انواع توربین و کاربردهای آن‌ها

در این برگه قصد داریم به معرفی انواع توربین و کاربردهای آن‌ها بپردازیم. پس با ما همراه باشید. 

فهرست مطالب

1- توربین چیست؟

2- انواع توربین

3- مزایا و معایب توربین‌ها

4- کاربرد توربین‌ها

——————————

1- توربین چیست؟

توربین قسمت چرخشی تجهیز است که انرژی جنبشی برخی از سیالات مانند آب، بخار، هوا یا گاز در حال کار را به انرژی مکانیکی مفید و/یا انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. این عملکرد در نگاه اول ساده بنظر می‌رسد، اما با بررسی عمیق‌تر میبینیم که هیچ چیز ساده نیست. در ساختار توربین، مجموعه‌ای از تیغه‌ها برروی روتور نصب شده‌اند که به استخراج انرژی از سیال متحرک کمک می‌کنند. کارایی توربین‌ها به طراحی پره‌ها بستگی دارد و برنامه های کاربردی مختلف به طرح های متفاوتی نیاز دارند. امروز با انواع مختلف توربین ها و اصول کار آن ها آشنا خواهیم شد.

به طور عمده توربین ها به 4 دسته کلی طبقه بندی می شوند که عبارتند از:

• توربین آبی
• توربین گازی
• توربین بادی
• توربین بخار

——————————

2- انواع توربین

توربین آبی:

توربین‌هایی که برای استخراج انرژی از آب استفاده می‌کنند و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند، توربین آبی یا توربین هیدرولیک نامیده‌می‌شوند. برای استفاده از این نوع توربین، میلیون‌ها لیتر آب از یک سد جمع آوری می‌شود. ارتفاع سد تعیین کننده فشاری است که آب در آن جریان دارد. آب با فشار بالا از طریق یک لوله بزرگ به نام پنستاک جریان می‌یابد. این توربین در انتهای پنستاک قرار دارد و به آب تحت فشار دسترسی می دهد تا با سرعت بالا به پره‌های توربین برخورد کند و باعث چرخش آن شود. برق زمانی تولید می‌شود که توربین به یک ژنراتور متصل شود. شکل پره‌های توربین به فشار و سرعت آب بستگی دارد. توربین های آبی به 2 نوع طبقه بندی می شوند که عبارتند از:

• نوع ضربه ای
• نوع واکنشی

یک توربین ضربه‌ای اساساً بر اساس اصل قانون دوم نیوتن کار می‌کند. در این مدل به جای تیغه ها بر روی توپی روتور، تعدادی باکت بیضوی نیمه اندازه تعبیه شده‌است. بنابراین، هنگامی که آب با سرعت بالا به باکت‌ها برخورد می‌کند، روتور شروع به چرخش می‌کند، به این معنی که انرژی جنبشی آب به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. بنابراین، زمانی که یک سر شفت توربین به ژنراتور متصل می‌شود، برق تولید می‌شود. نمونه‌هایی از توربین ضربه ای شامل پلتون و تورگو است.
در یک توربین واکنشی، مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی آب که به ترتیب ناشی از فشار و سرعت هستند باعث چرخش پره‌های توربین می‌شود. تمام بدنه این توربین در آب غوطه ور است و تغییر فشار آب همراه با انرژی جنبشی آب باعث تبادل نیرو می‌شود.

 توربین گازی:

توربین های گازی اغلب در موتورهای حرارتی استفاده می‌شوند، به همین دلیل به آنها موتورهای احتراق داخلی نیز می‌گویند. آنها یکی از انعطاف پذیرترین انواع توربین‌ها هستند که  همین امر کاربرد آنها را گسترده می‌کند. به عنوان مثال، در نیروگاه‌ها، برای تولید برق و همچنین برای رانش هواپیما و هلیکوپتر استفاده می‌شوند.
این سیستم دارای یک کمپرسور محوری در ورودی است که مجموعه‌ای از پره‌های دوار هستند. این تیغه‌ها مقدار زیادی هوا را مکیده و آن را فشرده می‌کنند تا دمای هوا را افزایش دهند. در کار این نوع توربین‌ها، سوخت به محفظه احتراق اضافه می‌شود و یک جرقه زن، سوخت را مشتعل می‌کند. بنابراین، مقدار زیادی گاز خروجی تولید می‌شود که از طریق توربین‌ها جریان می‌یابد.
توربین گازی را می‌توان بر اساس مسیر ماده کار به دو دسته طبقه بندی کرد که عبارتند از:

• توربین گازی سیکل بسته: که شامل گردش هوای مداوم گاز در توربین است.
• توربین گازی چرخه باز: هوا در قسمت توربین در گردش نیست. به عبارتی، هوا پس از آن به سمت توربین ها و در نهایت به اتمسفر منتقل می‌شود.

انواع مختلف توربین گازی عبارتند از:

• توربوجت
• توربوفن
• توربوشفت
• رامجت

 توربین بادی:

اختراع توربین بادی به نفع بشر بوده‌است، زیرا به عنوان روشی پاک برای تولید برق شناخته می‌شود. درست مانند سایر انواع توربین، توربین بادی دارای سه پره است و به گونه‌ای طراحی شده است که وقتی باد مستقیم از میان آنها می‌گذرد، بچرخد. توربین های بادی با دور در دقیقه بسیار پایین می‌چرخند که نمی توانند الکتریسیته با فرکانس مورد نیاز تولید کنند. به همین دلیل است که برای افزایش سرعت شفت به یک گیربکس در سیستم نیاز است. خروجی آن چیزی است که به ژنراتور متصل است و برق تولید می کند. به عبارت دیگر، انواع توربین های بادی با تبدیل انرژی جنبشی باد به نیروی مکانیکی عمل می کنند. سپس از این نیرو برای تولید برق با چرخاندن یک ژنراتور استفاده می‌شود. این توربین می تواند در خشکی یا در فراساحل نصب شود.

انواع توربین بادی عبارتند از توربین بادی محور افقی و توربین بادی محور عمودی.

• توربین بادی محور افقی: توربین بادی که در آن شفت توربین به صورت افقی به سمت زمین باشد، توربین بادی محور افقی نامیده می‌شود.
• توربین بادی محور عمودی: توربین بادی که در آن شفت توربین به سمت زمین عمودی است، توربین بادی محور عمودی نامیده‌ می‌شود.

 توربین بخار:

انواع توربین بخار اغلب در نیروگاه های هسته ای و حرارتی استفاده می شود. برای استفاده از این نوع توربین، آب برای تولید بخار گرم می‌شود و سپس از طریق توربین جریان می یابد و برق تولید می کند. یک توربین بخار را می توان براساس عملکرد به انواع ضربه ای و واکنشی طبقه بندی کرد. تفاوت این توربین در چیدمان و طراحی متفاوت است.
توربین های بخار از پره‌های دوار به نام روتور و پره های ساکن به نام استاتور تشکیل شده‌اند. این دو جزء به طور متناوب قرار می‌گیرند تا بیشترین انرژی را از آن استخراج کنند. این فرآیند به عنوان ترکیب شناخته می شود. در یک توربین ضربه ای، باکت های متحرک طوری طراحی شده اند که توسط بخار رانده شوند. در حالی که پره‌های روتور در توربین‌های واکنشی به شکل ایروفویل هستند که به خود اجازه ایجاد واکنش را می‌دهند. علاوه براین، به بخار اجازه می‌دهند تا سرعت خود را حفظ کند. در اکثر توربین های بخار، بخار ابتدا از طریق توربین فشار قوی (H.P) و سپس توربین فشار متوسط (I.P) جریان می‌یابد. بدین ترتیب که ابتدا بخار گرم می شود و سپس از طریق توربین فشار کم (L.P) (مجموعه پره‌های عظیم) جریان می‌یابد. هدف از افزایش اندازه تیغه ها از سمت داخلی به سمت بیرونی به این دلیل است که بخار در حالی که فشار و انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد، منبسط می‌شود.

نوع دیگری از طبقه بندی برای توربین های بخار وجود دارد که براساس جهت گردش بخار می‌باشد و عبارت است از:

• توربین جریان محوری: اگر جریان بخار از طریق رانر در جهت موازی محور رانر جریان یابد، توربین جریان محوری نامیده می‌شود.
• توربین جریان شعاعی: جریان بخار از طریق رانر در جهت شعاعی از رانر خارج می‌شود.

——————————

3- مزایا و معایب توربین ها

مزایای انواع مختلف توربین ها به شرح زیر است:

• توربین های آبی مزایای زیادی دارند، از جمله این واقعیت که منبع انرژی پاک و بدون آلودگی هستند، نیازی به سوخت ندارند و آب منبع انرژی آن‌ها است.
• انرژی تولید شده توسط توربین‌های بادی پاک و قابل تجدید است و همچنین هزینه کمتری برای بهره برداری دارد و نسبت به سایر انواع تولید انرژی زمین کمتری را اشغال می‌کند.
• از مزایای توربین‌های بخار می‌توان به قابلیت اطمینان بالا، ارتعاش کم، نیاز جریان جرمی کم، نسبت توان به وزن بالا و راندمان حرارتی بالا اشاره کرد.
• از جمله مزایای توربین‌های گازی می‌توان به عمر طولانی، نیاز به تعمیر و نگهداری کم، راندمان انرژی خوب، صدای کم و اثرات زیست محیطی کم اشاره کرد.

معایب انواع توربین‌ها به شرح زیر است:

• توربین های آبی دارای معایبی هستند که عبارتند از: مخازن کم، هزینه های بالا، جابجایی افراد و اثرات زیست محیطی.
• استفاده از توربین بخار معایبی دارد که شامل زمان راه اندازی طولانی، هزینه بالا و زمان پاسخ آهسته است.
• معایب توربین بادی شامل تولید صدای زیادی ، تغییر چشم انداز منظره و امکان نصب در مکان های خاص است.
• توربین‌های گازی دارای معایبی هستند که شامل راندمان پایین و استفاده محدود در تنظیمات سیکل ترکیبی است.

——————————

4- کاربرد توربین ها

• نیروگاه‌های برق آبی از توربین های آبی با هد بالا، و معمولاً از توربین ضربه ای استفاده می‌کنند.
• برق با استفاده از یک توربین نوع واکنشی در نیروگاه‌های بادی تولید می‌شود.
• توربین‌های بادی را می‌توان در مکان‌هایی یافت که باد ثابت و قوی است، مانند تپه‌های گرد، در امتداد ساحل، در دشت‌های باز و در شکاف‌های کوهستانی. توربین‌های بادی بزرگ می‌توانند 100 کیلووات تا مگاوات برق را در اختیار شبکه قرار دهند.
• توربین‌های بخار در صنایع مختلف در مقیاس متوسط تا بزرگ از جمله کارخانه‌های شیمیایی، تاسیسات تصفیه زباله و کارخانه‌های نفت، گاز و شکر استفاده‌می‌شوند.
• توربین گاز یک موتور احتراق داخلی است که در نیروگاه‌ها برق تولید می‌کند و هواپیماها و هلیکوپترها را نیرو می‌دهد.

 

مراجع

 Types of Turbine

Different types of turbine

مطالب مرتبط

انواع توربین بادی و تفاوت آن‌ها

نحوه کار توربین بادی و اجزای آن