توربین چیست؟

توربین (Turbine) دستگاه مکانیکی دواری است که انرژی موجود در حرکت سیال را به کار تبدیل می کند.

توربین ها یکی از انواع توربو ماشین ها می باشند که حداقل یک بخش دوار را دارا هستندکه به آن {{روتور}} می گویند.

زمانی که سیال با سرعت مشخص به توربین برخورد می کند پره های آن به حرکت در می آیند . این پره ها در زمان حرکت دارای {{انرژی مکانیکی}} هستند . پس می توان با تبدیل این انرژی به انرژی الکتریکی تولید برق کرد.

توربین نمونه پیشرفته یک آسیاب آبی یا بادی است.

امروزه توربین ها در انواع مختلفی و برای کاربرد های مختلفی ساخته می شوند. از این جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

انواع خاصی از توربین نیز وجود دارد که برای کاربرد های منحصر به فرد مورد استفاده قرار می گیرند مانند:

انواع توربین ها

توربین پلتون (Pelton Wheel)

توربین پلتون (Pelton wheel) یا همان چرخ پلتون توسط شخصی به نام پلتون ( Lester Allan Pelton) در سال 1980 میلادی اختراع شده است.

این توربین یکی از انواع توربین های ضربه ای می باشد که معمولا با وارد شدن ضربه توسط آبی که از ارتفاع به پره های توربین برخورد می کند ، چرخش صورت می گیرد.

توربین کاپلان(kaplan turbine) :

توربین کاپلان معمولا دارای محور قائم بوده و تغذیه آب در آن همانند توربین فرانسیس به وسیله عضو مارپیچی حلزونی که از جنس فولاد و یا بتن مسلح است، که داخل یک فونداسیون بتنی قرار دارد، انجام می گیرد. ممکن است مقطع عرضی آن مستطیل مستقیم باشد.

پره های هادی در این توربین قابل تنظیم است و ورود آب به توربین را تنظیم می کنند و جریان آب به موازی محور هلیس (جریان محوری) است. پره ها به وسیله جریان آب جذب انرژی نموده و چرخ را می چرخانند. آب در امتداد کانال خروجی به وسیله یک لوله مکش خارج می گردد. پره های چرخ های توربین هلیس ثابت هستند ولی در توربین کاپلان و دریاز پره ها متحرک می باشند و با یک دستگاه تنظیم یا دستگاه فرمان برای کنترل دبی قابل تنظیم هستند. هر یک از انحراف یا زاویه پره های هلیس مربوط به یک دبی است. این دستگاه در فاصله حلقه مرکزی هسته بر روی پره ها در هسته نصب می باشد. سرعت مخصوص توربین کاپلان بین 80 تا 300 دور در دقیقه می باشد.

توربین دریاز

این توربین دارای یک چرخ هلیس با پره های قابل تنظیم است. اما محور پره ها مایل و تحت زاویه 45-30 درجه نسبت به محور چرخش توربین می باشند. جریان در آن محوری نیست بلکه جریان مختلط است، این زاویه در توربین کاپلان قائمه می باشد.

توربین فرانسیس(Francis Turbine) :

توربین فرانسیس برای اولین بار در انگلستان اختراع شد و جزء توربین های با عکس العمل می باشد. در این توربین آب تحت فشار به یک محفظه مارپیچی شکل با مقاطع عرضی دایره شکل وارد می شود که شکل آن شبیه یک صدف حلزونی است که چرخ های (توزیع کننده) توربین را دربر دارد به طوری که چرخ هادی تمام چرخ متحرک توربین را احاطه می کند. ساختمان و شکل محفظه حلزون و چرخ هادی طوری است که در تمام مقاطع آن سرعت متوسط ثابت است و از تغییرات سریع سرعت که در جریان ممکن است ایجاد گردد و سبب ضربه و شوک در توربین بشود، جلوگیری می نماید و قطر مقاطع عرضی محفظه به تدریج کاهش می یابد، به طوری که دبی Q در اطراف چرخ هادی یکنواخت، داخل شده و سپس تقسیم و توزیع می گردد. حلقه یا چرخ هادی شامل دو تاج فلزی هم مرکز است. تاج با قطر خارجی D است که تاج داخلی چرخ را احاطه می کند.

پیکره بندی توربین

توربین های بزرگ امروزی، با توجه به مسائل عملی طراحی و ملاحظات سازندگان، از چندین بخش تشکیل می شوند که به طور ردیفی روی یک محور یا به طور متقاطع روی دو محور موازی قرار می گیرند. این بخش ها ممکن است از یک بخش فشار بالا، یک بخش فشار میانی، و دو بخش فشار پایین تشکیل شوند که همگی در یک ردیف قرار می گیرند، ولی دو بخش فشار پایین تا جایی که به جریان بخار مربوط می شود به طور موازی کار می کنند. ممکن است بخش ها شامل یک بخش فشار بالا و سه بخش فشار پایین باشند و غیره. تعدد بخش های فشار پایین موجب کاهش ارتفاع پره ها می شود، به طوری که ارتفاع پره ی آخرین طبقه در یک توربین 1000 مگا واتی و با سرعت 1800(rpm )  حدود 110 سانتی متر می باشد. پیکره بندی توربین ها تحت تاثیر چگونگی پذیرش بخار نیز قرار می گیرد.

توربین بادی

ورود به مطلب اصلی توربین بادی

انواع توربین بادی:

1. توربین بادی با محور افقی : در این توربین ها ژنراتور الکتریکی و رتور باید در ارتفاع بالا و در جهت وزش باد قرار بگیرد.. در این توربین ها برای افزایش سرعت از یک جعبه دنده استفاده می کنند و برای تعیین جهت وزش باد در توربین های کوچک از یک بادنمای ساده و در توربین های بزرگ از یک سنسور برای تعیین جهت باد استفاده می کنند.

2. توربین بادی با محور عمودی: در این توربین ها رتور اصلی به صورت عمودی قرار می گیرد و نیازی به تنظیم  جهت قرار گیری آن نسبت به جهت وزرش باد ندارد.ا ز جمله عیب این توربین ها  سرعت دورانی پایین آنها می باشد.

اجزای تشکیل دهنده توربین بادی:

1.پره  Blades

2. رتور  Rotor

3. گام  Pitch

4. ترمز  Brake

5. شافت کم سرعت  Low-speed shaft

6. گیربکس  Gear Box

7. ژنراتور  Generator

8. کنترل کننده  Controller

9. بادسنج  Anemometer

10. پره باد نما Wind vane

11. Nacelle

12. شفت سرعت بالا  High-speed shaft

13. درایو انحرافی  Yaw drive

14. موتر انحرافی  Yaw motor

15. برج  Tower

تنوع در مکان های استفاده از توربین بادی

توربین بخار

ورود به مطلب اصلی توربین بخار

اولین توربین بخار ثبت شده در تاریخ، توربین بخاری است که توسط هرواسکندرانی در حدود قرن اول میلادی ساخته شد. این توربین از یک کره تو خالی تشکیل می شد که قادر بود حول یک محور افقی، در فاصله بین دو لوله ثابت که کره را به یک دیگ بخار مربوط می کردند، بچرخد. بخار تولید شده در دیگ وارد کره می شد و به طور مماسی از طریق دو عدد شیپوره در هوای جو تخلیه می شد. شیپوره ها در صفحه ی عمود بر محور دوران و در دو جهت مخالف هم قرار داشتند. توربین های بخار با دریافت انرژی آب به صورت بخار و تبدیل آن به انرژی دورانی، برق را توسط ژنراتور ها تولید می کنند وشامل دو دسته هستند:

1. توربین های ضربه ای

2. توربین های عکس العملی

توربین های ضربه ای

توربین های ضربه ای:

توربین های ضربه ای یا طبقات ضربه ای که ساختمان ساده ای دارند، عبارت از توربین های تک چرخانه ای یا چند چرخانه ای که پره های ضربه ای به آنها متصل می شوند. پره های ضربه ای را می توان از شکلشان تشخیص داد. این پره ها معمولا متقارن اند و اندازه ی زوایای ورودی و خروجی در آنها در حدود 20 درجه است. به خاطر اینکه معمولا در طبقات ورودی توربین بخار که فشار بالایی دارند از آنها استفاده می شود و چون در این طبقات حجم ویژه بخار کم است و مساحت سطح مقطع عبور جریان کوچکتری در مقایسه با طبقات فشار پایین مورد نیاز است، پره های ضربه ای کوتاه اند و مساحت سطح مقطع عبور جریان در آنها ثابت است. توربین پلتون نمونه ای از این توربین می باشد.

توربین ضربه ای تک طبقه: توربین ضربه ای تک طبقه که آن را با نام مخترعش توربین دولاوال نیز می نامند، شامل یک عدد چرخانه است که پره های ضربه ای به آن متصل می شوند. بخار از طریق یک یا چند عدد شیپوره همگرا-واگرا تغذیه  می شود، این شیپوره ها تمام پیرامون چرخانه را در بر نمی گیرند و از این رو در هر لحظه تنها بخشی از پره ها با بخار مواجه می شوند. همچنین با بستن یک یا چند شیپوره می توان توربین را کنترل کرد.

توربین های ضربه ای مرکب سرعتی: این توربین ها برای اولین بار توسط کورتبس پیشنهاد شد تا مسائلی که هنگام استفاده از بخار با فشار و دمای بالا در توربین ضربه ای تک طبقه به وجود می آمدند، حل شوند. توربین کورتیس مانند توربین تک طبقه است که از یک مرحله شیپوره تشکیل می شود و به دنبال آن به جای یک ردیف پره متحرک، دو ردیف پره قرار می گیرند. این دو ردیف به وسیله ی یک ردیف پره ثابت که به پوسته توربین متصل هستند، از هم جدا می شوند. وظیفه پره های ثابت تنها هدایت بخار خروجی  از ردیف اول پره های متحرک به ردیف دوم این پره ها است.

توربین ضربه ای مرکب فشاری: برای بر طرف کردن مساله سرعت بالای پره در یک توربین ضربه ای تک طبقه، می توان کل افت آنتالپی را به آسانی و تقریبا به تساوی بین شیپوره های چندین طبقه ی ضربه ای  که به طور متوالی قرار می گیرند، تقسیم کرد. چنین توربینی را به نام مخترعش توربین راتو می نامند. از این رو سرعت بخار ورودی به هر طبقه اساسا با هم مساوی  و مقدار آن متناسب با تغییرات آنتالپی می با شد. با صرف نظر از سرعت های ورودی به شیپوره ها داریم:

که در آن:  کل افت آنتالپی ویژه ی بخار در توربین و n تعداد طبقات را نشان می دهد.

توربین عکس العملی

توربین های عکس العملی : طرز کار توربین های عکس العملی در اصل به وسیله پارسونز اختراع شد. این توربین از سه طبقه که  هر کدام شامل یک ردیف پره ثابت و یک ردیف پره متحرک است، تشکیل می شود. پره های ثابت طوری طراحی می شوند که مجرای بین آنها به صورت یک شیپوره در می آید. پره های متحرک توربین عکس العملی  از این جهت به آسانی از پره های متحرک توربین ضربه ای متمایزند که متقارن نیستند و چون مثل شیپوره عمل می کنند، شکلی همانند پره های ثابت دارند هرچند که انحنای آنها در جهت مخالف است. از جمله این توربین ها می توان به توربین های کاپلان و فرانسیس اشاره کرد.

توربین کاپلان

توربین کاپلان(kaplan turbine) :

این توربین شامل یک چرخ هلیسی است و برای اولین بار در چک اسلواکی اختراع شد. معمولا دارای محور  قائم بوده و تغذیه آب در آن همانند توربین فرانسیس به وسیله عضو مارپیچی حلزونی که از جنس فولاد و یا بتن مسلح است که داخل یک فونداسیون بتنی قرار دارد، انجام می گیرد. ممکن است مقطع عرضی آن مستطیل مستقیم باشد.

 پره های هادی در این توربین قابل تنظیم است و ورود آب به توربین را تنظیم می کنند و جریان آب به موازی محور هلیس (جریان محوری) است. پره ها به وسیله جریان آب جذب انرژی نموده و چرخ را می چرخانند. آب در امتداد کانال خروجی به وسیله یک لوله مکش خارج می گردد. پره های چرخ های توربین هلیس ثابت هستند ولی در توربین کاپلان و دریاز پره ها متحرک می باشند و با یک دستگاه تنظیم یا دستگاه فرمان برای کنترل دبی قابل تنظیم هستند. هر یک از انحراف یا زاویه پره های هلیس مربوط به یک دبی است. این دستگاه در فاصله حلقه مرکزی هسته  بر روی پره ها در هسته نصب می باشد. سرعت مخصوص توربین کاپلان بین 80 تا 300 دور در دقیقه می باشد.

توربین دریاز

  این توربین دارای یک چرخ هلیس با پره های قابل تنظیم است. اما محور پره ها مایل و تحت زاویه 45-30 درجه نسبت به محور چرخش توربین می باشند. جریان در آن محوری نیست بلکه جریان مختلط است، این زاویه در توربین کاپلان قائمه می باشد.

توربین فرانسیس

توربین فرانسیس(Francis Turbine) :

توربین فرانسیس برای اولین بار در انگلستان اختراع شد و جزء توربین های با عکس العمل می باشد. در این توربین آب تحت فشار به یک محفظه مارپیچی شکل با مقاطع عرضی دایره شکل وارد می شود که شکل آن شبیه یک صدف حلزونی است که چرخ های (توزیع کننده) توربین را دربر دارد به طوری که چرخ هادی تمام چرخ متحرک توربین را احاطه می کند. ساختمان و شکل محفظه حلزون و چرخ هادی طوری است که در تمام مقاطع آن سرعت متوسط ثابت است و از تغییرات سریع سرعت که در جریان ممکن است ایجاد گردد و سبب ضربه و شوک در توربین بشود جلوگیری می نماید و قطر مقاطع عرضی محفظه به تدریج کاهش می یابد، به طوری که دبی Q در اطراف چرخ هادی یکنواخت، داخل شده و سپس تقسیم و توزیع می گردد. حلقه یا چرخ هادی شامل دو تاج فلزی هم مرکز است. تاج با قطر خارجی D  است که تاج داخلی چرخ را احاطه می کند.

چرخانه توربین

چرخانه در واقع قلب توربین به شمار می رود. مواد لازم برای ساخت چرخانه با دقت تمام انتخاب می شود تا در دراز مدت در مقابل نرم شدن و خزش مقاومت داشته باشد. این مواد به طور یکنواخت تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند، و شکل پذیری با دوامی دارند و در مقابل پوسته- پوسته شدن به خوبی مقاوم هستند. گذشته از مواد، روش های ساخت و تنش های کارکردی از جمله مواردی هستند که باید مورد استفاده قرار گیرند. چرخانه توربین های نیروگاه های هسته ای خنک شونده با آب در مقایسه با توربین های نیروگاه های فسیلی مسائل کمتری دارند، زیرا دمای بخار در آنها پایین تر است . ( در حدود 285 در مقابل 540 درجه سانتی گراد)

توربین گازی

توربین گازی:

توربین های گازی معمولا برای تولید توان قله مورد استفاده قرار می گیرند، هرچند که برخی مواقع آنها را، به ویژه به هنگام خرابی عمده در شبکه تولید، برای تولید بار میانی و بار پایه نیز، به کار می برند. توربین های گازی اساسا بر دو نوع اند: توربین جریان شعاعی و توربین جریان محوری.

توربین گازی جریان شعاعی: این توربین ها در ظاهر شبیه یک کمپرسور مرکز گریز است، البته با این تفاوت که در آن جریان به جای آن که در جهت شعاع به طرف خارج با شد به سمت داخل است. توربین های جریان شعاعی به طور گسترده ای در اندازه های کوچک مورد استفاده قرار می گیرند. این توربین ها هنگامی که با کمپرسور مرکزگریز ترکیب می شوند تشکیل یک چرخانه یکپارچه را می دهند. موارد استفاده متداول چنین ترکیبی در موتور های دیزلی ساکن و دریایی و اخیرا در موتور های دیزلی و بنزینی خودرو ها است. بازده آنها جز در اندازه های کوچک، به حد توربین های گازی محوری نمی رسد.

توربین های گازی با جریان محوری: این توربین ها مشابه توربین های بخار هستند، با این تفاوت که در آنها  شاره یا به صورت گاز خالصی مانند هلیم است که برای  استفاده در راکتور های دمای بالا و خنک شونده با گاز مناسب است، یا به صورت هوا و محصولات احتراقی است که در توربین های گازی فسیل سوز مورد استفاده قرار می گیرند. فشار ورودی توربین گاز در مقایسه با توربین بخار بسیار پایین تر است. این فشار در توربین های گازی فسیل سوز در حدود 6 تا 10 اتمسفر، و در توربین های هلیم حدود 2 یا 3 اتمسفر است. تعداد طبقات توربین های  فسیل سوز اندک و معمولا  بین 1 تا 3 عدد است، در حالی که تعداد طبقات توربین های هلیم بسیار بیشتر است.

این مطلب را می توان با توجه  به سرعت پره ، که تابع مستقیمی از سرعت گازاست نشان داد

سرعت گاز را می توان، با صرف نظر کردن از سرعت ورود به پره های ثابت ، از رابطه زیر بدست آورد :

که در آن اندیس های o و s  ورودی و خروجی پره های ثابت ویا شیپوره ها را مشخص می کند.

مدت زمان لازم برای تحویل توربین گازی نسبتا کوتاه است و می توان آن را سریعا نسب کرد و مورد استفاده قرار داد. راه اندازی نیروگاه توربین گازی سریع و غالبا از طریق کنترل از دور است. با استفاده از توربین گازی، علاوه بر تولید برق می توان برخی نیاز های جانبی را نیز مانند تولید هوای فشرده تامین کرد. انواع سوخت های مایع و گازی از جمله سوخت های سنتزی جدید مانند گاز های با ارزش گرمایی پایین را می توان در توربین های گازی به کار برد. توربین های گازی در مقایسه با سایر دستگاه های اساسی تولید، محدودیت های زیست محیطی کمتری دارند.

پره گذاری توربین گازی:

بازده چرخه توربین گازی (چرخه برایتون) به اندازه چرخه رانکین نیست و از این رو طراحان توربین گازی تلاش می کنند که بازده آن را با به کار بردن پره های تابدار در همه طبقات آن بهبود ببخشند. در توربین گازی همواره از پره عکس العملی استفاده می شود. این نوع پره تا حدی عکس العملی  و تا حدی ضربه ای است، ولی درجه عکس العملی آن از پایه تا نوک پره افزایش می یابد.از این رو، طراحان توربین گازی معمولا درجه عکس العمل را مشخص نمی کنند و حتی استفاده از اصطلاحات پره عکس العملی  یا ضربه ای  نیز متداول نیست.

اصطحکاک شاره

اصطحکاک شاره مهمترین عامل اتلاف ها در توربین به شمار می رود. اصطحکاک در سراسر توربین، از جمله در شیپوره ها و پره های متحرک وجود دارد. با کاهش سرعت های بخار می توان مقدار اصطحکاک را کاهش داد. همچنین هنگامی که پره ها در بار هایی غیر از بار طراحی عمل می کنند و زاویه ورود مناسب نیست نیز تلاطم هایی در پره ها به وجود می آید. بین بخار و قرص های چرخانه که پره ها روی آن قرار دارند نیز اصطحکاک وجود دارد، وطراحی چرخانه نیز به همین دلیل اهمیت دارد. به علاوه، دوران چرخانه و پره، نیروی مرکز گریزی بر بخار اعمال می کند که موجب می شود بخشی از آن به طور شعاعی جریان یابد و در طول پره های متحرک کشیده شود. هنگامی که پذیرش بخار به پره های متحرک کمتر از پذیرش کامل است، مانند طبقه ضربه ای، در پره های متحرک وضعیتی چرخشی پدید می آید که اتلاف ناشی از آن را اتلاف پروانه ای می نامند.

تلفات ناشی از اصطحکاک شاره ای می تواند از 10 درصد انرژی داده شده به توربین فراتر رود.

ترکیب توربین ها

در زمان های پیشین، توربین های ساخته شده یا از نوع ضربه ای خالص و یا از نوع عکس العملی خالص بودند. با گذشت زمان، سازندگان در ترکیب وادغام توربین ها، به ویژه در اندازه های متوسط و بزرگ آزادی عمل پیدا می کردند. آرایشی که بیشتر متداول است عبارت است از ترکیب تک طبقه کورتیس با تعداد زیادی طبقات عکس العملی. این آرایش دارای برخی امتیازات است. طبقه ی ضربه ای برای پذیرش فشار های بالا نسبت به طبقه عکس العملی  بیشتر مناسب است زیرا در پره های متحرک آن در واقع هیچ افت فشاری وجود ندارد. پس از طبقه ضربه ای، فشار به اندازه ای پایین است که، دیگر می توان از طبقات عکس العملی  که بازده بیشتری دارند استفاده کرد.