توربین های بخاری

طبق تعریف، توربین بخاری وسیله ای است كه انرژی حرارتی موجود در بخار را با فشار و درجه حرارت زیاد به انرژی مكانیكی تبدیل می كند. یعنی بخار ضمن عبور از داخل یك یا چند شیپوره(پره های ثابت)، دارای انرژی جنبشی می شود و سپس این بخار را كه دارای سرعت زیاد شده است بر روی پره هایی كه روی محور توربین نصب گردیده اند ، هدایت می كند و محور توربین را به چرخش در می آورد .

مانند سایر توربین ها، توربین بخاری نیز دارای محوری است كه بر روی یاتاقان های مربوطه نصب شده اند و به این طریق قادر به حركت دورانی است. در روی این محور صفحات مدوری(دیسك) قرار دارد که به محور محكم شده است و روی محیط این صفحات مدور یا دیسك ها ، پره های متعدد توربین( پره های متحرك) نصب گردیده اند .

در جداره داخلی بدنه ثابت(سیلندر یا پوسته) توربین نیز به فواصل معینی پره های ثابت توربین نصب شده اند. بخار داغ ابتدا ازمیان پره های ثابت عبور می کند و فشار آن تبدیل به سرعت می شود. یعنی انرژی پتانسیل یا فشاری بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می نماید ، سپس بخار جدید که فشار آن تبدیل به سرعت گردیده است با پره های متحرک توربین برخوردمی کند و با انتقال انرژی جنبشی خود به پره ها ، موجب گردش پره ها و در نتیجه دیسک ها و محور می شود .

طی این مراحل، انرژی حرارتی بخار به انرزی مکانیکی تبدیل می گردد و این کار را توربین بخاری انجام می دهد.

توربین های بخاری را می توان به گونه های مختلفی تقسیم بندی نمود که در ادامه به این موضوع پرداخته می شود :

1- بر اساس تعداد مراحل یا طبقه های فشار

1-1- تعریف مرحله یا طبقه : تركیب یك ردیف پره های ثابت كه روی پوسته نصب می شود و یك ردیف پره های متحرك كه روی روتور جایگذاری می گردد به عنوان یك طبقه یا یك مرحله پره در توربین بخاری تعریف می شود

2-1-وظیفه پره های ثابت : كاربرد پره های ثابت دریك طبقه پره توربین باهدف تبدیل انرژی فشاری بخاربه انرژی سرعتی و اصلاح و بهینه سازی جهت بخار برای ورود مطلوب به پره های متحرك می باشد

3-1-وظیفه پره های متحرك : باتوجه به نصب پره های متحرك بر روی محور توربین، بخارپس ازخروج از پره های ثابت وارد پره های متحرك می گردد و درحین عبور از میان این پره ها انرژی سرعتی خود را به آن ها وارد نموده و باعث چرخش محور می شود

4-1- انواع

1-4-1- توربین های یك مرحله ای

2-4-1- توربین های دو مرحله ای

3-4-1- توربین های چند مرحله ای

2- بر اساس نحوه جریان ورود بخار به توربین

توربین های بخاری از لحاظ مسیر حرکت بخار نسبت به محور(در داخل توربین) به سه دسته جریان شعاعی، جریان محوری، جریان مماسی، تقسیم می گردند که تقریباْ تمامی توربین های بزرگ بخاری امروزی از نوع جریان محوری هستند.

1-2- جریان محوری (Axial Turbines) : در این توربین ها بخار در مسیر خط افقی و موازی با محور جریان می یابد و از لا به لای پره های ثابت و متحرك عبور نموده وانرژی خود را به پره ها و در نتیجه به روتور منتقل می كند. توربین های جریان محوری به علت بازده بسیار بالای شان حتی برای ایجاد توان های بسیاركم دركلیه توربین های صنعتی و موتورهای جت به كار گرفته می شوند. توربین های جریان محوری می توانند شامل یك یا چند مرحله باشند به طوری که هر مرحله شامل یك ردیف از پره های ثابت(نازل ها) و یك ردیف از پره های متحرك می باشند.

2-2- جریان شعاعی (Radial Turbines ) : در این توربین ها بخار از قسمت وسط و مركز دایره توربین وارد می شود و در جهت شعاع ازپره ها عبور کرده و انرژی خود رابه كارتبدیل می كند. توربین های جریان شعاعی دارای دو محور هم راستا می باشند كه پره های هرردیف به تناوب روی این دو محور نصب شده اند.

توربین های جریان شعاعی توربین هایی هستند که بر خلاف نوع رایج امروزی که جریان محوری است جریان بخار در داخل آن ها عمود بر محور یا شفت برقرار می گردد و در این راستا بخار، انرژی خود را به پره ها می دهد و از مرکز توربین دور می شود. در حین دور شدن از محور، بخار به ردیف اول پره ها که در مسیرش قرار دارد برخورد می کند و در عین حال که انرژی درونی آن به انرژی جنبشی تبدیل می گردد(تبدیل فشار به سرعت) به آن پره ها نیرو وارد خواهد نمود و خودش هم به سمت پره های ردیف بعدی هدایت می شود. این روند تا انتهای توربین یعنی آخرین ردیف از پره ها ادامه می یابد و سپس بخار جمع می شود و از طریق یک لوله به خارج از توربین هدایت می گردد.گفتنی است که پره های توربین به صورت دایره روی روتور قرار دارند و برروی دو روتور هم راستا نصب شده اند و یک در میان ردیف ها متعلق به روتورها است یعنی بخار پس از برخورد با ردیف اول پره های روتور اول به سمت ردیف اول از روتور دوم می رود و به آن انرژی وارد می کند و سپس به سمت پره های ردیف دوم از روتور اول می رود و به همین صورت تا محیط بیرونی روتور و پره ها پیش می رود. بدیهی است دو روتور در اثر اعمال انرژی از بخار خلاف جهت یکدیگر می چرخند و بخار منبسط می گردد.

این نوع توربین های بخاری برای اولین بار توسط لیونگ استروم معرفی شد و سپس توسط استال دولاوال به تکامل رسید و به شکل کنونی اش گسترش یافت.

3-2- جریان مماسی: در این نوع توربین ها بخار به وسیله نازل های متعددی تحت زوایای معینی نسبت به محور به صورت مماسی به پره های توربین برخورد می کند. این نوع توربین های بخاری دارای قدرت خروجی بالایی هستند ولی بازدهی آن ها پایین است و به همین دلیل از آن ها استفاده چندانی نمی شود.

3- بر اساس تعداد سیلندرها

در شرایطی كه بخار ورودی به توربین از لحاظ فشار، دما و انتالپی در شرایط بالا قراردارد، به علت طولانی شدن مجموعه توربین، تنها از یك سیلندر استفاده نمی گردد. زیرا زیاد بودن انبساط حرارتی در قطعات ریخته گری و یا آهنگری شده بزرگ و هم چنین گذر از سرعت های بحرانی تارسیدن به سرعت یا دور نامی ، باعث لنگی یا خمیدگی زیاد روتور می شود. به این ترتیب توربین را به صورت فشار قوی (HP )، فشار ضعیف (LP ) و یا حتی در صورت لزوم توربین IPو LPرا نیز به دو یا چند سیلندر تقسیم می كنند.این عمل خاصیت مهم دیگری دارد كه به جای طرح یك توربین بزرگ با شرایط حرارتی و فشار بالا، از چند سیلندر استفاده می گردد كه به غیر از یك یا دو سیلندر، سیلندر دیگر در شرایط كاری ساده تر و در نتیجه هزینه ساخت پایین تر و بهره برداری راحت تر خواهد بود. هم چنین در توربین های عكس العملی (بازتابی) جهت تعادل نیروهای محوری می توان از طرح جریان متقابل بخار در توربین ها استفاده كرد و یا از توربین با دو جریان معكوس استفاده نمود. به ویژه برای واحدهای بزرگی كه خلاء كندانسور آن ها پایین است به ناچار برای جلوگیری از ازدیاد بیش از حد ابعاد توربین LP ، به صورت دو جریان معكوس طراحی و ساخته می شود. توربین های بزرگ را ممكن است به صورت دو محور طراحی نمود مخصوصاً به خاطر اشكالاتی كه از نظر حد مقاومت قطعات، افزایش زیاد سطح پره های نهایی، ازدیاد طول مجموعه توربوژنراتور به دلیل تعدد سیلندرها به وجود می آید، از توربین با دو محور استفاده می گردد.

سرعت دورانی توربین های بخاری معمولاً 3000 دور بر دقیقه است و برای ژنراتور چهار قطبی سرعت 1500rpm می گردد.

در نیروگاه های اتمی به علت پایین بودن شرایط بخار ورودی ( از لحاظ فشار و دمای بخار ورودی) به توربین ، ممكن است سرعت دورانی روتور یا محور 1500rpm باشد.

1-3- توربین های یك سیلندر: درنیروگاه های كوچك و با تولید كم ازتوربین های یك سیلندراستفاده می شود

2-3- توربین های دو یا چند سیلندر: معمولاً درنیروگاه های بزرگ به منظوركسب اهداف بهینه ی فنی واقتصادی از توربین های دو یا چند سیلندربهره گیری می شود.

3-3- برتری های چند سیلندربودن توربین: ساخت راحت تر وارزان تر،بهره برداری آسان تر، نگهداری وتعمیر بهتر،حمل و نقل آسان تر،كنترل انبساط دقیق تر ،كاهش مشكلات لرزش پره های ردیف آخر با توجه به کوتاه شدن طول آن ها.

4- بر اساس میزان فشار بخار ورودی

1-4- توربین های فشار پایین (1.2-10at )

2-4- توربین های فشار متوسط (10-88at )

3-4- توربین های فشار بالا (88-242at )

4-4- توربین های فشار بسیار بالا (بالاتر از 242at )

5- براساس نوع طبقه

1-5- ضربه ای : درطبقه های این توربین ها فشار بخار فقط در پره های ثابت آن كاهش می یابد و به انرژی سرعتی تبدیل می شود و در پره های متحرك هیچ گونه افت فشاری صورت نمی گیرد. از ویژگی های این پره ها می توان به برابری زاویه ورود و خروج بخار، تلفات زیاد بخاردرپره های ثابت، عدم نیازبه آب بندی درنوك پره های متحرك اشاره نمود.

2-5- عكس العملی : در توربین های عكس العملی علاوه برافت فشاردر پره های ثابت كه انرژی فشاری به سرعتی تبدیل می شود، درپره های متحرك نیزفشاركاهش می یابدودرحین انبساط، باعث ایجاد نیرویی علاوه بر نیروی حاصل از ممنتم خواهدگردید. برخی از ویژگی های توربین عكس العملی عبارت است از: اختلاف زاویه ورود و خروج بخار به پره، وجود افت فشار در پره های ثابت و متحرك، نیاز به آب بندی نوك پره های ثابت و متحرك، بازدهی بالاترنسبت به نوع توربین ضربه ای .

3-5- تركیبی : درتوربین های امروزی تركیبی از پره های ضربه ای وعكس العملی(بازتابی) استفاده می شود. به این صورت كه در ابتدای توربین از یك طبقه ضربه ای و در طبقه های بعدی از پره های عكس العملی استفاده می گردد.

1-3-5- چرخ كورتیس

زمانی كه از چند گروه نازل ورودی و مجزا از هم در هدایت و كنترل جریان بخار به توربین استفاده شود در نتیجه بخار به صورت تدریجی جریان می یابد ، با این چند گروه نازل امكان كنترل توان خروجی توربین وجود دارد. در این حالت عموماً به عنوان طبقه اول از چرخ كورتیس استفاده می شود. این چرخ بر اساس فشار ثابت و با پره های ضربه ای طرح می گردد. دلیل دیگر استفاده از چرخ كورتیس، كاهش فشار در ابتدای توربین و نهایتاً ساده تر شدن بقیه ی طرح توربین می باشد.

در طبقه اول عموماً از یك یا دو ردیف پره متحرك استفاده می شود. چرخ كورتیس با یك ردیف پره متحرك بر اساس فشار ثابت کارمی کند و به صورت ضربه ای نیرو به آن وارد می شود. این چرخ در مقایسه با سایر طبقه ها كه به دنبال آن قرار دارد، اغلب دارای قطر بزرگتری است تا از یك سو افت انتالپی بیشتری در آن به كار مفید قابل تبدیل شود و از طرف دیگر سطح مقطعی كافی برای قرار گرفتن نازل های ورودی و جدا كردن آن ها از یكدیگر امكان پذیر باشد. چرخ كنترل یا چرخ كورتیس با دو ردیف پره متحرك نیز بر اساس اصل فشار ثابت عمل می كند. در این جا هم در مقایسه با طبقه های بعدی قطر آن ها بیشتر می باشد.در شرایط سرعت خطی یكسان (یعنی قطر و سرعت دورانی مساوی)، چرخ كورتیس حتی تا چهار برابر افت انتالپی نسبت به چرخ كورتیس یك طبقه ای (كه اصطلاحاً به آن چرخ كنترل نیزمی گویند) می تواند داشته باشد. در چرخ كورتیس مهم ترین بخش افت انتالپی است كه در نازل ها صورت می گیرد. میزان افزایش سرعت در نازلهای ورودی آن چنان است كه امکان دارد سرعت بخار خروجی از اولین ردیف پره متحرك باز هم قابل توجه باشد به طوری كه با یك تغییر جهت مناسب به آن توسط پره ثابت ، بتوان آن را دوباره وارد دومین پره متحرك نمود.

6- بر اساس نوع جریان

زمانی كه كل دبی بخار در یك مسیر جریان یابد، توربین یك جریانه نامیده می شود در حالی كه اگر دبی بخار زیاد باشد با تقسیم آن به دو جریان، باز هم ابعاد پره ها معقول و كافی خواهد بود. در این حالت بخار در بخش میانی پوسته وارد می شود و سپس به دو قسمت تقسیم می گردد و در دو جهت جریان می یابد. با این عمل مشكل گرم شدن اجزای آب بندی كننده به دلیل این كه در دمای پایین تری هستند تا حدودی بر طرف خواهد شد و در نتیجه تلرانس های شعاعی كوچك تری می توان انتخاب نمود. علاوه بر این به خنثی كردن یا متعادل نمودن نیروی محوری نیازی نیست. در مورد توربین های فشار ضعیف با توجه به این كه از نظر سرعت جریان بخار و در نتیجه سطح مقطع خروجی محدود هستند عموماً ملزم به داشتن سیلندر یا سر سیلندرهای دو جریانه خواهند بود.

در بعضی از توربین ها بخار می تواند ابتدا در بخش میانی پوسته وارد شود و در پوسته داخلی جریان یابد و در انتها پس از انجام كار به فضای بین پوسته داخلی و خارجی برگردد و تا انتها در توربین منبسط شود.

این روش در مراحل راه اندازی و بارگیری موجب گرم شدن سریع پوسته می شود و تلرانس محوری را در پره ها و لابیرنت ها كاهش می دهد. علاوه بر آن به دلیل جریان سریع بخار در پوسته بیرونی بخش های بالایی و پایینی پوسته به طور یكسان گرم می شوند، هم چنین با استفاده از این روش در توربین های عكس العملی نیروی محوری را نیز متعادل می شود.

1-6- یك جریانه

2-6- دو جریانه

3-6- با جریان برگشت

7- بر اساس سرعت روتور

1-7- مستقیم و با سرعت نامی 3000 دور در دقیقه

2-7- غیر مستقیم با استفاده از جعبه دنده تبدیل

8- بر اساس تعداد پوسته های هر سیلندر

1-8- توربین های یك پوسته

2-8- توربین های چند پوسته

9- بر اساس فشار ورودی به توربین

1-9- توربین های فشار ثابت : در این روش فشار بخار ورودی به توربین همواره ثابت است

2-9- توربین های فشار متغیر: دراین توربین ها با تغییربار ، فشاربخار ورودی نیز تغییر می كند

10- بر اساس نوع كنترل جریان بخار در ورود به توربین

1-10- نازل كنترل : در این نوع روش كنترل بار ، شیرهای كنترلی توربین به صورت نوبتی باز و بسته می شوند

2-10- تروتل كنترل : در روش تروتل یاخفگی ، شیرهای كنترلی ورود بخار به توربین با هم باز و بسته می شوند

گاورنر...