فهرست مطالب
در این مقاله به توربین بخارو انواع آن پرداخته ایم، با ما همراه باشید.
توربین بخار چیست؟
توربین بخار در طبقه بندی یک ماشین مکانیکی قرار می گیرد که انرژی حرارتی را از بخار اجباری جدا میکند و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. از آنجایی که توربین حرکت چرخشی ایجاد می کند، برای عملکرد ژنراتورهای الکتریکی مناسب ترین است. خود نام نشان میدهد که دستگاه توسط بخار به حرکت در میآید و هنگامی که جریان بخار از پرههای توربین عبور میکند، بخار سرد میشود و سپس منبسط میشود و بنابراین تقریباً انرژی موجود در آن را تحویل میدهد و این روند مداوم است.
انواع توربین بخار :
توربینهای بخار بسته به ساختار، فشار کاری، اندازه و بسیاری از المانهای دیگر ممکن است به دستههای مختلفی طبقه بندی شوند. اما دو نوع اصلی از توربینهای بخار وجود دارد که به آنها توربین ضربه ای و توربین های واکنشی می گویند. انواع دیگری از توربینهای بخار وجود دارند که در واقع مشتقات این دو نوع اصلی هستند.
۱. توربین ضربه ای :
در توربین های ضربه ای، بخار فوق گرم با سرعت بالایی از نازل های ثابت در محفظه پخش می شود. هنگامی که بخار به پره ها برخورد می کند (که گاهی اوقات باکت نامیده می شود)، باعث چرخش محور توربین می شود. مراحل فشار بالا و فشار متوسط یک توربین بخار معمولاً توربینهای ضربه ای هستند. کل افت فشار بخار فقط در نازل های ثابت صورت می گیرد. اگرچه پرههای ضربه ای به صورت تئوری دارای افت فشار صفر در پرههای متحرک هستند، عملاً برای اینکه جریان در سراسر پرههای متحرک انجام شود، باید یک افت فشار کوچک در سراسر پرههای متحرک نیز وجود داشته باشد.
در توربین های ضربه ای بخار از طریق نازل منبسط می شود، جایی که بیشتر انرژی پتانسیل فشار به انرژی جنبشی تبدیل می شود. بخار با سرعت بالا از نازل های ثابت با ضربه به پرهها جهت آن را تغییر می دهد که به نوبه خود نیرویی را اعمال می کند. ضربه حاصل، تیغه ها را به جلو می راند و باعث چرخش روتور می شود.
ویژگی اصلی این توربین ها این است که افت فشار در هر مرحله می تواند بسیار زیاد باشد و امکان پرههای بزرگ و تعداد مراحل کمتر را فراهم می کند. به جز برای کاربردهای کم مصرف، پرههای توربین در چند مرحله به صورت سری قرار می گیرند که به آن ترکیب می گویند، که کارایی را در سرعتهای پایین بسیار بهبود میبخشد.
توربینهای بخار مدرن اغلب از هر دو نوع واکنشی و ضربهای در یک واحد استفاده میکنند، که معمولاً درجه واکنش و ضربه را از ریشه پره تا حاشیه آن تغییر میدهند. از آنجایی که مراحل کرتیس فشار و دمای سیال را به میزان قابل توجهی با نسبت بالایی از کار در هر مرحله کاهش می دهد، یک ترتیب معمول این است که در سمت پرفشار یک یا چند مرحله کرتیس و به دنبال آن مرحله بندی راتو (Rateau) یا واکنش ارائه شود. به طور کلی، زمانی که اصطکاک مراحل واکنش را در نظر میگیریم، مرحله واکنش کارآمدترین مرحله است و پس از آن راتو (Rateau) و کورتیس به ترتیب قرار میگیرند. تلفات اصطحکاکی برای مراحل کورتی قابل توجه است زیرا این تلفات با مجذور سرعت بخار متناسب است. دلیل اینکه تلفات اصطکاکی در مرحله واکنش کمتر قابل توجه است در این واقعیت نهفته است که بخار به طور مداوم منبسط می شود و بنابراین سرعت جریان کمتر است.
۲. توربین واکنشی :
در توربین واکنشی، بخار از پرههای ثابت استاتور نازلهای پرههای روتور شکل عبور میکند و باعث واکنش و چرخش محور توربین میشود. مرحله کم فشار یک توربین بخار معمولاً یک توربین از نوع واکنشی است. این بخار که قبلاً در مراحل بالا و میانی توربین منبسط شده است، اکنون فشار و دمای پایینی دارد و به طور ایده آل برای یک توربین واکنشی مناسب است.
در این نوع توربین ها، بخار از طریق نازل ثابت منبسط می شود، جایی که انرژی پتانسیل فشار به انرژی جنبشی تبدیل می شود. بخار با سرعت بالا از نازلهای ثابت به پرهها (نازل ها) ضربه می زند، جهت آنها را تغییر می دهد و تحت انبساط بیشتری قرار می گیرد. تغییر جهت آن و شتاب بخار نیرویی را اعمال می کند. ضربه حاصل، پرهها را به جلو میراند و باعث چرخش روتور می شود. هیچ تغییر خالصی در سرعت بخار در سراسر مرحله وجود ندارد، اما با کاهش فشار و دما، منعکس کننده کار انجام شده در حرکت روتور است. در این نوع توربینها افت فشار در چند مرحله صورت می گیرد، زیرا افت فشار در یک مرحله محدود است.
ویژگی اصلی این نوع توربین این است که بر خلاف توربین ضربه ای، افت فشار در هر مرحله کمتر است، بنابراین پره ها کوچکتر شده و تعداد مراحل افزایش می یابد. از سوی دیگر، توربین های واکنشی معمولا کارآمدتر هستند، به عنوان مثال. آنها “بازده توربین ایسنتروپیک” بالاتری دارند. توربین واکنشی توسط سر چارلز پارسونز اختراع شد و به توربین پارسونز معروف است.
در مورد توربینهای بخار، مانند توربینهایی که برای تولید الکتریسیته استفاده میشوند، یک توربین واکنشی تقریباً به دو برابر تعداد ردیفهای پرهای به عنوان یک توربین ضربهای، برای همان درجه تبدیل انرژی حرارتی نیاز دارد. در حالی که این باعث می شود که توربین واکنش بسیار طولانی تر و سنگین تر شود، بازده کلی یک توربین واکنش کمی بالاتر از توربین ضربه ای معادل برای همان تبدیل انرژی حرارتی است.
توربینهای بخار مدرن اغلب هم واکنش و هم ضربه را در یک واحد به کار میگیرند، که معمولاً درجه واکنش و ضربه را از ریشه تیغه تا حاشیه آن تغییر میدهند. پرههای روتور معمولاً مانند یک پره ضربه ای در محل پوسیدگی و مانند یک پره واکنش در نوک طراحی می شوند.
باید به خاطر داشته باشید که اگرچه تنها دو نوع توربین بخار وجود دارد اما آرایشهای مکانیکی متعددی از آنها وجود دارد که شامل توربینهای بخار گرم مجدد، توربینهای بخار ترکیبی متقاطع، توربینهای تک پوششی، توربینهای بخار پشت سر هم، توربینهای بخار چگالشی و خروجی ،محوری، شعاعی و توربینهای بخار جریانی می شود.
انواع دیگر توربینهای بخار :
همانطور که قبلاً گفتیم، تنها دو نوع اصلی توربین وجود دارد. اما انواع دیگری از توربینهای بخار وجود دارند که در واقع مشتقات آن دو توربین بخار اصلی با آرایشهای مختلف هستند که روش جدیدی از کار را ایجاد میکنند. بیایید ببینیم که چه چیزی از توربینهای بخار داریم.
توربینهای متراکم و غیر متراکم
دو نوع اول توربین بخار که بر اساس آرایش جدید و با روش کار جدید دسته بندی می شوند، متراکم و غیر متراکم هستند. در دستگاههای نوع اول، بخار در زیر فشار اتمسفر متراکم می شود تا حداکثر انرژی را از آن به دست آورد. در توربینهای غیر متراکم، بخار با فشار اتمسفر بالاتر از توربین خارج می شود و سپس برای گرم کردن یا سایر فرآیندهای مورد نیاز قبل از برگشت به عنوان آب به دیگ بخار استفاده می شود.
در مقایسه با سوخت مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار که در واقع بخار اشباع شده است، سوخت اضافی نسبتا کمی باید صرف شود تا فشار خروجی مولد بخار و به ویژه دما، افزایش یابد تا بخار فوق گرم تولید شود. وظیفه راه اندازی توربین را دارد.
بنابراین، توربینهای غیر متراکم زمانی که از قبل به مقادیر قابل توجهی گرمایش یا بخار فرآیندی نیاز است، وسیله ای اقتصادی برای تولید برق همزمان هستند.
در توربین های متراکم، مقادیر قابل توجهی آب خنک کننده برای انتقال گرمای آزاد شده در طول تراکم مورد نیاز است. در حالی که توربین های غیر متراکم بخار را در فشار اتمسفر یا بالاتر از آن خارج می کنند، توربین های متراکم می توانند در فشارهای ۹۰ تا ۱۰۰ کیلو پاسکال زیر فشار اتمسفر متراکم شوند. این اجازه می دهد تا انبساط بسیار بیشتر بخار و تغییر بزرگتر در آنتالپی، در نتیجه خروجی کار بالاتر و راندمان بیشتر باشد. نیروگاههایی که در آن راندمان مهم است، از توربینهای چگالشی استفاده میکنند.
توربین های بخار با فشار برگشتی :
نوع دیگر توربین بخار، توربین بخار با فشار معکوس است که مناسب ترین تجهیزات برای کاربردهای مکانیکی محرک مانند درایورهای کمپرسور یا پمپ است. اصطلاح فشار برگشتی، به توربینهای بخاری اطلاق میشود که بخار را در فشارهای بالاتر از اتمسفر تخلیه میکنند. فشار تخلیه معمولاً با استفاده خاص از بخار در یک کارخانه ایجاد می شود. فشارهای کمتر اغلب در کاربردهای کوچک و بزرگ کم فشار، مانند سیستمهای گرمایش استفاده میشود و فشارهای بالاتر اغلب هنگام تامین بخار فرآیندهای صنعتی استفاده میشود.
فرآیندهای صنعتی اغلب شامل گسترش بیشتر برای سایر محرکهای مکانیکی کوچکتر هستند، استفاده از توربینهای بخار کوچک برای به حرکت درآوردن تجهیزات دوار (به عنوان مثال، پمپهای روغن روانکاری) است که به طور مداوم برای دورههای طولانی کار می کنند. قابلیت تولید نیروی مکانیکی قابل توجه زمانی قربانی میشود که بخار با فشار قابل توجهی به جای منبسط شدن، به خلاء در کندانسور استفاده شود. تخلیه بخار در یک سیستم توزیع بخار در گیج ۱۰ بار (بارگ) می تواند تقریباً نیمی از توان تولید شده را در شرایطی که بخار ورودی در حدود ۵۰ بارگ و ۴۲۰ درجه سانتیگراد است، قربانی کند که نمونه ای از توربینهای بخار کوچک و متوسط است.
بین توان مکانیکی خروجی یک توربین بخار چگالشی و ترکیب قدرت و بخار یک توربین بخار با فشار معکوس، اساساً هر نسبتی از توان به گرما خروجی را می توان تأمین کرد. توربینهای بخار با فشار برگشتی میتوانند فشارهای برگشتی متفاوتی داشته باشند، که باعث افزایش بیشتر تغییرپذیری نسبت توان به گرما میشود.
توربین بخار استخراج :
چهارمین نوع توربین بخار با تغییر در اصل کار، توربینهای بخار استخراجی هستند. یک توربین استخراج دارای یک یا چند دهانه در محفظه خود برای استخراج بخشی از بخار با فشار متوسط است. بخار استخراج شده ممکن است برای اهداف فرآیند استفاده شود. فشار استخراج بخار بسته به طراحی توربین بخار ممکن است به طور خودکار تنظیم شود یا نشود.
استخراج تنظیم شده امکان تنظیم بهتر جریان بخار را از طریق توربین بخار، برای تولید نیروی مکانیکی اضافی بسته به سناریوهای عملیاتی فراهم می کند. در برخی از توربینهای بخار خاص، چندین نقطه استخراج ممکن است گنجانده شود، که هر کدام در فشار متفاوتی مطابق با دمای متفاوتی است که در آن خدمات گرمایشی در یک کارخانه مورد نیاز است.
نتیجه:
مقاله حاضر تلاشی از شرکت فیدار مکانیک رایکا برای ارائه تمامی اطلاعات ضروری در مورد انواع توربینهای بخار بود. توربین های بخار مهمترین ماشینها در زمینه تبدیل انرژی هستند. شناخت انواع توربینهای بخار علاوه بر افزایش دانش فنی شما از این دستگاه، باعث می شود با ساختار کلی توربینهای بخار بیشتر آشنا شوید و درک روشنی از نحوه عملکرد آن داشته باشید.
منابع :
https://www.linquip.com/blog/steam-turbine-parts-an-introduction/
https://www.linquip.com/blog/types-of-steam-turbine/