توربین بخار ضربه ای چیست و انواع آن کدام است؟
در توربین ضربهای یا Impulse Turbine، بخار پس از ورود به محفظه بخار و عبور از نازل‌ها به پره‌های ردیف اول روتور برخورد می‌کند. سپس اگر توربین از نوع یک مرحله‌ای باشد، از توربین خارج می‌شود. ولی در توربین‌های چند مرحله‌ای بخار پس از عبور از اولین ردیف پره‌های متحرک توسط پره‌های ثابتی که در بدنه تعبیه شده‌اند، هدایت می‌شود و به پره‌های متحرک مراحل بعدی توربین برخورد می‌کند. همین عمل بسته به تعداد مراحل ادامه پیدا می‌کند تا با انتقال انرژی بخار به توربین، فشار کاهش یافته و در نهایت از ماشین خارج شود.
در این نوع توربین‌ها انبساط بخار در نازل ورودی و پره‌های ثابت انجام می‌شود و در پره‌های متحرک هیچ افت فشاری وجود ندارد. به‌عبارت دیگر در آن‌ها فقط انرژی جنبشی بخار به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. ما در این مقاله به بررسی کامل طراحی توربین بخار ضربه ای و معرفی انواع آن می‌پردازیم، همراهمان بمانید.
انواع توربین بخار ضربه ای
1. توربین‌های ضربهای یک مرحله‌ای
در این نوع توربین‌ها بخار با سرعت زیاد و فشار کم فقط در یک ردیف نازل انبساط پیدا می‌کند و از نازل‌ها خارج می‌شود. سپس با برخورد به پره‌های متحرک انرژی جنبشی خود را به روتور منتقل می‌کند و از توربین خارج می‌شود.
طراحی توربین بخار ضربهای یک مرحله‌ای به‌شکلی است که روی محور آن فقط یک ردیف نازل و یک ردیف پره متحرک نصب شده است و انبساط بخار با افزایش سرعت در نازل‌های توربین انجام می‌شود. این عمل سرعت بخار را افزایش می‌دهد تا بخار با سرعت بالا به پره‌های توربین برخورد کند. فشار در دو طرف پره‌های متحرک ثابت است و با افت سرعتی که در پره متحرک ایجاد می شود، روتور به حرکت در می‌آید.
2. توربین‌های ضربه ای چند مرحله‌ای
در مقایسه با مدل بالا، طراحی توربین بخار ضربهای چند مرحله‌ای که چندین ردیف پره روی یک محور دارند، به این شکل است که تمامی مراحل توربین به‌صورت صد درصد ضربهای عمل نمی‌کنند. بلکه فقط مرحله اول که نازل واقعی دارد، به‌صورت ضربهای مطلق عمل می‌کند. سپس مراحل بعدی به‌صورت ضربهای و عکس العملی با درجات متفاوت عمل می‌کنند و هرچه به طرف خروجی توربین نزدیک‌تر شویم، درجه عکس العملی بیشتر شده و درجه ضربهای کمتر می‌شود.
لازم به ذکر است که به دلیل انبساط بیشتر بخار در توربین‌های چند مرحله‌ای، در مراحل انتهایی توربین نیاز به پره‌های بزرگ‌تری داریم تا احتمال برخورد مولکولهای بخار و محور بیشتر شود. این موضوع در نهایت باعث افزایش راندمان دستگاه خواهد شد.
3. توربین‌های ضربهای نوع کرتیس (Curtis type)
این توربین‌ها از لحاظ ساختمانی یک روتور دارند که دو ردیف پره روی آن‌ها نصب شده است و یک ردیف پره ثابت نیز روی بدنه قرار دارد. این پره‌ها بخار را از روی پره‌های ثابت ردیف اول به طرف پره‌های بعدی تغییر جهت می‌دهند و هدایت می‌کنند. این نوع توربین بخار ضربه ای نسبت به انواع دیگر از راندمان بسیار بالاتری نیز برخوردار است.
طراحی توربین بخار کرتیس این‌طور است که در آن افت فشار فقط در نازل اتفاق نمی‌افتد. بلکه مقداری از افت را در پره‌های ثابت نیز شاهد هستیم و بخار با سرعت زیاد توربین را به حرکت وا می‌دارد. از این نوع طراحی در مرحله اول مدل‌های چند مرحله‌ای نیز استفاده می‌شود. مقداری از افت سرعت در پره‌های ثابت به علت اصطکاک روتور و بخار است که باعث کاهش راندمان توربین می‌شود.
تفاوت این توربین‌ها با انواع یک مرحله‌ای در این است که تغییرات سرعت روی پره‌های متحرک این نوع توربین‌ها با شیب خیلی تندتری از شیب پره‌های ثابت افت پیدا می‌کند.
توربین‌های عکس العملی (Reaction Turbine)
در توربین‌های عکس العملی انبساط یا افت فشار بخار غالبا در پره‌های متحرک توربین انجام می‌شود. در این دستگاه‌ها نازل‌ها مفهوم اصلی خود را از دست می‌دهند و پره‌های متحرک عمل تبدیل انرژی فشاری و جنبشی به انرژی مکانیکی را انجام می‌دهند و پره‌های ثابت نقش تغییر جهت دادن به حرکت بخار را دارند. به‌عبارت دیگر، در توربین‌های عکس العملی انرژی فشاری بخار به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. در بیشتر توربین‌های عکس العملی افت فشار در نازل‌ها و پره‌های ثابت و همچنین در پره‌های متحرک انجام می‌شود. در حالی‌که در انواع ضربهای فشار فقط در نازل‌ها افت پیدا می‌کند و فشار در طرف پره‌های متحرک ثابت است.
توربین‌های ضربهای تمامی افت فشار فقط در نازل‌ها انجام می‌شود و فشار دو طرف روتور برابر است. ولی در مدل‌های عکس العملی افت فشار در پره‌های ثابت و همچنین در پره‌های متحرک اتفاق می‌افتد و در طرفین پره‌های متحرک اختلاف فشار وجود دارد. این اختلاف فشار باعث ایجاد نیروی محوری با تراست روی روتور می‌شود.
ترکیب توربین بخار عکس العملی و ضربهای
همان‌طور که از نام این توربین‌ها پیداست، با ترکیب دو نوع سیستم عکس العملی و ضربهای کار می‌کنند. معمولا در توربین‌های با قدرت بالاتر از سه مگاوات، توربین صد درصد عکس العملی یا صددرصد ضربهای طراحی و استفاده نمی‌شود. بلکه توربین به‌صورت تلفیقی از حالات ضربهای و عکس العملی عمل می‌کند که به آن توربین‌های مختلط هم می‌گویند.
در توربین‌های مختلط مرحله اول معمولا صد درصد ضربهای است و هرچه به طرف مراحل بعدی فشار متوسط و فشار ضعیف حرکت می‌شود، از درجه ضربهای بودن توربین کاسته شده و به درجه عکس العملی آن‌ها اضافه می‌شود.
به‌طوری که در مراحل آخر یا فشار ضعیف توربین صد درصد عکس العملی می‌شود. بنابراین به دلیل انبساط بیشتر بخار در مراحل انتهایی هرچه به طرف خروجی دستگاه نزدیک‌تر می شویم، روتورها بزرگتر می‌شوند تا با ایجاد سطح تماس بیشتر راندمان ماشین افزایش پیدا کند.
مقایسه توربین‌های ضربهای و عکس العملی
روتور توربین‌های ضربهای در مقایسه با انواع عکس العملی کوچکتر است. چنین ویژگی سبب افزایش هزینه ساخت شفت و بدنه توربین‌های عکس العملی و باعث کم شدن دور بحرانی آن‌ها می‌شود. به‌همین علت شفت این مدل‌ها انعطاف‌پذیر (Felixble) است و در حین راه اندازی نیاز به مراقبت بیشتر دارند.
تعداد مراحل توربين عکس العملی با قدرت مساوی خیلی بیشتر از انواع ضربهای است که باعث افزایش هزینه‌های ساختشان می‌شود.
فاصله شعاعی بین پره‌های متحرک و بدنه در توربین‌های ضربهای اثر زیادی روی نشتی‌های داخلی دستگاه ندارد، چون تمامی افت فشارها در نازل اتفاق می‌افتد و فشار طرفین روتور یکسان است. ولی در انواع عکس العملی به این خاطر که مقداری از افت فشار در پره‌های متحرک اتفاق می‌افتد، فشار طرفین روتور مساوی نیست و فاصله لبه‌های روتور تا بدنه باید به کمترین مقدار خود برسد.
در طی سال‌های قبل انواع و اقسام توربین‌ها طراحی و ساخته شده‌اند که در آن میان بیشتر کارخانجات صنعتی امریکایی اقدام به ساخت انواع ضربهای کرده‌اند. در حالی‌که کارخانجات اروپایی بیشتر تمایل به ساخت مدل‌های عکس العملی دارند.
سخن نهایی
توربین بخار ضربه ای یکی از انواع توربین است که خود بسته به طراحی که دارد در دسته‌های مختلف قرار می‌گیرد. در این دستگاه‌ها بخار با فشار بالا و دمای بالا از نازل خارج شده منبسط می‌شود و یک جت بخار را تشکیل می‌دهد. جت بخار با برخورد به پره‌های توربین، نیروی محرکه چرخش دستگاه‌های دیگر مانند کمپرسور و ژنراتور برق را تولید می‌کند. در طی سال‌های قبل انواع و اقسام توربین‌ها طراحی و ساخته شده‌اند که در آن میان بیشتر کارخانجات صنعتی امریکایی اقدام به ساخت انواع ضربهای کرده‌اند. در حالی‌که کارخانجات اروپایی بیشتر تمایل به ساخت مدل‌های عکس العملی دارند.
