توربین بخار چیست و چه انواعی دارد؟

در بسیاری از نیروگاه ها، توربین بخار، به عنوان یک عامل مهم در روند تولید، محسوب می شود. توربین بخار چیست و چه انواعی دارد؟ این توربین با استفاده از بخار، انرژی مکانیکی و جنبشی به وجود می آورد و چهار مدل مختلف دارد. توربین بخار عمودی، افقی، نسبی و حلزونی از انواع این دستگاه به شمار می روند که در نحوه تولید انرژی، از نظر ظاهری و سیستم خنک کننده تفاوت دارند. برای افزایش عمر مفید توربین های بخار از روغن های روانکار استفاده می شود که هر چند وقت یک بار نیاز به تعویض آن ها وجود دارد. عمل تصفیه را می توان توسط انواع دستگاه پرتابل تصفیه روغن توربین انجام داد.

توربین بخار چیست؟

توربین بخار، یک دستگاه مکانیکی است که از انرژی حرارتی بخار آب، برای تولید انرژی مکانیکی، استفاده می کند. عملکرد اصلی توربین بخار، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است. توربین بخار، دارای چند قسمت است و بخار آب از طریق یک سری لوله ها و مبدل های حرارتی، وارد توربین می شود. 

بخار، وارد شده به توربین به سرعت و فشار بالا می رود و به تیغه های توربین وارد می شود. وقتی بخار بر روی تیغه های توربین اثر می گذارد، نیروی جنبشی ایجاد می کند و تیغه ها شروع به چرخش می کنند. این چرخش تیغه ها، انرژی مکانیکی را تولید کرده و توربین به حرکت در می آید.

جهت پاسخگویی به سوال توربین بخار چیست و چه انواعی دارد؟ باید بگوییم که توربین بخار، شبیه به یک ژنراتور مرتبط است که انرژی مکانیکی تولید شده را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند دارای چهار مدل است. در برخی نیروگاه ها، توربین بخار به صورت مستقیم به دستگاه های مکانیکی متصل می شود که از طریق آن ها انرژی جنبشی، مورد نیاز برای عملکرد دستگاه های دیگر تامین می شود.

کاربرد اصلی این توربین ها در نیروگاه های حرارتی و هسته ای است. با احتراق سوخت های فسیلی یا با استفاده از انرژی هسته ای، حرارت تولید می شود و بخار آب تولید شده توسط این حرارت، از طریق توربین بخار به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

توربین بخار، علاوه بر کاربرد در نیروگاه ها، در صنایع دیگر نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، در صنعت پتروشیمی، توربین بخار برای تأمین نیازهای انرژی و ایجاد حرارت و در کشتی ها و قطارها نیز از توربین بخار به عنوان منبع قدرت استفاده می گردد.

آشنایی با اجزای توربین بخار

توربین ها عموماً شامل چندین اجزا مهم هستند که هر کدام نقش و وظیفه ای خاص، در عملکرد و عملیات توربین دارند. اجزای توربین شامل موارد زیر می شود:

1. محور (Shaft)

محور توربین، ساختار اصلی و مرکزی است که به صورت استوانه ای و سخت ساخته می شود و در اثر نیروهای چرخاننده از طریق تیغه ها و پره ها، چرخش خودش را آغاز، می کند. محور توربین، انرژی تولید شده توسط توربین را، به دیگر سیستم های مکانیکی، انتقال می دهد و انرژی آن ها را تامین می کند.

2. تیغه ها یا پره ها (Blades)

تیغه ها یا پره ها، بخشی از توربین هستند که با تأثیر بخار، بخشی از انرژی انتقالی را به توربین می دهند و در نتیجه چرخش محور توربین را ایجاد می کنند. تیغه ها، به صورت منحنی و بهینه سازی شده طراحی می شوند تا بهترین تبدیل انرژی را از جریان بخار به انرژی جنبشی، بدست آورند.

در توربین های بخار، تیغه ها به صورت استوانه ای یا مخروطی قرار دارند و در توربین های گازی به صورت سه بعدی و منحنی طراحی می شوند.

3. نازل (Nozzle)

نازل، بخشی است که بخار آب وارد توربین می شود. نازل ها شکل و ساختار خاصی دارند تا بخار را به طور کنترل شده و با سرعت بالا به تیغه ها هدایت کنند. نقش اصلی نازل ها در توربین های بخار، تبدیل انرژی حرارتی بخار به انرژی کینتیکی (سرعت) است.

4. محفظه (Casing)

محفظه توربین، حاوی تمامی اجزای داخلی توربین است که حفظ و نگهداری می کند. محفظه توربین علاوه بر حفظ اجزا، به برقراری تنظیمات لازم در رابطه با جریان بخار و جریان هوای خروجی نیز، کمک می کند.

5. سیستم خنک کننده (Cooling System)

در برخی توربین ها، سیستم خنک کننده برای کنترل دمای تیغه ها و جلوگیری از آسیب به آن ها، استفاده می شود. این سیستم، شامل انتقال حرارت، انتقال مایع خنک کننده، انتقال هوا یا سیستم های دیگر برای خنک کردن اجزای توربین می شود.

تمامی این موارد، اجزا اصلی توربین ها هستند و هر یک نقش مهمی، در عملکرد و کارایی توربین دارند. البته، بسته به نوع و کاربرد توربین، اجزا و سیستم های دیگری نیز، مانند سیستم تنظیم و کنترل، سیستم توربین های چند مرحله ای، سیستم جدا کننده بخار و آب و… ممکن است وجود داشته باشند.

معرفی 4 نوع مختلف توربین بخار

توربین بخار یک دستگاهی است که از انرژی حرارتی بخار آب، برای تولید انرژی جنبشی مکانیکی، استفاده می کند. در واقع، توربین بخار یک محرک است که در حین عبور بخار از آن، انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

توربین بخار انواع متفاوتی دارد و به طرح ساخت و نوع خنک کننده بخار تقسیم بندی، می شود. انواع توربین بخار عبارتند از:

1. توربین بخار عمودی (Vertical Steam Turbine)

در این نوع توربین، محور چرخش آن به صورت عمودی است و کاربرد های متنوعی دارد که بیشتر در نیروگاه های هسته ای، استفاده می شود.

در توربین بخار عمودی (Vertical Steam Turbine)، بخار آب وارد توربین، شده و به تیغه های توربین اعمال می شود. این تیغه ها، بر روی دیسک هایی جای دارند که به محور عمودی توربین متصل هستند. هنگامی که بخار روی تیغ ها، اثر می گذارد، تیغه ها شروع به چرخش می کنند و انرژی جنبشی، تولید می شود. این چرخش تیغه ها، باعث چرخش محور توربین می شود.

توربین بخار عمودی، مزایایی دارد که آن را برای برخی از کاربردها مناسب می کند. به عنوان مثال:

1.کمترین فضا را اشغال می کند: به دلیل طراحی عمودی این توربین، به طور کلی از فضای کمتری نسبت به توربین های افقی استفاده می کند. این ویژگی آن را برای نصب در فضاهای محدود و ساختمان های بلند در اولویت قرار می دهد.

2. پایداری در سرعت بالا: این توربین، به علت طراحی عمودی و وزن محور بالا، پایداری بهتری در سرعت های بالاتری نیز، دارد. این به معنای قدرت بیشتر در کنترل سرعت و حفظ استحکام در سرعت های بالا است.
3. توانایی در کنترل بار: توربین بخار عمودی، قابلیت کنترل بار بالا را دارد. 

2. توربین بخار افقی (Horizontal Steam Turbine)

 در این نوع توربین، محور چرخش آن به صورت افقی است و بیشتر در نیروگاه های حرارتی و نیروگاه های بخار استفاده می شود. توربین بخار افقی (Horizontal Steam Turbine)، بخار آب وارد توربین می شود و به تیغه های توربین، فشار وارد می کند تا انرژی تولید شود. این تیغه ها بر روی دیسک هایی قرار دارند که به محور افقی توربین متصل هستند. 

در این توربین، بخار باعث چرخش تیغه ها شده و انرژی مکانیکی تولید می شود. 

توربین بخار افقی دارای مزایایی است که آن را به یکی از انتخاب های اصلی در صنعت نیروگاهی تبدیل کرده است. مزایای این نوع توربین عبارتند از:

1. کارایی بالا

توربین های بخار افقی، معمولاً دارای کارایی بالاتری نسبت به توربین های بخار عمودی هستند که یعنی، بهره وری بیشتر در تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است.

2. ساختار ساده

توربین بخار افقی، دارای ساختار ساده تری نسبت به نوع عمودی است. این ساختار ساده تر باعث کاهش هزینه و زمان نصب در راه اندازی می شود.

3. تعمیر و نگهداری آسان

دسترسی به اجزا این نوع از توربین، در فضای افقی آسان تر است و تعمیر و نگهداری آن را ساده تر می کند.

4. قابلیت استفاده از توربین های چند مرحله ای

توربین بخار افقی، قابلیت استفاده از توربین های چند مرحله ای را دارد که این عامل، باعث افزایش کارایی و بهره وری توربین می شود.

توربین بخار توسط افقی به دلیل مزایایی که دارد، در بیشتر نیروگاه هایی که حرارتی هستند و یا صنعتی اند، استفاده می شود.

3. توربین بخار حلزونی (Impulse Steam Turbine)

در این نوع توربین، بخار به صورت تندرو و برخوردی در مقابل تیغه های توربین عمل می کند و انرژی حرارتی بخار به صورت ضربه ای به انرژی مکانیکی جنبشی، تبدیل می شود. 

عملکرد توربین بخار حلزونی (Impulse Steam Turbine)، بر اساس دو مرحله اصلی انجام می شود:

1. مرحله اول (Impulse stage)

در این مرحله، بخار آب از یک نازل به صورت پرشی (impulse) وارد می شود. نازل یک سیستم دقیق و محکم است که بخار را به صورت سریع و با فشار بالا به سمت تیغه های توربین هدایت، می کند. 

با ورود بخار به تیغه ها، بخار انرژی خود را به تیغه ها منتقل می کند و سرعت بخار کاهش می یابد. این انتقال انرژی به صورت پرشی و بهبود سرعت بخار، انرژی مکانیکی را تولید می کند.

2. مرحله دوم (Compounding stage)

در این مرحله، تیغه های توربین متصل به یک سری حلقه های کمپرسور حلزونی هستند. این حلقه ها به صورت متوالی و به شکل حلزونی در اطراف محور توربین، قرار دارند. با ورود بخار به حلقه ها، چرخش شروع می شود و سرعت آن افزایش می یابد. 

در این مرحله، بخار توسط حلقه های کمپرسور حلزونی، به سمت خروجی توربین هدایت می شود و انرژی مکانیکی بیشتری تولید می گردد.

توربین بخار حلزونی به دلیل عملکرد پرشی در مرحله اول و استفاده از حلقه های کمپرسور حلزونی در مرحله دوم، کارایی بالا و بهره وری قابل توجهی نسبت به دیگر توربین ها، دارد. این نوع توربین بخار در نیروگاه ها و صنایع بزرگ که نیاز به تولید برق و انرژی مکانیکی دارند، استفاده می شود.

4. توربین بخار نسبی (Reaction Steam Turbine)

در این نوع توربین، بخار به صورت پیوسته و بدون وقفه در مقابل تیغه های توربین، عمل می کند و انرژی حرارتی بخار به صورت پیوسته به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

عملکرد توربین بخار نسبی (Reaction Steam Turbine)، به دو مرحله اصلی تقسیم می شود:

1. مرحله اول (Nozzle stage)

در این مرحله، بخار آب از نازل هایی وارد می شود که شکل و ساختار خاصی دارند. نازل ها به طور معمول به صورت منحنی و دایره ای طراحی شده اند. با ورود بخار به نازل ها، فشار بخار کاهش می یابد و سرعت آن، زیاد می شود. این تغییر فشار و سرعت باعث انتقال انرژی به بخش تیغه های توربین می گردد.

2. مرحله دوم (Blade stage)

در این مرحله، تیغه های توربین، به صورت منحنی و متقارن طراحی شده اند و با ورود بخار به آن ها، تغییر فشار و سرعت بخار ادامه می یابد. بخار آب به صورت همزمان فشار و سرعت خود را تغییر می دهد و انرژی مکانیکی را تولید می کند. این تغییرات فشار و سرعت به علت نیروهای واکنشی بین بخار و تیغه ها، به تغییر فشار و سرعت نسبی، نامیده می شود.

توربین بخار نسبی، به دلیل عملکرد در تغییر فشار و سرعت نسبی، کارایی بالا و قابلیت تنظیم، استخراج نیرو نسبت به دیگر توربین های بخار، دارد و بیشتر در نیروگاه ها و صنایع بزرگ استفاده می شود.

توربین بخار را به چند نوع می توان تقسیم کرد؟

به طور کلی، توربین بخار را می توان به 8 مدل تقسیم کرد:

1. بر اساس نوع طبقات: توربین با طبقات عکس العملی، توربین با طبقات ضربه ای
2. تعداد مراحل انبساط: توربین چند مرحله ای یا تک عملی
3. بر اساس شارش بخار: توربین محوری، توربین شعاعی
4. تعداد شفت: توربین تک شفتی، توربین چند شفتی
5. روش کنترل: توربین با کنترل دریچه گاز، توربین با کنترل نازل
6. افت حرارت: توربین چگالشی، توربین با استخراج میانی
7. شرایط بخار: توربین کم فشار، توربین فشار متوسط، توربین فشار بالا
8. بر اساس کاربرد: توربین ثابت، توربین قابل تنظیم

در آخر

توربین بخار چیست و چه انواعی دارد؟ توربین بخار، یک دستگاه مکانیکی است که انرژی گرمایی بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. این توربین بسته به نوع ساخت و نحوه خنک کنندگی بخار، دارای 4 نوع عمودی، افقی، حلزونی و نسبی است. از توربین بخار بیشتر در نیروگاه های حرارتی، هسته ای، زغال سنگ، زباله سوزی و ژئوترمال استفاده می شود. شما می توانید برای تصفیه شیمیایی روغن ترانسفورماتور و توربین از خدمات نیرونماد برای تصفیه یا بازیافت روغن بهره مند شوید.