به طور عمده توربین ها به 4 دسته کلی طبقه بندی می شوند که عبارتند از:
- توربین آبی
- توربین بادی
- توربین بخار
- توربین گازی
توربین آبی
نیروی مبتنی بر آب، ترکیبی از ریزش عمودی و سپس جریان هموار آب است. به این نحو که با در دست داشتن یک هیدروماشین می‌توان 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 شدیدتری است. اگر جریان آب آرام باشد، نیازمند دهانه شیب تیزتری است.
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. یکی از بارزترین تفاوت‌های انرژی آبی در مقایسه با انرژی بادی یا انرژی خورشیدی این است که شما نمی توانید با اضافه کردن ماژول‌های گیرنده بیشتر، به همان میزان برق بیشتری بگیرید. زیرا انرژی آبی محدود به منبع خود است و شما با یک دستگاه می‌توانید تمامی بهره‌مندی خود را داشته باشید. این در حالی است که مبدل‌های باد و خورشید برای تولید الکتریسیته، تنها به فضای بیشتری نیازمندند.
شکل پره‌های توربین به فشار و سرعت آب بستگی دارد.
توربین‌های آبی به 2 نوع طبقه‌بندی می‌شوند که عبارتند از:
- نوع ضربه ای
- نوع واکنشی
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. یک توربین ضربه‌ای اساساً بر اساس اصل قانون دوم نیوتن کار می‌کند.
در این مدل به جای تیغه‌ها 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.
مزایای استفاده از توربین‌های آبی عبارتند از:
- تجدیدپذیر بوده و به طور طبیعی بعد از هر فصل مجددا تجدید می‌شود.
- بدون آلایندگی هستند و فرایند تولید برق در آنها کاملا فیزیکی است.
- به دلیل نیاز به تعمیرات کم، دارای ضریب دسترسی بالایی است.
- داراي بازده و راندمان بالا هستند. (به طور معمول بازده توربین‌های آبی بالای 90% بوده و بازده کلی نیروگاه برق آبی می‌تواند بالای 80% باشد. این مقدار در مقایسه با نیروگاه‌های فسیلی که در محدوده 40 تا 60 درصد هستند رقم بسیار خوبی است.)
- به سرعت وارد مدار می شوند و زمان راه اندازی بسیار کم و در حدود 5 دقیقه است. این زمان در مقایسه با نیروگاه‌های حرارتی با زمان راه اندازی و شروع به کار در حدود 5 تا 6 ساعت، جالب توجه است. (این زمان باتوجه به نوع نیروگاه حرارتی و راه اندازی گرم و سرد آن متفاوت خواهد بود).
- به دلیل نیاز به ساخت سد و انباره نگهداری آب، این نیروگاه‌ها دارای مزایایی از قبیل کنترل جریان آب و سیلاب، آبیاری، پرورش ماهی، حمل نقل، ایجاد امکانات تفریحی و غیره نیز هستند.
معایب استفاده از توربین‌های آبی عبارتند از:
- نیاز به سرمایه گذاری بالا نسبت به نیروگاه های حرارتی
- زمان ساخت طولانی
- ایجاد تغییرات در اکولوژی محل احداث
- وابستگی به شرایط جوي و ریزش باران
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 شده‌است که وقتی باد مستقیم از میان آنها می‌گذرد، بچرخد. توربین‌های 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.
در توربین‌های بادی از نیروی باد جهت به حرکت درآوردن توربین استفاده‌می‌شود. امروزه از توربین‌های بادی در نیروگاه‌های بادی جهت تولید برق استفاده می‌شود.
اساس کار توربین‌های بادی
اساس کار توربین‌های بادی بدین نحو است که انرژی جنبشی باد پره‌هایی را که به دور روتور توربین متصل هستند را به گردش در می‌آورد، روتور نیز به یک شفت مرکزی متصل است که با چرخش آن، ژنراتور نیز به گردش درآمده و الکتریسیته تولید می‌شود. بنابراین توربین‌های بادی انرژی جنبشی باد را به توان مکانیکی تبدیل می‌کنند و این انرژی مکانیکی از طریق محور به ژنراتور انتقال پیدا کرده و در نهایت انرژی الکتریکی تولید می‌گردد. انواع توربین توربین‌های بادی به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:
- توربین‌های بادی با محور افقی : توربین بادی که در آن شفت توربین به صورت افقی به سمت زمین باشد، توربین بادی محور افقی نامیدهمیشود.
- توربین‌های بادی با محور عمودی: توربین بادی که در آن شفت توربین به سمت زمین عمودی است، توربین بادی محور عمودی نامیدهمیشود.
توربین بخار
در توربین‌های بخار، از نیروی بخار که در دیگ بخار تولید می‌شود، جهت به حرکت در آوردن توربین استفاده‌می‌شود. بخار گرم با فشاری بیش از فشار اتمسفر در یک نازل منبسط‌شده و در نتیجه قسمتی از انرژی حرارتی آن تبدیل به انرژی سنیتیکی می‌شود و براساس اصل ضربه‌ای یا واکنشی باعث تبدیل آن به انرژی مکانیکی می‌گردد.
توربین بخار اغلب در نیروگاه‌های 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 می‌یابد و برق تولید می‌کند. یک توربین بخار را می‌توان براساس عملکرد به انواع ضربه‌ای و واکنشی طبقه‌بندی کرد. تفاوت این توربین در چیدمان و طراحی متفاوت است.
اجزای توربین بخار
بطور کلی ساختمان توربین‌های بخار از دو جزء اصلی شامل قطعات ثابت و قطعات متحرک تشکیل شده‌است. قطعات ثابت شامل: نازل، یاتاقان، هوزینگ برینگ‌ها، دیافراگم‌ها، پره‌های هدایت‌کننده، محفظه بخار، تروتل ولو، استاپ ولو، شیر اطمینان، گاورنر، آب بندها، سیستم روغن کاری و … می‌باشد.
قطعات متحرک شامل: روتور و متعلقاتی نظیر پره‌های متحرک، رینگ‌های روغن کاری، کاپلینگ، سیستم دور بیشینه، سیستم‌های حفاظتی و … است. توربین‌های بخار از پره‌های دوار به نام روتور و پره‌های 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 می‌شود.
در یک توربین ضربه‌ای، باکت‌های متحرک طوری طراحی شده‌اند که توسط بخار رانده‌شوند. 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 توربین‌های 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 می‌شود و سپس از طریق توربین فشار کم (L.P) (مجموعه پره‌های عظیم) جریان می‌یابد. هدف از افزایش اندازه تیغه‌ها 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 توربین‌های 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 نامیدهمیشود.
- توربین جریان شعاعی: جریان بخار از طریق رانر در جهت شعاعی از رانر خارج می‌شود.
انواع توربین بخار
این نام گذاری بر اساس شمای هندسی تجهیز و یا به عبارتی دیگر بر اساس تعداد سیلندر می‌باشد:
- توربین‌های بخار تک سیلندر
- توربین‌های بخار ترکیبی
توربین‌های بخار با ظرفیت ۶۰ – ۴۰ مگاوات به طور کلی ماشین‌های تک سیلندر هستند و واحدهای بزرگتر معمولا از نوع ترکیبی بوده و بخار در اولین سیلندر و به طور جزئی منبسط‌شده و سپس با عبور از یک یا چند سیلندر دیگر انبساط کامل می‌شود. برای به حداکثر رساندن راندمان توربین، در چند مرحله بخار منبسط‌شده و کار صورت می‌گیرد. این مراحل برحسب اینکه چگونه انرژی از آنها استخراج می‌شود دسته‌بندی می‌شوند.
مزایای استفاده از توربین‌های بخار عبارتند‌از:
- دارای راندمان بالا
- دارای ساختمان ساده
- دارای قابلیت اعتماد بالا
- دارای هزینه تعمیر و نگهداری پایین
- دارای قابلیت تغییر دور و همچنین تولید دورهای بالا
معایب استفاده از توربین‌های بخار عبارتند‌از:
- دارای تلفات بخار زیاد
- بستن و راه اندازی نسبتا مشکل
- دارای هزینه تعمیرات و نگهداری زیاد
- نیازمند به دیگ بخار و سایر تجهیزات مربوطه
- دارای هزینه زیاد تولید و نقل و انتقال بخار و تجهیزات مربوطه
- دارای محدودیت استفاده می‌باشد، صرفا در مکان‌هایی که بخار در دسترس باشد نظیر نیروگاه‌ها یا پالایشگاه‌ها
توربین گازی
توربین‌های 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 جرقه‌زن، سوخت را مشتعل می‌کند. بنابراین، مقدار زیادی گاز خروجی تولید می‌شود که از طریق توربین‌ها جریان می‌یابد.
توربین‌های گازی یک موتور احتراق داخلی چرخشی از خانواده توربو ماشین‌ها می‌باشد. این دستگاه با احتراق سوخت همراه با هوای فشرده و عبور گازهای منبسط حاصل شده از تعدادی دیسک‌های چرخنده توربین موجب بروز قدرت چرخشی یک شافت و ایجاد نیروی عکس العمل رانشی و یا ترکیبی از هر دو می‌شود. در توربین‌های گازی، گازهای احتراق یافته به صورت فشرده و با حرارت بالا، با حرکت در بین پره‌های توربین منبسط شده که نتیجه آن تولید قدرت محوری خروجی و نیروی رانش، یا ترکیبی از هر دو خواهد بود.
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 توربین‌ها و در نهایت به اتمسفر منتقل می‌شود.
در توربین‌های گازی از گاز به عنوان انرژی استفاده می‌شود و انرژی حاصل از گاز خیلی ارزانتر از انرژی حاصل از بخار آب که در توربین‌های بخار استفاده می‌شود می‌باشد. همچنین در یک توربین گازی در مواقعی که به علت‌هایی گاز وجود نداشته باشد می‌توان از سوخت مایع گازوییل استفاده نمود. این دو عامل جزو مهمترین مزیت‌ها و امتیازات توربین‌های گازی محسوب می‌شوند.
بدلیل اینکه این توربین‌ها توسط نیروی حاصل از انبساط گاز به چرخش در‌می‌آیند، اصطلاحا به آنها Turbo Expander می‌گویند. برای استفاده از انرژی موجود در گاز و یا گازوئیل، باید آنها را در مجاورت هوا سوزاند. به همین خاطر توربین گازی می‌بایست دارای اتاق احتراق و فشارنده هوا باشد. بطور کلی یک توربین گازی از سه قسمت اصلی کمپرسور، اتاق احتراق و توربین تشکیل شده است. همچنین تجهیزات ورودی هوا و اگزوز نیز به ترتیب اولین قسمت و آخرین قسمت یک توربین گازی را شامل می‌شوند.
انواع توربین گازی عبارتند از:
- توربوجت
- توربوفن
- توربوشفت
- رامجت
اساس کار توربین گازی
اساس کار در یک توربین گازی بدین صورت است که در مرحله اول حجم زیادی از هوا پس از تصفیه بوسیله فیلتر‌ها با فشار اتمسفر و دمای محیط از طریق دهانه ورودی به نام Engine Air Inlet به داخل کمپرسور مکیده می‌شود که با چرخش کمپرسور، هوای درون آن با افزایش دما و افزایش فشار و کاهش حجم مواجه می‌شود و در نهایت هوا با فشار و دمای بالا از کمپرسور خارج می‌شود. در‌مرحله دوم هوای فشرده شده از طریق کانال جریان هوا وارد اطاق احتراق می‌شود. این بخش با تزریق سوخت، عمل احتراق در فشار ثابت صورت گرفته و شعله تشکیل می‌شود.
حین عمل احتراق، گازها دچار انبساط حجمی‌شده و در نهایت گازهای منبسط شده فشرده داغ با فشار و دمای بالا اتاق احتراق را ترک می‌کنند. مرحله سوم سیال عامل وارد بخش توربین می‌گردد و با غلبه بر نیروی مقاوم و انجام کار، پره‌های توربین را به حرکت در می‌آورد و موجب بروز قدرت چرخشی شافت و ایجاد نیروی عکس العمل رانشی و یا ترکیبی از هر دو می‌شود. قسمت توربین، سیال در حین عبور از پره‌ها با کاهش فشار مواجه می‌شود و تا رسیدن به فشار محیط منبسط می‌گردد. درنهایت سیال با شرایط فشار اتمسفر و دمای بالا از توربین خارج می‌گردد و توسط اگزوز به محیط آزاد وارد می‌شود.
اجزای توربین گازی
کمپرسور مورد استفاده در توربین‌های گازی بیشتر از نوع گریز از مرکز و یا جریان محوری می‌باشد که از چند ردیف پره‌های ثابت و پره‌های گردان تشکیل شده‌است. جهت فشرده‌نمودن هوا از یک مرحله به مرحله بعد، پره‌ها طوری قرار گرفته‌اند که از ورودی تا خروجی کوچکتر می‌شوند.
در قسمت توربین، انرژی لازم جهت غلبه بر نیروی اصطکاک، و چرخاندن توربین و سایر تجهیزاتی که بر محور توربین سوارند می‌بایست تامین گردد که این مسئله برای همه انواع توربین‌های آبی، بخار، گازی و بادی یکسان می باشد.جهت انجام مراحل فوق به انرژی زیادی نیاز است لذا برای تولید انرژی بیشتر باید حجم هوایی که وارد اتاق احتراق می‌گردد خیلی بیشتر از هوای مورد احتیاج جهت سوزاندن گاز و یا گازوئیل باشد.
زمانی که احتراق بوجود آید مازاد هوای ورودی نیز گرم‌شده و افزایش حجم می‌یابد و فشارش بالا می‌رود. لذا ساختمان اتاق احتراق به نحوی ساخته شده‌است که هوای خارج شده از کمپرسور به علت فشاری که دارد نتواند شعله موجود در اتاق احتراق را خاموش کند. در توربین وضع قرار گرفتن پره‌های ثابت و گردان، برعکس کمپرسور می‌باشد و به ترتیب از ورودی تا خروجی بزرگتر می‌شوند. این افزایش طول پره‌های توربین به جهت افت فشار و افزایش سرعت است و این به معنی تبدیل انرژی فشاری به انرژی جنبشی می باشد. قسمت کمپرسور و قسمت توربین می‌توانند از تعداد متوالی طبقه، (هر طبقه دیسکی است که پره‌ها بر روی آن نصب می‌شود)، تشکیل شده باشند.
مزایا و معایب توربین ها
مزایای انواع 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 توربین ها به شرح زیر است:
- توربین‌های آبی دارای معایبی هستند که عبارتند از: مخازن کم، هزینه‌های 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 مکان‌های خاص است.
- توربین‌های گازی دارای معایبی هستند که شامل راندمان پایین و استفاده محدود در تنظیمات سیکل ترکیبی است.
کاربرد انواع توربین ها
- نیروگاه‌های برق آبی از توربین‌های آبی با هد بالا، و معمولاً از توربین ضربه‌ای 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.
بدون دیدگاه