توربین چیست ؟

توربین چیست ؟

توربین ها ابزارهای مکانیکی دوار هستند که از طریق استفاده از جریان سیالات یا منابع دیگر برای تولید انرژی مکانیکی استفاده می کنند و اغلب برای ایجاد توان الکتریکی در ترکیب با یک ژنراتور استفاده می شوند.

• توربین ضربه ای

این توربین از پره های متحرک و ثابت و نازل های ثابت تشکیل شده ست. در توربین ضربه ای بخار در نازل های ثابت منبسط شده و از روی پره های متحرک با فشار ثابت عبور می کند و اگر توربین یک مرحله ای باشد از آن خارج می شود اما در توربین های چند مرحله ای با هدایت پره های ثابت بخار وارد مرحله بعدی شده و پره های دیگر را به حرکت در میاورد. در توربین های چند مرحله ای ابتدا فشار زیاد است و در گذر از مرحله ها فشار افت کرده و متوسط می شود.

اولین توربین بخار De Laval یک توربین ضربه ای با یک چرخ تک پره ای بود. در این توربین ها افت فشار در نازل های ثابت اتفاق میافتد. برای اینکه تیغه های متحرک در حرکت باشند، باید یک افت فشار کمی روی تیغه ها داشته باشیم، در توربین ضربه ای بخار از طریق نازل منبسط شده و انرژی پتانسیل فشار ایجاد شده از این انبساط به انرژی جنبشی تبدیل می شود. بخار با سرعت بالا از نازل های ثابت به پره ها نیرو وارد می کند و تکانه حاصل از این نیرو، تیغه ها را به جلو هدایت می کند و موجب چرخش روتورهای توربین می شود. معمولا پره های توربین به صورت سری به هم وصل می شوند که بازده انرژی را بالا ببرند. در شکل زیر توربین بخار De Laval نشان داده شده است:

• توربین واکنشی یا عکس العملی

این توربین از پره های ثابت و نازل های متحرک تشکیل شده است. بخار در داخل پره ها و نازل ها منبسط می شود. این توربین ها یک نازل بخار همگرا دارند که در حین عبور بخار از روی پره های ثابت با کاهش فشار بخار و افزایش انرژی جنبشی منبسط می شود. و درنتیجه انرژی پتانسیل بخار به انرژی جنبشی تبدیل شده و بخار با سرعت بالا به پره های متحرک نیرو وارد می کند. با افت فشار جهت حرکت بخار تغییر می کند. در توربين واکنشی افت فشار هم در نازل ها و هم پره های ثابت و متحرك اتفاق میافتد در حالی كه در توربين ضربه ای فشار فقط در نازل ها افت می كند و در پره های متحرك ثابت است. از نمونه های توربین های واکنشی می توان به توربین های کاپلان و فرانسیس اشاره کرد.
یکی از مزایای این توربین نسبت به توربین ضربه ای این است که بخار در عبور از هر مرحله دچار افت فشار کمتری می شود بنابراین می توانیم پره ها را کوچکتر و تعداد مراحل را بیشتر کنیم. از جهتی دیگر گستره کارایی این توربین ها بیشتر است.مثلا برای تولید برق با توربین بخار، یک توربین واکنشی به دو برابر تعداد پره نسبت به توربین ضربه ای نیاز دارد که این موجب می شود توربین واکنشی بزرگتر و سنگین تر شود. بازده کلی توربین واکنشی کمی بیشتر از توربین ضربه ای است. در شکل زیر توربین کاپلان به طور شماتیک نشان داده شده است

توربین فرانسیس (Francis)  این توربین یک توربین واکنشی با جریان داخل‌شونده (Inward Flow) است که از مفاهیم جریان محوری (Axial) و گردشی (Radial) بهره می‌برد. این توربین پرکاربردترین توربین است. این توربین از نوع عکس‌العملی بوده و به همین دلیل در یک سوی آن آب پرفشار و در سوی دیگر آب خروجی کم فشار وجود دارد. ورودی شکل حلزونی دارد و این ساختار به کمک دریچه‌های هدایت کننده) Wicket Gates or Guide Vanes) باعث می‌شوند آب مماس وار (tangentially) به رانر برخورد کند و رانر به چرخش درآید. هرچه آب بیشتر به دور توربین می‌چرخد شعاع مجرای آن کمتر می‌شود که در نتیجه آب سرعت از دست رفته خود را احیا می‌کند. در نهایت آب خروجی دارای حداقل انرژی جنبشی و پتانسیل است. هزینه طراحی، ساخت و نصب توربین‌های فرانسیس بسیار زیاد است اما برای سالیان متمادی کار می‌کنند.

انواع توربین :

در حالی که توربین ها را می توان با توجه به نحوه عملکردشان به عنوان ضربه ای یا واکنشی طبقه بندی کرد، چهار نوع توربین وجود دارد که بر اساس سیالی که نیروی محرکه را تامین می کند، طبقه بندی می کند: بخار، گاز، آب و باد.

 توربین‌های بخار، آب و بادی همگی برای تولید برق استفاده می‌شوند و توربین‌های گازی اغلب توسط هواپیماهای جت برای نیروی محرکه استفاده می‌شوند. توربین بخار عمدتاً توسط نیروگاه هایی استفاده می شود که یا سوخت های فسیلی را می سوزانند یا از انرژی هسته ای برای به حرکت درآوردن ژنراتورها برای برق مصرفی استفاده می کنند. همچنین توربین های بخار نیروی زیردریایی ها و کشتی ها را تامین می کنند. آب یا توربین هیدرولیک تقریباً به طور انحصاری در نیروگاه های برق آبی برای تأمین انرژی یک ژنراتور الکتریکی استفاده می شود که سپس برای خانه ها، ادارات و کارخانه ها برق تولید می کند. توربین‌های بادی ماشین‌های عمودی که تیغه‌های غول‌پیکر کمان‌شکل آن‌ها شبیه همزنهای بزرگ هستند تا از طریق باد برق تولید کنند. توربین گاز عمدتاً توسط هواپیماهای جت استفاده می شود.

• توربین‌های بخار:  برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از زغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به‌کار برده می‌شوند روزی از آن‌ها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.
• توربین‌های گازی:  این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم‌کننده و یک نازل است.
• توربین‌های آبی : توربین‌های آبی چرخ‌هایی هستند که انرژی جنبشی حاصل از جریان آب یا انرژی پتانسیل ناشی از اختلاف تراز آب را تبدیل به حرکت دورانی می‌کنند. این توربین‌ها دامنه گسترده‌ای دارند: از ساده‌تری چرخ‌های آسیاب تا بزرگ‌ترین و پیچیده‌ترین توربین‌هایی که در نیروگاه‌های آبی کاربرد دارند.
• توربین بادی:  توربینی است که برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی به کار می‌رود.

در ایجا به صورت مختصر به توضیحاتی در خصوص هر کدام از انواع توربینها ارائه می دهیم :

• توربین بخار

 توربین بخار دستگاهی است که انرژی حرارتی را از بخار تحت فشار استخراج می کند و از آن برای انجام کارهای مکانیکی روی شفت خروجی چرخان استفاده می کنند. به ویژه برای به کار انداختن ژنراتور الکتریکی مناسب است. توربین های بخار در اندازه های مختلفی ساخته می شوند، از واحدهای کوچک < 0.75 کیلووات که به عنوان محرک های مکانیکی برای پمپ ها، کمپرسورها و سایر تجهیزات دارای محور تا توربین های 1.5 گیگاواتی که برای تولید برق استفاده می شوند.  یک توربین بخار ایدآل به صورت یک فرآیند آیزنتروپیک ( isentropic) یا فرآیند آنتروپی ثابت در نظر گرفته می شود که در آن آنتروپی  بخار ورودی به توربین و با آنتروپی از بخار خروجی توربین برابر است . هیچ توربین بخاری واقعا آیزنتروپیک نیست و راندمان آیزنتروپیک بر حسب کاربرد توربین معمولا در بازه 20 تا 90 درصد تغییر می کند. داخل یک توربین شامل چند مجموعه پره است. یک دسته از پره های ثابت به پوسته و دسته دیگر از پره های دوار به شفت متصل است. این مجموعه دارای یک شبکه داخلی با حداقل فضای خالی است که اندازه و آرایش مجموعه های مختلف باعث بهره برداری بهینه از انبساط بخار در هر مرحله می شود.

• توربین های گازی

توربین گاز، (Gas Turbine)، یک ماشین دوار است که براساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌ کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است.

بخشی از انرژی مکانیکی تولید شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

کاربرد روز افزون توربینهای گازی در صنایع مختلف، به خصوص در صنایع نفت و الکترونیک، از قبیل به حرکت در آوردن پمپهای بزرگ در داخل خطوط لوله نفت و گاز ، تامین انرژی مورد نیاز کارخانه‌ها و مناطق خاص جدا از شبکه بسیار چشمگیر و قابل توجه است. همچنین در صنعت تولید نیروی برق شبکه‌های سراسری، با عنوان واحدهایی قادرند سریع در مدار قرار گیرند بسیار مورد توجه هستند.

از زمان تولد توربینهای گازی امروزی در مقایسه با سایر تجهیزات تولید قدرت، زمان زیادی نمی گذرد . با این وجود امروزه این تجهیزات به عنوان سامانه‌های مهمی در امر تولید قدرت مکانیکی مطرح هستند. امروزه به فناوری توربینهای گازی تکنولوژی مادر گفته می‌شود و کشوری که بتواند توربینهای گازی را طراحی کرده و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید کند.

همان طور که بیان شد از این تجهیزات در نیروگاهها برای تولید برق ( معمولا برای جبران بارپیک) موتورهای جلوبرنده (هواپیما، کشتیها و حتی خودروها)، در صنایع نفت و گاز برای به حرکت درآوردن پمپها و کمپرسورها در خطوط انتقال فرآورده‌ها و… استفاده می‌شود که امروزه کاربرد توربینهای گازی در حال گسترش است.

• توربین آبی

 Hydropower یا نیروی مبتنی بر آب، ترکیبی از ریزش عمودی و سپس جریان هموار آب است . به این نحو که با در دست داشتن یک هیدروماشین می توان آبی که از سطوح بالاتر به پایین می ریزد را به انرژی الکتریسیته تبدیل نمود. سرعت آب و میزان ارتفاع دهانه ملقب به head، دو فاکتور موثر در انرژی دریافتی هستند. در واقع آب به خودی خود هیچ انرژی را در برنمی‌گیرد. – اگر دهانه سراشیبی کمی داشته باشد، نیازمند جریان شدید تری است. – اگر جریان آب آرام باشد، نیازمند دهانه شیب تیزتری است. یکی از بارز ترین تفاوت های انرژی آبی در مقایسه با انرژی بادی یا انرژی خورشیدی این است که شما نمی توانید با اضافه کردن ماژول های گیرنده بیشتر، به همان میزان بیشتر برق بگیرید. زیرا انرژی آبی محدود به منبع خود است و شما با یک دستگاه می توانید تمامی بهره مندی خود را داشته باشید. این در حالی است که مبدل های باد و خورشید برای تولید الکتریسیته، تنها به فضای بیشتری نیازمندند.

• توربین بادی

توربین بادی وسیله ای است که توسط آن انرژی مکانیکی باد، به وسیله یک ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. توربین های باد دارای سه قسمت اصلی اند: برج، تیغه ها و روتر، پوشش محافظ هستند . برج همان سازه بلند و مستحکمی است که سایر اجزا بر روی آن سوارند، جنس آن می تواند از فولاد و یا بتن باشد و مرتفعترین آن در ایران به بلندی 85 متر است. روتر نیز جزء دواری است که تیغه ها به آن متصل شده اند و هنگامی که توربین روشن باشد با نیروی باد می چرخد. در درون پوشش محافط نیز سیستم کنترل، گیر بکس، ژنراتور و شفت ها قرار دارند. در نگاه اول به نظر می رسد که باد از بغل به تیغه ها خورده و آنها را به حرکت در می آورد، اما این نگاه کاملا اشتباه است. باد از روبرو و یا پشت ( بسته به نوع توربین که upwind یا downwind باشد) به صورت عمود با تیغه های توربین برخورد میکند. طراحی تیغه ها همانند طراحی بال های هواپیما است، یعنی قسمت پایینی آن صاف و قسمت بالا دارای خمیدگی است. این نوع طراحی باعث می شود که سرعت هوایی که از زیر تیغه ها حرکت می کند کمتر از قسمت بالای آن شود. این تغییر در سرعت باعث تغییر در فشار بالا و پایین تیغه ها می گردد، به گونه ای که فشار پایین از فشار بالا بیشتر شده و تیغه به سمت بالا حرکت می کند.

هرچه سرعت باد بیشتر باشد تیغه ها نیز با سرعت بیشتری حرکت می کنند و روتر را می چرخانند. حرکت چرخشی روتر توسط دو شفت و جعبه دنده به ژنراتور منتقل شده و در آنجا این انرژی مکانیکی به برق تبدیل می شود.

تقریبا تمام توان انرژی الکتریکی تولید شده بر روی زمین توسط نوعی از توربین تولید می شود. توربین ها اغلب بخشی از یک ماشین بزرگ تر هستند. مثلا توربین های گازی می توانند به عنوان یک ماشین احتراق داخلی در نظر گرفته شوند که شامل توربین، داکت ها، کمپرسور، محفظه احتراق، مبدل حرارتی، فن و در زمانی که برای تولید برق طراحی شده باشند یک آلترناتور می شوند. توربین های احتراقی و توربین های بخار می توانند با استفاده از یک گیربکس میانی  برای ایجاد سرعت چرخشی، به ماشین آلاتی همانند پمپ و کمپرسور متصل شوند و یا ممکن است برای پیش رانی در کشتی ها به کار روند. موتور های رفت و برگشتی پیستونی همانند موتور های هواپیما می توانند از توربینی استفاده کنند که از اگزوز موتور برای راندن یک کمپرسور هوای ورودی نیرو می گیرند که به این مکانیزم توربو شارژر یا سوپرشارژر توربینی گفته می شود.