شما اینجا هستید:

انواع توربین

انواع توربین ها

طی سالین گذشته توربین‌ها مختلفی اختراع شده اند و به بهره برداری رسیده اند که برای کاربردهای متفاوتی ساخته شده اند اما بطور کلی آنها را به چهار دسته کلی تقسیم بندی می کنند:

  • توربین‌های گازی (Gas Turbine)
  • توربین‌های بخار (Steam Turbine)
  • توربین‌های آبی یا هیدرولیک (Hydraulic Turbine)
  • توربین‌های بادی (Wind Turbine)

شرکت دانش بنیان آهار در حوزه کنترل و حفاظت سه نوع از این چهار نوع توربین (توربین های گازی، بخار و آبی) فعالیت می کند.

توربین گازی

 توربین های 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 دیسک های چرخنده توربین موجب بروز قدرت چرخشی یک شافت و ایجاد نیروی عکس العمل رانشی و یا ترکیبی از هر دو می‌شود.

در توربین های 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.

همانگونه که از نامش پیداست، 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 در می‌آیند، اصطلاحا به آن ها 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 (Combustion Chamber) و فشارنده هوا (Compressor) 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.

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 می شود 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.

در مرحله دوم هوای فشرده شده از طریق کانال جریان هوا وارد اطاق احتراق می‌شود. در این بخش با تزریق سوخت، عمل احتراق در فشار ثابت صورت گرفته و شعله تشکیل می‌شود. در عمل احتراق، گازها دچار انبساط حجمی شده و در نهایت گازهای منبسط شده فشرده داغ با فشار و دمای بالا اتاق احتراق را ترک می‌کنند.

در 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. در قسمت توربین، سیال در حین عبور از پره‌ها با کاهش فشار مواجه می‌شود و تا رسیدن به فشار محیط منبسط می‌گردد. در نهایت سیال با شرایط فشار اتمسفر و دمای بالا از توربین خارج می‌گردد و توسط اگزوز به محیط آزاد وارد می‌شود.

کمپرسور مورد استفاده در توربین های گازی بیشتر از نوع گریز از مرکز و یا جریان محوری می‌باشد که از چند ردیف پره‌های ثابت و پره های گردان تشکیل شده است. جهت فشرده نمودن هوا از یک مرحله به مرحله بعد، پره‌ها طوری قرار گرفته اند 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 گرم شده و افزایش حجم می‌یابد و فشارش بالا می‌رود. لذا ساختمان اتاق احتراق به نحوی ساخته شده است 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 (Stage)، (هر طبقه دیسکی است که پره‌ها بر روی آن نصب می‌شود)، تشکیل شده باشند.

توربین بخار

در توربین های بخار، از نیروی بخار که در دیگ بخار تولید می‌شود، جهت به حرکت در آوردن توربین استفاده می‌شود. بخار گرم با فشاری بیش از فشار اتمسفر در یک نازل منبسط شده 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.

بطور کلی ساختمان توربین‌های بخار از دو جزء اصلی شامل قطعات ثابت و قطعات متحرک تشکیل شده است. قطعات ثابت شامل: نازل، یاتاقان، هوزینگ برینگها، دیافراگم ها، پره‌های هدایت کننده، محفظه بخار، تروتل ولو، استاپ ولو، شیر اطمینان، گاورنر، آب بندها، سیستم روغن کاری و … می‌باشد و قطعات متحرک شامل: روتور و متعلقاتی نظیر پره های متحرک، رینگ‌های روغن کاری، کاپلینگ، سیستم دور بیشینه، سیستم‌های حفاظتی و … است.

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 ماشین های تک سیلندر هستند و واحدهای بزرگتر معمولا از نوع ترکیبی بوده و بخار در اولین سیلندر و به طور جزئی منبسط شده و سپس با عبور از یک یا چند سیلندر دیگر انبساط کامل می‌شود. برای به حداکثر رساندن راندمان توربین، در چند مرحله بخار منبسط شده و کار صورت می‌گیرد. این مراحل برحسب اینکه چگونه انرژی از آن ها استخراج می‌شود دسته بندی می‌شوند.

مزایای استفاده از توربین‌های بخار عبارتند از:

  • دارای راندمان بالا
  • دارای قابلیت اعتماد بالا
  • دارای ساختمان ساده
  • دارای هزینه تعمیر و نگه داری پایین
  • دارای قابلیت تغییر دور و همچنین تولید دورهای بالا

معایب استفاده از توربین‌های بخار عبارتند از:

  • نیازمند به دیگ بخار و سایر تجهیزات مربوطه
  • دارای هزینه زیاد تولید و نقل و انتقال بخار و تجهیزات مربوطه
  • دارای تلفات بخار زیاد
  • بستن و راه اندازی نسبتا مشکل
  • دارای هزینه تعمیرات و نگهداری زیاد
  • دارای محدودیت استفاده، صرفا در مکان‌هایی که بخار در دسترس باشد نظیر نیروگاه‌ها یا پالایشگاه‌ها

توربین آبی

Hydropower یا نیروی مبتنی بر آب، ترکیبی از ریزش عمودی و سپس جریان هموار آب است. به این نحو که با در دست داشتن یک هیدروماشین می توان 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 شدید تری است. اگر جریان آب آرام باشد، نیازمند دهانه شیب تیزتری است. یکی از بارز ترین تفاوت های انرژی آبی در مقایسه با انرژی بادی یا انرژی خورشیدی این است که شما نمی توانید با اضافه کردن ماژول های گیرنده بیشتر، به همان میزان برق بیشتری بگیرید. زیرا انرژی آبی محدود به منبع خود است و شما با یک دستگاه می توانید تمامی بهره مندی خود را داشته باشید. این در حالی است که مبدل های باد و خورشید برای تولید الکتریسیته، تنها به فضای بیشتری نیازمندند.

مزایای استفاده از توربین‌های آبی عبارتند از:

  • تجدید پذیر بوده و به طور طبیعی بعد از هر فصل مجددا تجدید می شود.
  • بدون آلایندگی هستند و فرایند تولید برق در آنها کاملا فیزیکی است.
  • داراي بازده و راندمان بالا هستند. (به طور معمول بازده توربین هاي آبی بالاي 90 درصد بوده و بازده کلی نیروگاه برق آبی می تواند بالاي 80 درصد باشد. این مقدار در مقایسه با نیروگاه هاي فسیلی که در محدوده 40 تا 60 درصد هستند رقم بسیار خوبی است.)
  • به دلیل نیاز به تعمیرات کم، داراي ضریب دسترسی بالایی است.
  • به سرعت وارد مدار می شوند و زمان راه اندازي بسیار کم و در حدود 5 دقیقه است. این زمان در مقایسه با نیروگاه هاي حرارتی با زمان راه اندازي و شروع به کار در حدود 5 تا 6 ساعت، جالب توجه است (این زمان بسته به نوع نیروگاه حرارتی و راه اندازي گرم و سرد آن متفاوت خواهد بود)
  • به دلیل نیاز به ساخت سد و انباره نگهداري آب، این نیروگاه ها داراي مزایایی از قبیل کنترل جریان آب و سیلاب، آبیاري، پرورش ماهی، حمل نقل، ایجاد امکانات تفریحی و غیره نیز هستند.

معایب استفاده از توربین‌های آبی عبارتند از:

  • نیاز به سرمایه گذاري بالا نسبت به نیروگاه هاي حرارتی
  • زمان ساخت طولانی
  • ایجاد تغییرات در اکولوژي محل احداث
  • وابستگی به شرایط جوي و ریزش باران

توربین بادی

در توربین های بادی از نیروی باد جهت به حرکت در آوردن توربین استفاده می‌شود. امروزه از توربین‌های بادی در نیروگاه های بادی جهت تولید برق استفاده می‌شود.

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 در آمده 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.

توربین‌های بادی به دو دسته زیر تقسیم بندی می‌شوند:

  • توربین های بادی با محور افقی 
  • توربین های بادی با محور عمودی

توربین های بادی با محور افقی

توربین های بادی با محور افقی پیشینه بیشتری داشته و امروزه هم بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این توربین ها، روتور و ژنراتور الکتریکی در بالای یک برج بلند قرار گرفته و می‌بایست در راستای جهت وزش باد قرار گیرند. در توربین، توسط قطعه‌ای به نام Anemometer سرعت باد سنجیده می‌شود و اطلاعات بدست آمده به کنترل کننده ارسال می‌گردد. قطعه ی Controller زمانی که سرعت باد در محدوده مجاز باشد، ماشین را راه اندازی می‌کند و هنگامی که سرعت باد بیشتر از حد مجاز (۶۵ mph) شود دستور خاموش شدن ماشین را صادر می‌کند زیرا در این شرایط ژنراتور به سرعت به حرارت بسیار بالایی خواهد رسید. توسط قطعه ی Wind Vane جهت وزش باد اندازه گیری می‌شود و این قطعه کمک می‌کند تا جهت توربین نسبت به جهت باد در وضعیت مناسبی قرار گیرد.

هنگامی که باد در خلاف جهت توربین می‌وزد و باید روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گیرد، از درایو انحراف (Yaw Drive) استفاده می‌شود. برای به حرکت در آوردن درایو انحراف از موتور انحراف (Motor Yaw) استفاده می‌شود. واضح است که اگر وزش باد در جهت توربین باشد دیگر نیازی به استفاده از درایو انحراف نیست.

در بیشتر این توربین‌های بادی، با استفاده از یک جعبه دنده، سرعت چرخش پایین پره‌ها را به سرعت بیشتری برای ژنراتور تبدیل می‌کنند. اما در برخی طراحی ها، محور با همان سرعت اولیه، ژنراتور را می‌چرخاند. توربین‌های بادی با محور افقی دارای بازدهی خوبی می‌باشند اما تعمیر و نگهداری آنها به جهت قرارگیری تجهیزات در ارتفاع بالا، مشکل می‌باشد.

توربین های بادی با محور عمودی

در توربین‌های بادی با محور عمودی، روتور اصلی بصورت عمودی قرار می‌گیرد. این توربین‌ها نیازی به تنظیم قرار گیری نسبت به جهت وزش باد ندارند و این نکته در مکان‌هایی که جهت وزش باد خیلی متغیر است مثلا در بالای ساختمان ها، یک امتیاز به شمار می‌آید. با توجه به اینکه محور عمودی می‌باشد، می‌توان جعبه دنده و ژنراتور را در نزدیکی زمین قرار داد که این موضوع دسترسی به این تجهیزات را برای تعمیر و نگهداری آسان تر می‌کند.

از معایب این توربین‌ها می‌توان به کم بودن سرعت دورانی، زیاد بودن گشتاور، بار گذاری دینامیکی زیاد پره ها، بازدهی کمتر نسبت به توربین‌های افقی، هزینه بیشتر سیستم انتقال قدرت، و همچنین پیچیدگی زیاد طراحی و تحلیل ایرفویل پره‌ها پیش از ساخت پیش نمونه (پروتوتایپ) اشاره کرد.

توربین‌های بادی با محور عمودی به شکل‌های مختلفی ساخته می‌شوند که دو نوع عمده آنها توربین‌های بادی داریوس (Darrieus) و ساوونیوس (Savonius) هستند. 

توربین‌های بادی افقی غالبا دارای ۳ پره می‌باشند. پره‌ها معمولا دارای طولی بین ۲۰ تا ۴۰ متر و در توربین‌های بزرگ بیشتر از ۶۰ متر می‌باشند و سرعت دورانی آنها حدود ۱۰ تا ۳۰ دور بر دقیقه می‌باشد. برخی از مدل‌های توربین بادی، در سرعت ثابت کار می‌کنند ولی توربین‌های با سرعت متغیر انرژی بیشتری می‌توانند تولید کنند، که به واسطه نیروی لیفت و دراگ پره‌ها به حرکت در می‌آیند.

هر چند نیروی باد یک منبع انرژی سالم و غیر آلاینده محیط زیست به شمار می‌آید اما احداث یک مزرعه توربین بادی می‌تواند باعث بروز لطمه‌های شدیدی به محیط زیست منطقه گردد. برای حفر گودال‌ها اگر زمین منطقه مورد نظر پوشیده از تخته سنگ باشد، از دینامیت استفاده می‌شود که این کار به شدت بر روی اکو سیستم منطقه و گونه‌های گیاهی تاثیر می‌گذارد. همچنین احداث جاده‌ها به منظور دسترسی به محل توربین‌های بادی موجب نابودی بسیاری از زیستگاه‌های حیات وحش می‌شود.