[تجهیزات دوار] - مراحل توربین بخار - steam turbines compounding

[P O U R I A]

کامپاند کردن (compounding) توربین‌های بخار (steam turbines) روشی است که در آن انرژی بخار در یک توربین به جای یک مرحله (stage) در چند مرحله استخراج می‌شود. یک توربین بخار کامپاند دارای مراحل متعدد است؛ به این معنی که بیش از یک مجموعه‌ای از نازل (nozzles) و روتور (rotors) به صورت سری، به شافت و بدنه ثابت شده‌اند، به طوری که فشار بخار و یا سرعت جت در چند مرحله توسط توربین جذب می‌شود.

چرا کامپاند کردن لازم است؟


بخار تولید شده در بویلر (boiler) دارای آنتالپی (enthalpy) بسیار بالایی است. در تمام توربین‌ها سرعت پره‌ها (blades) به صورت مستقیم با سرعت بخار عبوری از پره متناسب است. حال اگر تمام انرژی بخار در یک مرحله استخراج شود و یا به عبارتی بخار در یک مرحله از فشار بویلر (boiler) به فشار کندانسور (condenser) منبسط شود، سرعت آن بسیار بالا خواهد شد. از این رو سرعت روتور که پره‌ها به آن متصل شده‌اند می‌تواند به حدود 30 هزار دور در دقیقه برسد که برای استفاده عملی بسیار بالا است. علاوه بر این در چنین سرعت‌های بالایی نیروی گریز از مرکز بسیار زیاد است، که می‌تواند به سازه آسیب بزند. از این رو کامپاند کردن لازم است. سرعت‌های بالایی که در توربین ضربه‌ای (impulse turbine) با یک رینگ روتور استفاده می‌شود باعث می‌شود که اتلاف بخار در بازه 10 تا 12 درصد قرار گیرد. برای غلبه بر اتلاف بخار، کامپاند کردن توربین بخار انجام می‌شود.

انواع توربین های بخار

• ضربه‌ای (impulse): در زمان عبور بخار از پره‌های متحرک هیچ تغییری در فشار آن ایجاد نمی‌شود. تغییر تنها در سرعت جریان بخار ایجاد می‌شود.
• واکنشی (reaction): در زمان عبور بخار از پره‌های متحرک تغییر در فشار و سرعت بخار هم‌زمان ایجاد می‌شود.

 

[P O U R I A]

انواع کامپاند

در یک توربین بخار ایمپالس، ترکیب را می‌توان با سه راه زیر به دست آورد:

• کامپاند سرعتی (velocity compounding)
• کامپاند فشاری (pressure compounding)
• کامپاند فشاری-سرعتی (pressure-velocity compounding)

در توربین واکنشی تنها می‌توان کامپاند فشاری انجام داد.

 

[P O U R I A]

کامپاند سرعتی توربین ایمپالس

توربین ایمپالس با کامپاند سرعتی برای اولین بار توسط کورتیس پیشنهاد شده بود که هدف آن حل مشکل توربین ایمپالس تک مرحله‌ای در استفاده از بخار با فشار و دمای بالا بود.

رینگ پره‌های متحرک (rings of moving blades) توسط رینگ‌های پره‌های ثابت از هم جدا شده‌اند. پره‌های متحرک به وسیله خار (key) به محور توربین و پره‌های ثابت به بدنه ثابت متصل شده‌اند. بخار پر فشار ورودی از سمت بویلر، ابتدا در نازل منبسط می‌شود. نازل انرژی فشار بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کند. جالب است که افت آنتالپی کل و در نتیجه افت فشار در نازل رخ می‌دهد. از این رو پس از خروج از نازل، فشار تا انتهای توربین ثابت می‌ماند.

این بخار پر سرعت به سمت اولین مجموعه یا رینگ پره‌های متحرک هدایت می‌شود. زمانی که بخار بر روی پره‌ها (blades) جریان می‌یابد، به دلیل شکل پره‌ها بخشی از مومنتوم خود را به پره‌ها داده و بخشی از سرعت خود را از دست می‌دهد. تنها بخشی از میزان بالای انرژی جنبشی توسط پره‌ها جذب و باقی‌مانده آن به سمت رینگ بعدی پره‌های ثابت تخلیه می‌شود. وظیفه پره‌های ثابت (fixed blades) تغییر مسیر بخار خروجی از رینگ اول پره‌های متحرک به رینگ دوم پره‌های متحرک است. در زمان عبور بخار از پره‌های ثابت، هیچ تغییری در سرعت بخار ایجاد نمی‌شود. سپس بخار وارد رینگ بعدی پره‌های متحرک می‌شود و این فرآیند آن‌قدر تکرار می‌شود تا عملا تمام انرژی بخار جذب گردد.

در شکل زیر یک دیاگرام شماتیک از مرحله کورتیس توربین ضربه‌ای با دو رینگ پره متحرک و یک رینگ پره ثابت نشان داده شده است. این شکل همچنین تغییرات در فشار و سرعت مطلق بخار را در زمان عبور از مراحل مختلف نشان می‌دهد.


Pi = فشار بخار در ورودی

Vi = سرعت بخار در ورودی

Po = فشار بخار در خروجی

Vo = سرعت بخار در خروجی

در شکل بالا دو رینگ پره‌های متحرک وجود دارد که به وسیله یک رینگ از پره‌های ثابت از هم جدا شده‌اند. همان‌طور که قبلا بحث شد، کل افت فشار در نازل رخ می‌دهد، و پس از آن هیچ افت فشاری در هیج‌یک از مراحل بعدی رخ نمی‌دهد. افت سرعت در پره‌های متحرک رخ می‌دهد و نه پره‌های ثابت.

همان‌طور که در نمودار بالا نشان داده شده است دو رینگ پره‌های متحرک به وسیله یک رینگ از پره‌های ثابت از هم جدا شده‌اند. دیاگرام سرعت (velocity diagram) شکل زیر، نشان‌دهنده مولفه‌های مختلف سرعت بخار و سرعت پره‌های متحرک است.


که در آن،

Va = سرعت مطلق بخار

Vr = سرعت نسبی بخار

Vb = سرعت پره

θ = زاویه نازل

ø = زاویه ورودی پره

γ = زاویه خروجی پره

δ = زاویه خروجی مایع

در شکل بالا دیده می‌شود که بخار پس از خروج از پره‌های متحرک، وارد پره‌های ثابت می‌شود. پره‌های ثابت بخار را به مجموعه بعدی پره‌های متحرک هدایت می‌کنند. از این رو بخار سرعت خود را به جای یک مرحله، در مراحل مختلف از دست می‌دهد.

 

[P O U R I A]

معایب کامپاند سرعتی

• با توجه به سرعت بالای بخار، تلفات اصطکاکی بالایی وجود دارد
• کار تولید شده در مراحل کم‌فشار بسیار کم‌تر است
• طراحی و ساخت پره‌هایی که توان تحمل چنین سرعت بالایی را داشته باشند دشوار است

سرعت بهینه

سرعت بهینه پره (optimum blade velocity) سرعتی برای پره است که در آن می‌توان حداکثر توان خروجی را به دست آورد. از این رو سرعت بهینه در این مورد از رابطه زیر محاسبه می‌شود:


که در آن n تعداد مراحل است.
جالب است توجه داشته باشید که مقدار سرعت بهینه در توربین‌های تک‌مرحله‌ای، n برابر توربین‌های n مرحله‌ای است. به این معنی که حداکثر توان را می‌توان در سرعت بسیار پایین‌تر پره به دست آورد.
البته کار تولیدی در هر مرحله یکسان نیست. نسبت کار تولید شده در توربین 2 مرحله‌ای 1:3 با حرکت از سمت فشار بالاتر به فشار کم‌تر است. این نسبت در توربین سه مرحله‌ای 1:3:5 و در توربین چهار مرحله‌ای به صورت 1:3:5:7 تغییر می‌کند.

 

[P O U R I A]

کامپاند فشاری توربین ایمپالس

توربین ایمپالس با کامپاند فشاری (pressure compounded Impulse turbine) به افتخار مخترع آن به عنوان توربین راتیو (Rateau) نیز شناخته می‌شود که برای حل مشکل سرعت بالای پره در توربین ضربه‌ای تک مرحله‌ای استفاده می‌شود.
این توربین به صورت یک در میان از رینگ‌های نازل (nozzle rings) و پره تشکیل شده است. نازل‌ها بر روی بدنه و پره‌ها به محور توربین نصب شده‌اند.
در این نوع از کامپاند، بخار به جای یک مرحله یا نازل در کامپاند سرعتی، در چند مرحله منبسط می‌شود. این کار به وسیله پره‌های ثابت (fixed blades) که به عنوان نازل عمل می‌کنند، انجام می‌شود. بخار در تمام ردیف پره‌های ثابت به اندازه برابر منبسط می‌شود. بخاری که از بویلر می‌آید به اولین مجموعه از پره‌های ثابت یا رینگ نازل (nozzle ring) تغذیه شود. بخار تا حدی در رینگ نازل منبسط می‌شود. از این رو در فشار بخار ورودی کاهش اندکی ایجاد می‌شود که این امر منجر به افزایش سرعت بخار می‌گردد. بنابراین در نازل اندکی کاهش فشار و افزایش سرعت خواهیم داشت.
بخار سپس از مجموعه‌ای از پره‌های متحرک عبور می‌کند. زمانی که بخار در پره‌های متحرک جریان می‌یابد، تقریبا تمام سرعت آن جذب می‌شود؛ با این حال در طول این فرآیند فشار ثابت می‌ماند. پس از آن، بخار از رینگ نازل می گذرد و دوباره تا حدی منبسط می‌شود. سپس به مجموعه‌ای بعدی پره‌های متحرک تغذیه شده و این روند تا زمانی تکرار می‌شود که به فشار کندانسور برسد. این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است.



شکل بالا یک توربین ضربه‌ای سه مرحله‌ای کامپاند فشاری است. هر مرحله شامل یک رینگ از پره‌های ثابت، به عنوان نازل و یک رینگ از پره‌های متحرک می‌شود. همان طور که در شکل نشان داده شده است، افت فشار در نازل‌ها صورت می‌گیرد و در مراحل مختلف توزیع شده است.
یک نکته قابل توجه در این جا این است که لزوما سرعت بخار ورودی به هر مرحله از پره‌های متحرک برابر است؛ به این دلیل که سرعت با کاهش فشار منطبق است. از آن‌جا که در توربین بخار کامپاند فشاری تنها بخشی از بخار در هر نازل منبسط می‌شود، سرعت بخار کم‌تر از حالت قبلی است. می‌توان آن را از رابطه ریاضی زیر توضیح داد:

​

که در آن،
V1 = سرعت مطلق خروج مایع
H1 = آنتالپی سیال در خروجی
V2 = سرعت مطلق ورود مایع
H2 = آنتالپی سیال در ورودی

می‌توان از رابطه فهمید که تنها کسری از آنتالپی در پره‌های ثابت به سرعت تبدیل می‌شود. از این رو سرعت در مقایسه با حالت قبلی بسیار کم‌تر است.
دیاگرام سرعت نشان داده شده در شکل زیر، جزییات سرعت بخار و سرعت پره را در بخش‌های مختلف نشان می‌دهد.


یک نکته مهم از دیاگرام سرعت بالا این است که زاویه خروج سیال یا δ، 90 درجه است. این نشان می‌دهد که سرعت چرخش سیال در خروج از تمام مراحل صفر است که در انطباق با مفهوم سرعت بهینه است که مورد بحث قرار گرفت.
نسبت کار تولید شده در مراحل مختلف، مشابه با چیزی است که در بالا درباره آن بحث شد.

معایب کامپاند فشاری

• از آن‌جایی که در نازل افت فشار وجود دارد، باید به صورت آب‌بندی شده ساخته شود
• اندازه آن‌ها بزرگ‌تر و سنگین‌تر است

 

[P O U R I A]

کامپاند فشاری در توربین واکنشی

توربین واکنشی (reaction turbine)، توربینی است که در آن افت فشار و سرعت در پره‌های متحرک رخ می‌دهد. در کنار پره‌های متحرک، نازل‌های همگرای بخار قرار دارند. هنگامی که بخار از پره‌های ثابت عبور می‌کند، با کاهش در فشار بخار و افزایش در انرژی جنبشی منبسط می‌شود.

این نوع توربین دارای تعدادی رینگ پره متحرک متصل به روتور و تعداد مساوی پره‌های ثابت متصل به بدنه می‌باشد. در این نوع توربین افت فشار در چند مرحله انجام می‌شود.

بخار از بیش از یک سری پره‌های ثابت و متحرک یک در میان می‌گذرد. پره‌های ثابت به عنوان نازل عمل می‌کنند یعنی آنها جهت بخار را تغییر می‌دهند و آن را منبسط می‌کنند. سپس بخار به پره‌های متحرک می‌رسد و در آن‌جا بیش‌تر منبسط شده و سرعت آن جذب می‌شود.

این نوع توربین در شکل زیر نشان داده شده است.


دیاگرام سرعت نشان داده شده در شکل زیر، جزییات مولفه‌های مختلف سرعت بخار و سرعت پره را می‌دهد.