توربین وسیله ای است که برای تولید برق استفاده می شود. انواع مختلفی از توربین ها وجود دارد که توربین ضربه ای یکی از آنهاست. با توجه به طراحی تیغه های پروانه و نازل، توربین ها به دو نوع عمده تقسیم می شوند.
1. توربین واکنشی
2. توربین ضربه ای
این مقاله بر روی اصل کار توربین ضربه ای و برخی جنبه های دیگر آن تمرکز دارد.
توربین ضربه ای چیست؟
توربین ضربه ای نوعی توربین است که در آن یک جت آب با سرعت بالا به پره های توربین برخورد کرده و آن را برای تولید برق می چرخاند. توربین ضربه ای بر اساس قانون دوم نیوتن کار می کند. Real و Pichon فرانسوی توربین ضربه‌ای ترکیبی را در سال 1827 اختراع کردند.
توربین های ضربه ای در دسترس ترین شکل توربین هستند. شامل یک سری تیغه و یک سری نازل می شوند. نازل ها و پره ها اجزای اصلی یک توربین ضربه ای هستند.
توربین ضربه ای دارای چندین نازل استاتیک است که فشار جت آب را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. آب پس از عبور از نازل به تیغه های پروانه برخورد می کند. تیغه های پروانه توربین تقریبا تمام انرژی جنبشی جت آب را دریافت می کنند و آن را به سرعت آب تبدیل می کنند. این توربین ها برای کاربرد های با دبی آب کم و هد بالا استفاده می شوند.
تفاوت اصلی بین توربین های واکنشی و توربین های ضربه ای این است که در یک توربین ضربه ای تمام انرژی هیدرولیکی آب از طریق نازل ها به انرژی جنبشی تبدیل می شود و در طول فرآیند تغییر فشاری ایجاد نمی شود. در مقابل، در توربین های واکنشی، تنها مقدار معینی از انرژی موجود به انرژی جنبشی تبدیل می شود.
اصل کار توربین ضربه ای
اصل کار توربین ضربه ای مطابق با اصل ضربه اولیه است. قانون دوم حرکت نیوتن اصل کار توربین ضربه ای را توضیح می دهد. برای توربین های ضربه ای، آب در مکان های مرتفع ذخیره می شود و از طریق نازل های توربین جریان می یابد.
یک توربین ضربه ای به صورت زیر عمل می کند:
- یک جت آب از یک مخزن یا سد به سمت نازل ثابت توربین حرکت می کند.
- با ورود آب به نازل، نازل انرژی پتانسیل آب را به انرژی جنبشی تبدیل می کند و سرعت آب را افزایش می دهد.
- پس از تخلیه از طریق نازل، این جت آب پرسرعت به تیغه های رانر برخورد کرده و رانر را در امتداد محور خود می چرخاند.
- شفت توربین به رانر متصل است. همانطور که رانر می چرخد، حرکت خود را به شفت منتقل می کند.
- شفت توربین به سیم پیچ ژنراتور متصل می شود. شفت حرکت دورانی خود را به سیم پیچ ژنراتور منتقل می کند و سیم پیچ را می چرخاند.
- با چرخش سیم پیچ ژنراتور، انرژی مکانیکی دریافتی (یعنی حرکت دورانی) را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این برق تولید شده به مصرف صنایع مختلف و خانه ها می رسد.
همچنین بخوانید : قطعات تراش برجک | کار برجک تراش | انواع برجک تراش | مزایای تراش برجکی
اجزای توربین ضربه ای
توربین ضربه ای دارای اجزای اصلی زیر است:
1. باکت
2. رانر
3. محفظه
4. نازل
5. اسپیر
6. پنستاک
1) باکت یا تیغه ها
تیغه پروانه دارای ساختار نیمکره ای تو خالی است که بالای پروانه پیچ می شود. باکت ها از اجزای اصلی توربین ضربه ای هستند. جت به این تیغه ها برخورد می کند و پروانه را می چرخاند.
طراحی این تیغه ها به گونه ای است که انرژی جنبشی آب را به سرعت تبدیل کرده و سرعت آب را افزایش می دهد. طراحی تیغه نقش مهمی در تعیین بازده توربین دارد. تیغه ها از چدن یا فولاد ضد زنگ ساخته می شوند.
2) رانر یا پروانه
رانر توربین یک دیسک صلب است که در مرکز یک شفت استوانه ای قرار دارد. پروانه و شفت از فولاد ضد زنگ با مقاومت بالا ساخته شده اند. به همین دلیل، بار روی توربین بسیار زیاد است.
پروانه نیز از چدن ساخته شده است، سر قابل استفاده آب در آن حداقل است، بنابراین نیروی وارد بر توربین خیلی زیاد نیست.
3) محفظه
محفظه از اجزای اصلی توربین ضربه ای است که از چدن ساخته شده است. نقش یک نوع سپر محافظ را برای توربین دارد. عمدتا از توربین در برابر آسیب ناشی از سقوط یک شی سنگین بر روی آن محافظت کرده و از پاشیدن آب پیشگیری می کند.
4) نازل
هدف نازل هدایت جریان آب به سمت تیغه های پروانه است. آب سد در داخل یک نازل جریان می یابد و نازل فشار آب را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. پس از این تبدیل، آبی را که انرژی جنبشی آن افزایش یافته را به پروانه می فرستد، جایی که آب به تیغه های پروانه برخورد می کند.
5) اسپیر
اسپیر دارای ساختار مخروطی است که امکان کنترل جریان آب به داخل و خارج از نازل و برخورد با سطل را فراهم کرده و جریان آب را با حرکت جلو و عقب خود در نازل کنترل می کند.
اسپیر به نازل متصل می شود و از اجزای اصلی توربین ضربه ای است.
6) پنستاک
دریچه مخصوص تنظیم جریان آب، یا یک لوله محصور است که آب را به توربین می رساند.
انواع توربین ضربه ای
توربین ضربه ای دارای سه نوع اصلی زیر است:
1. توربین پلتون
2. توربین تورگو
1) توربین پلتون
این توربین برای هد بالای آب استفاده می شود. در طول کارکرد توربین پلتون، یک یا چند نازل هد آب را به جریانی با سرعت بالا تبدیل می کنند. با تنظیم ظرفیت جریان آب، می توانید قدرت توربین را کنترل کنید.
توربین پلتون دارای یک سری پره است که به صورت متقارن در اطراف پروانه استوانه ای نصب شده اند. به دلیل شکل خاص این پره ها، جت آب به مرکز (دفلکتور) پره ها برخورد کرده و از دو سر خارج می شود. توربین طوری طراحی شده که آب خروجی از یک پره به پره بعدی برخورد نمی کند و سرعتش کاهش نمی یابد.
دفلکتور این توربین بین نازل و پروانه نصب می شود. هنگامی که بار به طور غیرمنتظره ای از توربین برداشته می شود و سرعت آن افزایش می یابد، دفلکتور از نشت آب از نازل ها به پره ها جلوگیری می کند. سپس جریان آب به آرامی توسط اسپیر متوقف می شود.
توربین های پلتون دارای ویژگی های دیگری هستند که در زیر آورده شده است:
- این توربین ها برای هدهای 20 تا 100 متری استفاده می شوند.
- این توربین ها می توانند آب را از 5 تا 1000 لیتر در ثانیه تخلیه کنند.
- نصب توربین های پلتون در مقایسه با توربین های واکنشی با عملکرد مشابه آسان است. به این دلیل که توربین پلتون دبی نسبتا کمی دارد و لوله های مورد نیاز نیز کوچک هستند.
- این توربین ها با هد آب بالا کار می کنند، به همین دلیل به پنستاک پیچیده و گران قیمت نیاز دارند.
- این توربین ها می توانند تا 95 درصد راندمان داشته باشند. نیروگاه های برق آبی کوچک می توانند تا 90 درصد راندمان تولید کنند.
2) توربین تورگو
توربین ضربه ای تورگو تقریبا شبیه توربین پلتون است. تفاوت اصلی این توربین ها در این است که توربین تورگو به جای پره های دوتایی دارای پره های تکی است و گودی این پره ها کمتر است. در توربین تورگو، جت آب به صورت مورب به پره ها (تقریباً 20 درجه) برخورد می کند.
توربین های ضربه ای پلتون سرعت کمتری نسبت به تورگو دارند. در مقایسه با توربین‌های پلتون با قدرت مشابه، توربین‌های تورگو دارای اندازه کوچک و جت آب بزرگ هستند. این نوع توربین ضربه ای در نیروگاه های برق آبی کوچک استفاده می شود.
برخی دیگر از ویژگی های توربین های تورگو در زیر آورده شده است:
- دبی جریان بالاتری نسبت به توربین های پلتون با همان اندازه دارند
- مناسب برای سرعت های بالا
- این توربین می تواند دبی آب بیشتری را تحمل کند
- مونتاژ این توربین ها آسان است
3) توربین جریان متقاطع
توربین جریان متقاطع یک توربین ضربه ای بهبود یافته است که در نیروگاه های برق آبی کوچک استفاده می شود. یکی از ویژگی‌ها و مزایای اصلی این توربین‌ها، توانایی آن ها در کارکردن در طیف وسیعی از دبی ها، هدها و توان هاست. علاوه بر این، می تواند به خوبی با جریان های مختلف تنظیم شود و در عین حال راندمان را کاهش دهد. یک سیستم کنترل خاص می تواند قسمت های متحرک توربین را با توجه به جریان آب تنظیم کند.
این توربین دارای یک پروانه درام شکل است. وقتی هد بالا باشد پروانه کوتاه است و وقتی هد پایین باشد پروانه بلند است.
آب پس از عبور از آداپتور ورودی به توربین می‌رسد و باکت هایی را که جریان آب را جهت می دهند هدایت می‌کند و برای حداکثر راندمان با زاویه مناسب به روتور برخورد می‌کند. پس از دو بار خروج از پروانه، آب از طریق دریچه خروجی از توربین خارج می شود.
ویژگی های اصلی توربین های جریان متقاطع در زیر آورده شده است:
- این توربین ها برای هدهای تخلیه 2 تا 200 متر با دبی 20 تا 2000 لیتر در ثانیه استفاده می شوند
- ساخت آسان
- نیاز به نگه داری بسیار کمی دارند
- این توربین ها برای نیروگاه های آبی کوچک (5 تا 100 کیلووات) و نیروگاه های بزرگ (تا 3 مگاوات) ایده آل هستند.
چگونه توان توربین ضربه ای را افزایش دهیم؟
بسته به بار توربین، اسپیر به سمت داخل و خارج نازل حرکت می کند تا جریان آب را کنترل کند.
برای به دست آوردن بالاترین بازده از توربین، سرعت برخورد جت آب به پره های رانر باید دو برابر بیشتر از سرعت پره های متحرک باشد. میزان تزریق آب باید مطابق با سرعت و بار توربین باشد تا توربین در موثرترین محدوده به کار خود ادامه دهد.
توصیه می شود به جای یک نازل از سه تا چهار نازل استفاده کنید. به این ترتیب ظرفیت خروجی توربین افزایش می یابد و می تواند بار سنگینی را تحمل کند. با کم شدن بار توربین، برخی از نازل ها را برای تنظیم توان خاموش کنید.
اگر بار توربین به شدت کاهش یابد و اسپیر نتواند جریان جت آب را به سرعت تنظیم کند، در این صورت سرعت توربین همچنان افزایش می‌یابد و ممکن است توربین آسیب ببیند. برای جلوگیری از این امر، باید از یک دفلکتور (منحرف کننده) برای منحرف کردن جریان آب از پره های توربین استفاده کنید. دفلکتور توربین را در یک منطقه امن نگه می دارد.
مزایای توربین ضربه ای
- نگه داری آسانی دارد
- ساخت آن بسیار ساده است
- راندمان توربین ضربه ای بالاست
- این توربین ها مونتاژ آسانی دارند
- در فشار جو کار می کند
- سرعت چرخش بالایی دارد
معایب توربین ضربه ای
- اندازه آن در مقایسه با توربین های دیگر بزرگ است
- نیاز به هد بالا دارد که مدیریت آن دشوار است
- راندمان با گذشت زمان کاهش می یابد
- هزینه نصب بالا
- بهترین توربین برای دبی بالا نیست
- فقط برای دبی کم مناسب است
کاربردهای توربین ضربه ای
- در سیستم تامین آب آشامیدنی استفاده می شود
- توربین های ضربه ای بیشتر در نیروگاه های برق آبی استفاده می شوند.
برای مشاهده مطالب بیشتر در مورد توربین های ضربه ای کلیک کنید
