توربین ضربه ای در نیروگاه‌های بخار چه عملکردی دارد؟

توربین یک وسیله مکانیکی دوار است که برای تولید برق استفاده می‌شود.

طبقه ‌بندی این توربین‌ها می‌تواند بر اساس نیاز مانند توربین آبی، توربین گازی، توربین بخار و توربین بادی انجام شود.

در میان آنها توربین ضربه ‌ای عمدتاً برای تبدیل انرژی پتانسیل و جنبشی منبع آب به کار مکانیکی استفاده می‌شود.

در این مقاله به بررسی توربین‌ ضربه ‌ای، اصول کار، نحوه عملکرد، انواع، کاربردهای صنعتی توربین ضربه ای و مزایا و معایب آن خواهیم پرداخت.

1# توربین ضربه ای چیست؟

توربین‌ ضربه ‌ای نوع خاصی از توربین‌های هیدرولیکی است که انرژی جنبشی اسپری‌های آب با سرعت بالا یا بخار را برای تولید برق مهار می‌کند.

نام توربین ضربه ‌ای از عملکرد آن ناشی می‌شود که بر نیروی تولید شده توسط برخورد جت آب به پره‌های توربین متکی است.

آب به صورت مماس به پره‌ها در توربین‌های ضربه‌ ای برخورد می‌کند.

این توربین‌ها برای سناریوهایی با هد بالا و دبی کم که در آن، موقعیت بالای آب باعث افزایش فشار می‌شود، مناسب هستند.

توربین‌ها، به صورت کلی، به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: توربین‌های ضربه‌ ای و توربین‌های واکنشی.

توربین ضربه‌ ای به شکل موثر انرژی جنبشی نازل‌ها را به کار شفت توربین جت آب با سرعت بالا با استفاده از تیغه‌های سطلی شکل تبدیل می‌کند.

یک توربین ضربه ‌ای دارای یک یا چند نازل ثابت است که از طریق آنها فشار به صورت جت مایع به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و معمولاً مایع مورد استفاده آب است.

جت به صفحات متحرک رانر توربین برخورد می‌کنند که عملاً تمام انرژی جنبشی آب در حال حرکت را جذب می‌کند.

توربین‌های ضربه ‌ای برای کاربردهای با هد بالا مناسب‌ ترین هستند.

در عمل، رایج‌ترین نوع توربین ضربه‌ ای، چرخ پلتون است.

روتور آن از یک دیسک دایره‌ای با چندین سطل تشکیل شده که به صورت مساوی در اطراف محیط آن قرار گرفته‌اند.

برآمدگی جداکننده در مرکز هر سطل، جت ورودی را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌کند که در اطراف سطح داخلی سطل جریان می‌یابند.

جریان تا حدی سطل‌ها را پر می‌کند و آب در فشار محیط (یا اتمسفر) در تماس با هوا باقی می‌ماند.

1-1# ویژگی‌های کلیدی توربین‌ ضربه ‌ای

از جمله ویژگی‌های کلیدی توربین ضربه ای می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اصول کار: توربین‌های ضربه‌ ای با تبدیل انرژی آب در حال حرکت به انرژی مکانیکی کار می‌کنند.
  آب از طریق نازل‌ها شتاب می‌گیرد و یک جت پرسرعت ایجاد کرده که به پره‌های توربین برخورد می‌کند.
• فشار: در توربین‌های ضربه ‌ای، فشار آب قبل از رسیدن به پره‌های توربین به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.
  آب با فشار اتمسفر وارد توربین می‌شود و افت فشار در نازل رخ می‌دهد.
• طراحی پره‌ها: پره‌های یک توربین ضربه ‌ای به گونه ‌ای طراحی شده‌ اند که جهت جت آب را تغییر دهند، نیروی ضربه را به حداکثر برسانند و انتقال انرژی کارآمد را تضمین کنند.
• نازل‌ها: این توربین‌ها معمولاً از یک یا چند نازل برای هدایت جت آب به سمت پره‌ها استفاده می‌کنند.
  طراحی نازل برای بهینه ‌سازی عملکرد بسیار مهم است.
• انواع: رایج‌ترین نوع توربین ضربه ‌ای، چرخ پلتون است که از مجموعه ‌ای از سطل‌های قاشقی شکل تشکیل شده که جت آب را به دام می‌اندازند.

2-1# اجزای توربین ضربه ‌ای

توربین ضربه ای یا توربین ایمپالس شامل چندین جز ضروری است که با هم کار می‌کنند تا انرژی جنبشی سیال با سرعت بالا را مهار کرده و آن را به توان مکانیکی تبدیل کنند.

این اجزا عبارت اند از:

• رانر: یک دیسک دایره ‌ای روی شفت چرخان که به عنوان روتور شناخته می‌شود، نصب شده و از فولاد ضد زنگ یا چدن با استحکام بالا ساخته شده تا بار توربین را تحمل کند.
• سطل‌ها: تیغه‌های فنجانی یا قاشقی شکل که به محیط دونده پیچ می‌شوند و برای جذب و استفاده‌ مؤثر از انرژی سیال پرفشار طراحی شده ‌اند.
• نازل: سیال پرسرعت (آب) را از بخش‌های بالا به سمت سطل‌های روی راهگاه هدایت کرده، انرژی جنبشی سیال را افزایش داده و آن را به سمت خاصی هدایت می‌کند.
• نیزه: یک سازه مخروطی که درون نازل به داخل و خارج حرکت می‌کند تا جریان آب و تأثیر آن بر سطل‌ها را تنظیم کند.
• پوشش: این پوشش که از چدن ساخته شده، اجزای داخلی را از محیط خارجی محافظت، از پاشیدن آب جلوگیری و آب را به سمت سرریز هدایت می‌کند تا هدر رفتن آن به حداقل برسد.
• پنستاک: مجرایی لوله‌ مانند که آب را از مخزن (واقع در ارتفاع بالا) به توربین منتقل کرده و امکان تبدیل انرژی کارآمد را فراهم می‌کند.
• جت ترمز: برای توقف تدریجی چرخش پره‌های توربین هنگام قطع شدن جریان آب از نازل استفاده می‌شود و از حرکات ناگهانی ناشی از اینرسی جلوگیری می‌کند.
  جت ترمز به سمت مخالف پره‌ها ضربه می‌زند تا کاهش سرعت کنترل ‌شده را تسهیل کند.

چیدمان دقیق و تعامل این اجزا، به توربین ضربه ‌ای کمک می‌کند تا انرژی سیال را به شکلی مؤثر به کار مکانیکی مفید تبدیل کند.

2# اصول کار توربین ضربه ‌ای

اصول کار توربین‌ ضربه ‌ای به صورت زیر است:

• آبی که قرار است به توربین هدایت شود، با هد کافی در مخزن ذخیره می‌شود.
  لوله آبگیر که از مخزن به نزدیکی پره‌های توربین متصل بوده وظیفه هدایت آب به نازل را دارد که به نوبه خود به لوله آبگیر متصل است.
• تراز محور بین نازل و سطل توربین با دقت تنظیم می‌شود تا این اطمینان به دست آید که آب، پس از عبور از نازل، به سطل برخورد کرده و چرخش آن را آغاز می‌کند.
• آب که از مخزن به صورت انرژی پتانسیل شروع می‌شود، پس از رها شدن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.
• با تنظیم جریان آب در قسمت نازل، رهاسازی به سمت سطل باعث چرخش می‌شود و انرژی جنبشی را به انرژی چرخشی تبدیل می‌کند.
  شفت توربین که درون سطل قرار گرفته، به یک موتور سه فاز متصل می‌شود.
• انرژی چرخشی اکنون تحت تبدیل بیشتری به انرژی الکتریکی قرار می‌گیرد.
  آب منحرف شده از سطل، مسیر مشخصی را که به عنوان مسیر دنباله شناخته می‌شود، طی می‌کند و در نهایت از توربین خارج می‌شود.

1-2# نحوه کار توربین‌ ضربه ‌ای

انرژی پتانسیل آب با عبور از نازل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

هنگامی که جت آب با سرعت بالا داشته باشیم، می‌توانیم از ضربه آن برای چرخاندن توربین استفاده کنیم.

این قانون بر اساس قانون دوم حرکت نیوتن عمل می‌کند که به دو عامل اصلی بستگی دارد، جرم آب ورودی به توربین و تغییر سرعت جریان ورودی به توربین نسبت به سرعت جریان خروجی از توربین پس از ضربه.

زیرا جرم آب ورودی به توربین همان جرم آب خروجی از توربین پس از ضربه است؛ اما با سرعتی قابل توجه بوده و شدت ضربه به زمان لازم برای تغییر سرعت از حداکثر به حداقل بستگی دارد.

بنابراین توربین ضربه ‌ای فقط از انرژی جنبشی آب برای به دست آوردن توان خود استفاده می‌کند.

3# نحوه عملکرد توربین ضربه ‌ای

سیال از یک مسیر مشخص پیروی می‌کند که تغییر در تکانه سبب ایجاد نیرو می‌شود.

در یک توربین ضربه ‌ای بخار، این اصل به صورت زیر به عملکرد مکانیکی تبدیل می‌شود:

1. بخار با فشار و دمای بالا از دیگ بخار از طریق ورودی بخار وارد توربین می‌شود.
2. سپس بخار شتاب می‌گیرد و جهت آن توسط مجموعه ‌ای از نازل‌ها تنظیم می‌شود.
3. این نازل‌ها انرژی فشار بخار را به انرژی جنبشی تبدیل و در نتیجه یک جت بخار با سرعت بالا ایجاد می‌کنند.
4. این جت بخار به پره‌های روتور توربین برخورد می‌کند. پره‌ها روی شفت توربین نصب شده‌ و به شکل خاص برای هدایت جهت جریان بخار شکل گرفته ‌اند.
5. همان گونه که جت بخار به پره‌ها برخورد کرده، مسیر خاصی را طی می‌کند که منجر به تغییر در تکانه و در نتیجه نیرویی شده که باعث چرخش محور توربین می‌شود.
6. بخار، پس از انجام کار روی پره‌ها، از طریق خروجی اگزوز با سرعت و فشار قابل توجهی پایین‌تر از توربین خارج می‌شود.

در طول فرآیند آنتالپی کل که شامل انرژی حرارتی و فشاری می‌شود، بخار کاهش می‌یابد، در حالی که انرژی جنبشی افزایش می‌یابد.

این امر سبب تولید کار مکانیکی می‌شود.

تغییر سرعت و جهت بخار هنگام برخورد با پره‌ها برای عملکرد توربین ضربه ‌ای بخار بسیار مهم است.

پره‌ها به شکلی طراحی شده که بخار عملاً با همان سرعتی که وارد می‌شود، خارج شود، بنابراین تغییر در تکانه به حداکثر می‌رسد و راندمان بهینه تضمین می‌شود.

نحوه عبور بخار از روی پره‌ها را می‌توان به عنوان مرحله ضربه ‌ای توصیف کرد که در آن تمام افت فشار در نازل اتفاق می‌افتد و بخار با سرعت ثابت وارد پره‌های روتور می‌شود.

عملکرد کارآمد توربین ضربه‌ ای بخار، گویای اثربخشی اصول ضربه و تغییر اندازه حرکت در تولید کار مکانیکی مفید است.

1-3# راندمان توربین ضربه ‌ای

راندمان توربین ضربه ‌ای عامل بسیار مهمی در عملکرد آن است و به عوامل مختلفی بستگی دارد که بر عملکرد کلی آن تأثیر می‌گذارند.

از سرعت بخار گرفته تا طراحی هندسی پره‌ها و شرایط محیطی، همه چیز در تعیین اثربخشی آن نقش دارد.

اولاً، سرعت بخار تأثیر مستقیمی بر راندمان توربین دارد.

بخار از طریق مجموعه‌ ای از نازل‌ها شتاب می‌گیرد و به صورت یک جت پرسرعت خارج می‌شود که به پره‌های توربین برخورد می‌کند.

در یک سناریوی ایده ‌آل، نازل‌ها تمام انرژی فشار بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کنند.

با این حال، این فرآیند منوط به راندمان نازل است که در عمل کمتر از ۱۰۰٪ است.

این امر به دلیل عواملی مانند اصطکاک و انتقال حرارت است که بر جریان از طریق نازل تأثیر می‌گذارند.

ثانیاً، ساخت پره‌ها نیز بر راندمان توربین تأثیر می‌گذارد. به صورت خاص، طراحی پره‌ها می‌تواند به شکل قابل توجهی بر راندمان مرحله تأثیر بگذارد که معیاری از میزان تبدیل انرژی جنبشی بخار به کار مکانیکی است.

پره‌ها به گونه ای ساخته می‌شوند که جت بخار را هدایت کنند تا حداکثر تغییر تکانه را ایجاد و بیشترین نیرو را به شفت توربین وارد کند.

ثالثاً، راندمان مکانیکی نیز نقش دارد.

این عامل، تلفات در چیدمان توربین، مانند اصطکاک در یاتاقان‌ها و آب ‌بندها را در نظر می‌گیرد.

راندمان مکانیکی بالاتر، توان خروجی بالاتر را برای یک منبع بخار معین به همراه دارد.

4# انواع توربین ضربه‌ای

توربین ضربه ای انواع مختلفی دارد که هر کدام برای مهار کارآمد انرژی جنبشی سیالات با سرعت بالا برای تولید برق طراحی شده‌اند.

انواع توربین ضربه ای را در ادامه بررسی خواهیم کرد.

1-4# توربین چرخ پلتون

توربین چرخ پلتون که به شکل گسترده در نیروگاه‌های برق آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد، در سال ۱۸۸۹ توسط لستر آلن پلتون ثبت اختراع شد.

این توربین در ارتفاع‌های بالا به شکل مؤثر عمل کرده و از سطل‌های نیم ‌کره ای متصل به یک لبه مشترک به نام جداکننده تشکیل شده که جت آب را برای افزایش راندمان تقسیم می‌کند.

توربین چرخ پلتون دارای راندمان تقریباً ۹۰ تا ۹۵ درصد است.

2-4# توربین تورگو

توربین تورگو، مشابه چرخ پلتون اما با فنجان‌های کم‌ عمق‌تر، بسیار کارآمد بوده و برای کاربردهای با هد متوسط ​​و بالا در توربین ضربه‌ ای مناسب است.

این توربین می‌تواند سرعت‌های چرخشی و دبی‌های بالا را در مقایسه با توربین پلتون با اندازه مشابه، تحمل کند.

3-4# توربین جریان متقاطع

توربین کراس ‌فلو که برای سناریوهای هد پایین طراحی شده، نسخه‌ اصلاح ‌شده‌ای از توربین‌های پلتون و تورگو است که توسط آنتونی میشل، دونات بانکی و فریتز آزبرگ در سال ۱۹۰۳ توسعه داده شد.

این توربین در نیروگاه‌های برق آبی کوچک برای تولید برق استفاده می‌شود و به حداقل نگهداری نیاز دارد.

آب از روی رانر توربین و دو بار از روی پره‌ها عبور می‌کند و در نتیجه راندمان توربین را در مقایسه با توربین‌های جریان شعاعی یا محوری افزایش می‌دهد.

5# کاربرد توربین ضربه ‌ای

توربین‌های ضربه ‌ای به دلیل راندمان بالا، طراحی ساده و سهولت نگهداری، کاربرد گسترده‌ای در بخش‌های مختلف دارند.

در ادامه به بررسی کاربردهای صنعتی توربین ضربه ‌ای می‌پردازیم.

1-5# تولید برق

به صورت عمده در نیروگاه‌های برق آبی استفاده می‌شوند، جایی که انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

جت پرسرعت آب به پره‌های توربین برخورد می‌کند و باعث چرخش آنها و تولید انرژی می‌شود.

کاربرد اصلی توربین ضربه ‌ای تولید انرژی الکتریکی است.

با برخورد اسپری‌های پرسرعت آب یا بخار به پره‌های توربین، روتور می‌چرخد و انرژی جنبشی به انرژی مکانیکی تبدیل شده که در ادامه به برق تبدیل می‌شود.

این برق برای مصارف خانگی و صنعتی مختلف تأمین می‌شود.

2-5# نیروگاه‌های برق آبی

توربین‌های ضربه‌ ای به صورت گسترده در نیروگاه‌های برق آبی برای مهار انرژی پتانسیل آب جاری یا در حال ریزش استفاده می‌شوند.

آن‌ها به ویژه برای سناریوهای با هد بالا که فشار آب قابل توجه است، مناسب هستند و امکان تولید برق کارآمد را فراهم می‌کنند.

3-5# نیروگاه برق آبی تلمبه ذخیره‌ ای

در سیستم‌های نیروگاه برق آبی تلمبه ذخیره‌ای، توربین‌های ضربه‌ای نقش مهمی در معکوس کردن جریان آب در ساعات غیر اوج مصرف ایفا می‌کنند.

برق اضافی برای پمپاژ آب از مخزن پایین ‌تر به مخزن بالاتر استفاده می‌شود.

در زمان اوج مصرف، آب ذخیره شده از طریق توربین آزاد می‌شود تا برق تولید شود.

4-5# سیستم‌های آبرسانی

توربین‌های ضربه‌ ای می‌توانند در سیستم‌های آبرسانی برای بازیابی انرژی از فشار آب جاری در خطوط لوله استفاده شوند.

این انرژی می‌تواند به برق تبدیل شده و برای جبران بخشی از مصرف انرژی سیستم توزیع آب استفاده شود.

5-5# حمل و نقل

توربین‌های ضربه ‌ای در صنعت حمل و نقل، به ویژه در کشتی‌های دریایی و هواپیماها، کاربرد دارند.

6-5# موتورهای توربوشفت

موتور توربوشفت که معمولاً در هلیکوپترها و قایق‌ها یافت می‌شود، دارای یک توربین ضربه ‌ای است.

این توربین‌ها توسط گازهای خروجی حاصل از احتراق سوخت به حرکت در می‌آیند.

آنها برای تبدیل انرژی حرارتی گازهای خروجی به انرژی مکانیکی کار می‌کنند که متعاقباً پروانه‌های کشتی‌ها یا پره‌های روتور هلیکوپترها را به حرکت در می‌آورد.

6# مزایا و معایب توربین ضربه ‌ای

در این بخش به بررسی مزایا و معایب توربین ضربه ‌ای خواهیم پرداخت.

1-6# مزایای توربین ضربه ‌ای

توربین ضربه ای مزایای متعددی ارائه می‌دهد که آن را به انتخابی ترجیحی در کاربردهای مختلف تبدیل می‌کند و در ادامه به بررسی آنها خواهیم پرداخت.

1) راندمان بالا

توربین‌های ضربه‌ ای راندمان کلی بالاتری را نشان می‌دهند.

آن‌ها به شکلی مؤثر انرژی هیدرولیک را به انرژی جنبشی تبدیل می‌کنند و در نتیجه تولید برق بهینه می‌شود.

2) مونتاژ آسان

فرآیند مونتاژ توربین‌های ضربه ‌ای نسبتاً سرراست است و این امر، مراحل نصب و نگهداری را ساده می‌کند.

3) تعمیر و نگهداری کم

توربین‌های ضربه ‌ای به تعمیر و نگهداری کمی نیاز دارند و در نتیجه زمان از کارافتادگی عملیاتی و هزینه‌های مرتبط با آن کاهش می‌یابد.

4) تبدیل انرژی کارآمد

این توربین‌ها در طول عملیات، کل انرژی هیدرولیکی را به انرژی جنبشی تبدیل و استفاده مؤثر از منابع موجود را تضمین می‌کنند.

5) مناسب برای هدهای بالا

توربین‌های ضربه ‌ای در سناریوهای هد بالا، جایی که فشار آب قابل توجه است، عالی عمل می‌کنند و تولید برق کارآمد را حتی در موقعیت‌های مرتفع امکان ‌پذیر می‌سازند.

6) طراحی پره متقارن

طراحی پره متقارن توربین‌های ضربه ‌ای به عملکرد روان و پایدار آنها کمک می‌کند و قابلیت اطمینان کلی آنها را افزایش می‌دهد.

7) انعطاف ‌پذیری در نرخ جریان

توربین را می‌توان به راحتی برای تطبیق با شرایط مختلف نرخ جریان تنظیم کرد.

برای نرخ‌های جریان بالا، از چندین نازل استفاده می‌شود، در حالی که برای نرخ‌های جریان پایین، یک نازل کافی است و سازگاری با نیازهای عملیاتی مختلف را تضمین می‌کند.

8) عملکرد در دبی کم

توربین‌های ضربه ‌ای می‌توانند، حتی در دبی‌های کم نیز به شکلی مؤثر کار کنند که آنها را برای موقعیت‌هایی که جریان آب محدود است، مناسب می‌سازد.

9) طراحی مقاوم

توربین‌های ضربه ‌ای طراحی ساده و مقاومی دارند.

روتور سنگین و محکم آنها می‌تواند، نیروها و تنش‌های قابل توجهی را که در حین کار ایجاد می‌شود، تحمل کند.

این استحکام به دوام و عمر طولانی آنها کمک می‌کند.

2-6# معایب توربین ضربه ‌ای

توربین ضربه ای معایبی دارد و باید برای کاربردهای خاص در نظر گرفته شوند که عبارت اند از:

• هزینه نصب بالاتر: هزینه اولیه نصب یک توربین ضربه ‌ای در مقایسه با برخی دیگر از انواع توربین‌ها معمولاً بیشتر است و بر بودجه کلی پروژه تأثیر می‌گذارد.
• راندمان پایین‌تر سطل: راندمان سطل یک توربین ضربه ‌ای ممکن است در مقایسه با برخی از طرح‌های توربین جایگزین کمتر باشد و بر راندمان کلی تبدیل انرژی تأثیر بگذارد.
• الزامات فضا: توربین‌های ضربه‌ ای معمولاً به فضای نصب بیشتری نسبت به توربین‌های واکنشی نیاز دارند که مستلزم بررسی دقیق زمین یا زیرساخت‌های موجود است.
• محدوده کاری محدود: توربین‌های ضربه‌ ای فقط برای سناریوهای با هد بالا مناسب هستند و استفاده از آنها را در موقعیت‌هایی با شرایط جریان آب متغیر، چالش برانگیز می‌کند.
• سرعت کار پایین‌تر: سرعت کار یک توربین ضربه ‌ای در مقایسه با برخی دیگر از انواع توربین‌ها نسبتاً پایین است و این امر بر توان کلی خروجی آن تأثیر می‌گذارد.
• ورود محدود آب: توربین‌های ضربه ‌ای آب را به شکل جت‌ها وارد می‌کنند که می‌تواند کنترل جریان را محدود کرده و ممکن است در سناریوهای عملیاتی خاص چالش‌هایی ایجاد کند.