بدون استاتور، جریان گازی که از یک روتور بالادست خارج می‌شود، بدون برخورد با پره‌های میانی استاتور (برای تنظیم سطح انرژی سرعت/فشار جریان) با یک روتور پایین دست برخورد می‌کند.


توربین سرامیکی (ceramic turbine)؛ پره‌ها (blades) و وین‌های (vanes) فشار بالای توربین‌های معمولی از آلیاژ‌های بر پایه نیکل ساخته شده‌اند و اغلب دارای مسیرهای داخلی ظریفی هستند که به برای خنک‌کاری توسط هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند و از افزایش حرارت فلز جلوگیری می‌کنند. در سال‌های اخیر، پره‌های سرامیکی تجربی برای توربین‌های گاز تولید و تست شده‌اند که به وسیله آن‌ها می‌توان دمای ورودی به روتور را افزایش داد و احتمالا خنک‌کاری پره توربین گاز با هوا را حذف کرد. پره‌های سرامیکی از نوع فلزی ترد‌تر هستند و دارای ریسک بیش‌تری نسبت به شکستن فاجعه‌بار پره می‌باشند. این باعث می‌شود که کاربرد آن‌ها در موتورهای جت و توربین‌های گاز تنها به پره‌های ثابت محدود شود.




توربین شراد دار (shrouded turbine)؛ در بالای بسیاری از پره‌های روتور توربین شراد وجود دارد که پره‌های کنار هم را به یک‌دیگر متصل می‌کند تا به این وسیله میرایی (damping) افزایش و در نتیجه لرزش پره‌ها کاهش یابد. در توربین‌های بخار بزرگ زمینی برای تولید برق، شراد زنی اغلب با سیم‌های اتصالی (lacing wires) تکمیل می‌شود، مخصوصا در پره‌های بلند توربین‌های کم فشار. این سیم‌ها از سوراخ‌هایی می‌گذرند که در بدنه پره و در فاصله مناسبی از پایه پره دریل‌کاری می‌شوند و معمولا در نقاطی که سیم وارد سوراخ می‌شود، بر روی آن زرد جوش انجام می‌شود. سیم‌های اتصالی باعث کاهش لرزش در مرکز پره می‌شود. قرار دادن سیم‌های اتصالی باعث کاهش شدید شکستن پره‌های بلند در بخش کم‌فشار توربین می‌شود.

شراد

سیم‌های اتصالی در پره‌های بلند​

 

[P O U R I A]

توربین بدون شراد (shroudless turbine)؛ در روش‌های جدید، در جاهایی که امکان‌پذیر است، شراد توربین را حذف می‌کنند و در نتیجه بار سانتریفوژ و ملزومات خنک‌کاری پره توربین گاز با هوا را کاهش می‌دهند.


توربین‌های بدون پره (bladeless turbine)؛ به جای برخورد دادن سیال با پره در توربین‌های معمولی، از تاثیر لایه مرزی (boundary layer effect) استفاده می‌کنند. به این توربین، توربین تسلا (Tesla turbine) نیز گفته می‌شود.


توربین‌های آبی (water turbines)؛ شامل انواع زیر می‌شود:

- توربین پلتون (Pelton turbine)؛ نوعی توربین آبی ضربه‌ای است.

- توربین فرانسیس (Francis turbine)؛ نوعی توربین آبی پرکاربرد است.




- توربین کاپلان (Kaplan turbine)؛ نوعی توربین فرانسیس است.



- توربین تورگو (Turgo turbine)؛ نوع اصلاح شده چرخ پلتون است.

 

[P O U R I A]

توربین جریان متقابل (cross-flow turbine)؛ که به آن توربین بانکی میشل (Banki-Michell) یا توربین اوزبرگر (Ossberger turbine) می‌گویند.
توربین باد (wind turbine)؛ این توربین‌ها به صورت معمول تک‌مرحله‌ای، بدون نازل و گاید‌وین‌های بین مرحله‌ای کار می‌کنند.

کامپاند سرعتی کورتیس (velocity compound curtis)؛ توربین ترکیبی دلاوال و پارسونز از مجموعه‌ای از نازل‌های ثابت یا استاتور در مرحله اول و سپس ردیفی از ردیف پره‌های ثابت و دوار همانند پارسونز یا دلاوال می‌باشد که تعداد آن‌ها در مقایسه با تا صد مرحله در طرح پارسونز، حداکثر ده ردیف می‌باشد. راندمان کلی طرح کورتیس کم‌تر از طرح پارسونز یا دلاوال است ولی می‌تواند به خوبی در بازه گسترده‌ای از سرعت‌ها شامل کارکرد موفقیت‌آمیز در سرعت‌ها و فشارهای پایین کار کند که باعث ایده‌آل شدن استفاده از آن درنیروگاه‌های روی کشتی می‌شود. در آرایش کورتیس، کل افت حرارت در بخار درون ردیف نازل اولیه انجام می‌شود و دو ردیف نازل ثابت و متحرک بعدی تغییر بسیار کمی در راستای جریان ایجاد می‌کنند.



ضربه‌ای چند مرحله‌ای کامپاند فشاری (pressure compound multistage impulse) یا راتیو (Rateau)؛ راتیو از روتورهای ساده ضربه‌ای استفاده می‌کند که به وسیله نازل‌های دیافراگمی از یکدیگر جدا می‌شوند. این دیافراگم به صورت یک دیواره دارای مجموعه‌ای از تونل‌ها در توربین است که درون آن بریده شده است.

---

کاربردهای توربین

تقریبا تمام توان الکتریکی تولید شده بر روی زمین توسط نوعی از توربین تولید می‌شود. توربین‌های بخار با راندمان بسیار بالا، حدود 40 درصد از انرژی گرمایی وارد شده به آن را مورد استفاده قرار می‌دهند و بقیه را به صورت حرارت تلف شده به محیط پس می‌دهند.

بیش‌تر موتورهای جت از توربین استفاده می‌کنند تا کار مکانیکی را از سیال عامل خود و سوخت بگیرند. این کار در نیروگاه‌های حرارتی و کشتی‌ها نیز انجام می‌شود.

توربین‌ها اغلب بخشی از یک ماشین بزرگ‌تر هستند. به عنوان مثال یک توربین‌های گاز می‌تواند به عنوان یک ماشین احتراق داخلی در نظر گرفته شود که شامل توربین، داکت‌ها، کمپرسور، محفظه احتراق، مبدل حرارتی، فن و در زمانی که برای تولید برق طراحی شده باشد، یک آلترناتور (alternator) می‌شود. توربین‌های احتراقی و توربین‌های بخار می‌توانند با استفاده از یک گیربکس میانی برای ایجاد سرعت چرخشی، به ماشین‌آلاتی همانند پمپ و کمپرسور متصل شوند و یا ممکن است برای پیش‌رانی در کشتی‌ها به کار روند.

موتورهای رفت و برگشتی پیستونی همانند موتورهای هواپیما می‌توانند از توربینی استفاده کنند که از اگزوز موتور برای راندن یک کمپرسور هوای ورودی نیرو می‌گیرند که به این مکانیزم توربوشارژر (turbocharger) یا سوپرشارژر توربینی (turbine supercharger) یا توربو (turbo)‌ گفته می‌شود.

توربن‌ها دارای دانسیته توانی بالایی هستند (به معنی نسبت توان به وزن یا توان به حجم). دلیل آن این است که توانایی کار در سرعت‌های بسیار بالایی دارند که این باعث استفاده از آن‌ها در کاربردهای هوافضایی و هوانوردی می‌شود.

توربو اکسپندرها (turboexpanders) به صورت گسترده‌ای به عنوان منبع تبرید در فرآیند‌های صنعتی و برای بازیافت انرژی به کار می‌روند.