أنواع التوربينات: مبادئ العمل والتطبيقات

التوربينات آلات دوارة تُحوّل طاقة السوائل المتحركة إلى طاقة ميكانيكية، والتي غالبًا ما تُحوّل إلى كهرباء بواسطة المولدات. تشرح هذه المقالة الأنواع الرئيسية للتوربينات، وطرق تصنيفها، ومبادئ عملها، ومكوناتها، وخصائص أدائها، وتطبيقاتها الصناعية.

المفاهيم الأساسية للتوربينات

يتكون التوربين من دوار ذي شفرات أو دلاء تتفاعل مع سائل عامل كالبخار أو الغاز أو الماء أو الهواء. تُحوّل طاقة السائل الحركية و/أو طاقة الضغط إلى قوة عمود الدوران. يمكن للعمود أن يُشغّل مولدًا كهربائيًا، أو ضاغطًا، أو مضخة، أو مروحة سفينة، أو أي آلات أخرى.

مبدأ تحويل الطاقة الأساسي

يعتمد تشغيل أي توربين على مبدأ حفظ الطاقة والزخم. معادلة الطاقة المبسطة هي:

طاقة السائل الداخلة = طاقة عمود الإخراج + طاقة خروج السائل + الخسائر

تشمل الآليات الرئيسية ما يلي:

• تسارع أو تباطؤ السائل عبر الفوهات والممرات
• التغير في اتجاه تدفق السوائل عبر شفرات الدوار
• انخفاض الضغط عبر صفوف الشفرات الثابتة والمتحركة

مفهوم الدافع مقابل رد الفعل

يمكن تفسير معظم تكوينات التوربينات من حيث تأثيرات النبضة ورد الفعل:

• تأثير النبضة: يتم استخراج الطاقة بشكل أساسي من سرعة السائل (الطاقة الحركية) عندما يضرب شفرات الدوار بعد المرور عبر فوهة.
• تأثير التفاعل: يتم استخراج الطاقة من التغيرات المجمعة في الضغط والسرعة التي تحدث في الشفرات الثابتة والمتحركة.

تتميز نسبة الطاقة المحولة عن طريق تغيرات الضغط في الدوار بدرجة التفاعل، مما يؤثر على تصميم الشفرة وتحميل المرحلة والتكوين العام.

تصنيف التوربينات

يمكن تصنيف التوربينات باستخدام عدة معايير، كل منها يركز على جوانب مختلفة من التصميم والتشغيل.

التصنيف حسب سائل العمل

تعتمد إحدى طرق التصنيف الأكثر شيوعًا على سائل العمل:

• توربينات بخارية
• توربينات الغاز
• التوربينات الهيدروليكية (المائية)
• توربينات الرياح (الهواء كسائل عامل)
• توربينات ذات أغراض خاصة (على سبيل المثال، توربينات التبريد أو السوائل العضوية في أنظمة ORC)

التصنيف حسب وضع تحويل الطاقة

وفقا لوضع تحويل الطاقة داخل الدوار:

توربينات الاندفاع

في التوربينات النبضية يظل ضغط السائل ثابتًا بشكل أساسي عبر الدوار، ويحدث كل انخفاض الضغط تقريبًا في الفوهات الثابتة، مما ينتج عنه نفاثة عالية السرعة تصطدم بدلاء الدوار أو شفراته.

توربينات رد الفعل

في توربينات التفاعل، يتقاسم الريش الثابت والمتحرك انخفاض الضغط. تعمل ممرات الدوار كفوهات، مما يُسبب تسارعًا إضافيًا للسائل وانخفاضًا في الضغط داخل قنوات الريش المتحركة.

التصنيف حسب اتجاه التدفق

وفقا لاتجاه تدفق السائل بالنسبة لمحور الدوران:

• توربينات التدفق المحوري: تتدفق السوائل بشكل موازٍ للعمود (شائعة في توربينات البخار والغاز ورياح كبيرة).
• توربينات التدفق الشعاعي: يتدفق السائل في اتجاه شعاعي، إما إلى الداخل أو إلى الخارج (شائع في بعض التوربينات الهيدروليكية والتوربينية).
• التوربينات ذات التدفق المختلط: يتكون تدفق السوائل من مكونات محورية وقطرية (شائعة في بعض التوربينات الهيدروليكية والتوربينات الغازية المدمجة).

التصنيف حسب رأس الضغط أو نسبة الضغط

بالنسبة للتوربينات الهيدروليكية والغازية/البخارية، فإن رأس الضغط أو نسبة الضغط هي معلمة رئيسية:

يتم تصنيف التوربينات الهيدروليكية عادة على النحو التالي:

• توربينات ذات رأس مرتفع (فرق ارتفاع كبير، معدل تدفق أقل).
• توربينات متوسطة الرأس.
• توربينات منخفضة الارتفاع (فرق الارتفاع صغير، معدل تدفق مرتفع).

بالنسبة للتوربينات الغازية والبخارية، تؤثر نسبة الضغط الإجمالية عبر مراحل التوربين بقوة على تصميم واختيار عدد المراحل.

التوربينات البخارية

تُحوّل التوربينات البخارية الطاقة الحرارية للبخار عالي الضغط وعالي الحرارة إلى عمل ميكانيكي. وتُستخدم على نطاق واسع في محطات الوقود الأحفوري، والطاقة النووية، والكتلة الحيوية، والطاقة الحرارية الأرضية، ومحطات التوليد المشترك الصناعي.

مبدأ عمل التوربينات البخارية

يتم توسيع البخار المُولّد في الغلايات أو مولدات البخار عبر فوهات ثابتة وصفوف من الشفرات المتحركة. يتبع هذا التوسيع عمليات ترموديناميكية بين مدخل الضغط العالي ومخرج الضغط المنخفض (غالبًا إلى المكثف). تُقارب هذه العملية عادةً دورة رانكين. يُستخدم التدريج للتعامل بكفاءة مع انخفاضات الضغط الكبيرة والحد من تحميل الشفرات.

توربينات البخار النبضية وتوربينات رد الفعل

تجمع معظم التوربينات البخارية العملية بين مرحلتي النبض ورد الفعل، ولكن يتم وصف العديد منها وفقًا للمبدأ السائد:

تستخدم توربينات البخار الدافعة عادةً ما يلي:

• الفوهات الثابتة أو كتل الفوهات حيث يحدث معظم انخفاض الضغط.
• عجلات الدوار مجهزة بدلاء منحنية؛ حيث تنقل نفاثات البخار الزخم إلى الدوار.

تشتمل توربينات البخار التفاعلية عادةً على:

• صفوف متناوبة من الشفرات الثابتة والمتحركة على شكل جناح.
• انخفاض الضغط موزعًا على الصفوف الثابتة والمتحركة، مما يؤدي إلى توليد قوى رفع على الشفرات.

توربينات البخار المكثفة مقابل توربينات البخار ذات الضغط الخلفي

يمكن أيضًا تصنيف التوربينات البخارية وفقًا لظروف العادم:

• التوربينات المكثفة: يدخل بخار العادم إلى المكثف عند ضغط منخفض للغاية (ظروف الفراغ)، مما يعمل على تعظيم إنتاج الطاقة.
• توربينات الضغط الخلفي (غير المكثفة): يتم توصيل البخار العادم عند ضغط أعلى لتطبيقات التدفئة في المنشآت الصناعية أو شبكات التدفئة المركزية.

معلمات التشغيل النموذجية للتوربينات البخارية

المكونات الرئيسية للتوربينات البخارية

تشتمل مجموعات التوربينات البخارية عمومًا على ما يلي:

• غلاف ذو أقسام ذات ضغط عالي ومتوسط ​​ومنخفض.
• دوار ذو عجلات متعددة أو صفوف شفرات متكاملة.
• صفوف الشفرات الثابتة (الفوهات) المثبتة على الغلاف.
• أختام العمود والمحامل.
• نظام التحكم في التدفق (صمامات التحكم والفوهات).
• أنظمة التشحيم والتحكم بالزيت.

الاعتبارات النموذجية لاختيار التوربينات البخارية

تشمل الاعتبارات المهمة لاختيار نوع التوربين البخاري ما يلي:

• ضغط البخار ودرجة الحرارة المتوفرة من الغلاية أو العملية.
• قوة الإخراج والسرعة المطلوبة.
• الحاجة إلى منافذ استخراج أو قبول للبخار المعالج.
• تكوين التكثيف أو الضغط الخلفي حسب متطلبات استرداد الحرارة.

توربينات الغاز

التوربينات الغازية هي محركات احتراق داخلي تعمل وفق دورة برايتون. تسحب هذه التوربينات الهواء المحيط، وتضغطه، وتخلطه بالوقود، ثم تحرق الخليط، وتمدد الغاز عالي الحرارة عبر مراحل توربينية تُشغّل كلاً من الضاغط والحمل الخارجي.

توربينات الغاز ذات الدورة المفتوحة

في توربينات الغاز ذات الدورة المفتوحة، يمر سائل التشغيل (الهواء ونواتج الاحتراق) عبر المحرك مرة واحدة، ثم يُطرد إلى الغلاف الجوي. تُستخدم هذه الوحدات على نطاق واسع في توليد الطاقة، والتشغيل الميكانيكي (مثل الضواغط والمضخات)، ودفع الطائرات.

تشمل الميزات المميزة ما يلي:

• مراحل الضاغط المحوري أو الطارد المركزي.
• غرف الاحتراق (العلبة الحلقية أو الحلقية).
• مرحلة توربينية واحدة أو متعددة لتشغيل الضاغط وناتج الطاقة.
• ناشر العادم وفوهة المدخنة أو الدفع.

توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة والاحتراق غير المباشر

تُعيد توربينات الغاز ذات الدورة المغلقة تدوير سائل عامل، مثل الهيليوم أو النيتروجين أو الهواء، في حلقة مغلقة عبر مبادلات حرارية خارجية. وتُستخدم في تطبيقات صناعية أو تجريبية محددة تتطلب خصائص معينة لسائل العمل.

تستخدم التكوينات ذات الاحتراق غير المباشر مبادلًا حراريًا لنقل الحرارة من عملية احتراق خارجية إلى سائل العمل، مما يسمح بالفصل بين غازات الاحتراق وسائل عمل التوربين.

توربينات الغاز الصناعية مقابل توربينات الغاز المشتقة من الطائرات

يمكن تقسيم التوربينات الغازية إلى تصميمات صناعية ثقيلة ووحدات مشتقة من محركات الطائرات:

• توربينات الغاز الصناعية: قوية، وأثقل وزنًا في كثير من الأحيان، ومُحسّنة لفترات الخدمة الطويلة والتشغيل الثابت.
• توربينات الغاز المشتقة من الهواء: أخف وزنا، ونسبة الطاقة إلى الوزن أعلى، وبدء التشغيل أسرع، وغالبا ما تستخدم في ذروة الطاقة، والمنصات البحرية والوحدات المتنقلة.

معايير الأداء الرئيسية لتوربينات الغاز

تتضمن معلمات التشغيل المهمة ما يلي:

• نسبة ضغط الضاغط (عادةً ما تكون حوالي 8–30 للعديد من الوحدات الصناعية).
• درجة حرارة مدخل التوربين (غالبًا في نطاق 1000-1500 درجة مئوية اعتمادًا على التصميم والمواد).
• إنتاج الطاقة (من بضعة ميغاواط للوحدات الصغيرة إلى مئات ميغاواط للآلات الكبيرة الثقيلة).
• سرعات الدوران (غالبًا 3000 أو 3600 دورة في الدقيقة للمولدات المقترنة مباشرة؛ وأعلى بكثير بالنسبة للنوى المشتقة من المحركات الهوائية).

محطات الطاقة ذات الدورة المركبة

في العديد من محطات الطاقة، تُدمج توربينات الغاز مع توربينات البخار. يُمرَّر العادم الساخن من توربين الغاز عبر مولد بخاري لاستعادة الحرارة، مُنتجًا البخار الذي يُشغِّل توربينًا بخاريًا. يُحسِّن هذا النظام المُركَّب للدورة المُركَّبة استهلاك الطاقة الإجمالي، ويتيح استخدام أنواع متعددة من التوربينات في محطة واحدة.

التوربينات الهيدروليكية (المائية)

تُحوّل التوربينات الهيدروليكية الطاقة الكامنة والحركية للماء إلى طاقة ميكانيكية. وهي مكونات أساسية في محطات الطاقة الكهرومائية ومحطات تخزين المياه بالضخ.

تصنيف التوربينات الهيدروليكية

يتم تصنيف التوربينات الهيدروليكية عادةً حسب طريقة تحويل الطاقة ونطاق الرأس.

توربينات هيدروليكية دافعة:

• استخراج الطاقة بشكل حصري تقريبًا من سرعة نفث الماء.
• العمل عند الضغط الجوي حول العداء.
• استخدم الفوهات لتحويل الرأس إلى نفاثات عالية السرعة تضرب دلاء العداء.

توربينات هيدروليكية رد الفعل:

• قم بالعمل تحت الضغط بالكامل.
• تحويل الطاقة من خلال التغيرات في الضغط والسرعة داخل ممرات العداء.
• تتطلب غلافًا وأنبوب سحب في كثير من الأحيان لاستعادة الضغط.

الأنواع الرئيسية للتوربينات الهيدروليكية

توربينات بيلتون

بيلتون التوربينات هي آلات دفع يُستخدم في ظروف الضغط العالي والتدفق المنخفض نسبيًا. الخصائص الرئيسية:

• فوهة واحدة أو أكثر تقوم بتوجيه نفثات المياه عالية السرعة إلى دلاء ذات كوبين مثبتة على محيط العجلة.
• تنظيم السرعة عن طريق صمامات الإبرة و عاكسات النفاثة.
• يعمل العداء عادة عند الضغط الجوي، مما يبسط تصميم الغلاف.

توربينات فرانسيس

توربينات فرانسيس هي توربينات رد فعل شائعة الاستخدام، ومناسبة للرؤوس المتوسطة. تتميز بما يلي:

• غلاف حلزوني يوصل الماء بشكل محيطي ليدعم الريش ويوجه الريش.
• ريش التوجيه لتنظيم التدفق والتحكم في الاتجاه.
• عداء ذو ​​شفرات منحنية حيث يتحول التدفق من الشعاعي إلى المحوري (التدفق المختلط).
• أنبوب السحب لاستعادة الضغط والتفريغ إلى مجرى الذيل.

توربينات كابلان والمراوح

توربينات كابلان هي توربينات تفاعلية ذات تدفق محوري توربينات ذات شفرات قابلة للتعديل وغالبًا ما تكون الريش التوجيهية قابلة للتعديل، مما يسمح بالكفاءة العالية على مجموعة من التدفقات. توربينات المروحة متشابهة ولكنها عادة ما تحتوي على شفرات ثابتة، وهي مناسبة لظروف التشغيل الأكثر ثباتًا.

اعتبارات التوربينات الهيدروليكية

يتطلب اختيار وتصميم التوربينات الهيدروليكية الاهتمام بما يلي:

• معدل الرأس والتدفق المتاح على مدار العام.
• مخاطر التجويف، يتم تقييمها باستخدام معلمات مثل رأس الشفط الإيجابي الصافي ومعاملات التجويف.
• تنظيم السرعة ومتطلبات ربط الشبكة.
• الرواسب والحطام ونوعية المياه التي تؤثر على التآكل والصيانة.

توربينات الرياح

تستخرج توربينات الرياح الطاقة الحركية من الهواء المتحرك وتحولها إلى طاقة ميكانيكية وكهربائية. وتعتمد توربينات الرياح الحديثة بشكل أساسي على محور أفقي ذي أقطار دوارة كبيرة.

توربينات الرياح ذات المحور الأفقي مقابل توربينات الرياح ذات المحور الرأسي

ريح يمكن تصنيف التوربينات حسب الدوار اتجاه المحور:

• توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs): يكون محور الدوار أفقيًا، وعادةً ما يكون محاذيًا لاتجاه الرياح. تهيمن هذه التوربينات على منشآت طاقة الرياح على نطاق المرافق العامة.
• توربينات الرياح ذات المحور الرأسي (VAWTs): محور دوارها رأسي؛ ومن أمثلتها توربينات داريوس وسافونيوس. تُستخدم هذه التوربينات في تطبيقات متخصصة وأنظمة صغيرة الحجم.

التصميمات القائمة على الرفع مقابل التصميمات القائمة على السحب

معظم توربينات الرياح الحديثة آلاتٌ تعتمد على الرفع، وتستخدم أجنحة هوائية ديناميكية هوائية لتوليد عزم دوران فعال. أما الأجهزة القائمة على السحب، مثل دوارات مقياس سرعة الرياح الكأسية البسيطة، فتُوفر كفاءةً أقل، وتُستخدم أساسًا في التطبيقات الصغيرة.

المكونات الرئيسية لتوربينات الرياح الحديثة

تشتمل توربينات الرياح الكبيرة ذات المحور الأفقي النموذجية على ما يلي:

• دوار ذو شفرتين أو ثلاث شفرات متصلة بمحور.
• غرفة تحتوي على علبة التروس (إن وجدت)، والمولد، ونظام الانحراف ومعدات التحكم.
• برج يوفر الارتفاع للوصول إلى الرياح القوية.
• نظام الملعب لضبط زاوية الشفرة لتنظيم الطاقة والتحكم في الحمل.
• نظام الانحراف لتوجيه الدوار نحو الريح.

الخصائص التشغيلية

المعلمات التشغيلية الهامة هي:

• القدرة المقدرة للإخراج (من بضعة كيلووات للوحدات الصغيرة إلى عدة ميغاوات للآلات ذات النطاق الخدمي).
• سرعات الرياح المقدرة والمقدرة والمقطوعة، عادة ما تكون في النطاق من 3 إلى 4 م/ث (مقطوع) إلى حوالي 20 إلى 25 م/ث (مقطوع).
• سرعة الدوار، غالبًا ما تكون متغيرة ويتم التحكم فيها عن طريق إلكترونيات الطاقة وأنظمة الملعب.

الاعتبارات النموذجية لتوربينات الرياح

تشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

• خصائص موارد الرياح في الموقع (توزيع سرعة الرياح، الاضطرابات).
• متطلبات توصيل الشبكة وجودة الطاقة.
• الأحمال الهيكلية على الشفرات والأبراج والأساسات.
• الضوضاء والتأثير البصري وقيود استخدام الأراضي.

توربينات ذات أغراض خاصة وأنواع أخرى من التوربينات

بالإضافة إلى الفئات الأساسية، تُستخدم التوربينات المتخصصة في أنظمة صناعية وأنظمة طاقة معينة.

توربينات صغيرة

توربينات الغاز الصغيرة هي وحدات طاقة صغيرة، تتراوح قدرتها عادةً بين عشرات ومئات الكيلوواط. وتستخدم غالبًا:

• تكوينات عالية السرعة ذات عمود واحد أو عمودين.
• أجهزة الاسترداد لاستعادة الحرارة العادمة لتسخين الهواء المضغوط مسبقًا.
• الوقود الغازي أو السائل لتوليد الطاقة الموزعة والحرارة والطاقة المشتركة (CHP).

توربينات دورة رانكين العضوية (ORC)

تستخدم أنظمة ORC سوائل عمل عضوية ذات درجات غليان أقل من الماء. يمكن تشغيل التوربينات بهذه السوائل على النحو التالي:

• أنواع التدفق الشعاعي أو التدفق المحوري.
• مصممة لدرجات الحرارة المنخفضة إلى المتوسطة (غالبًا 80–300 درجة مئوية) مثل استعادة الحرارة المهدرة أو التطبيقات الحرارية الأرضية.

التوربينات في الشواحن التوربينية وآلات المعالجة

في الشواحن التوربينية للسيارات والصناعات، تُشغّل توربينات التدفق الشعاعي الضواغط باستخدام غازات العادم. تستخدم الصناعات التحويلية موسعات أو موسعات توربينية لاستعادة العمل الناتج عن انخفاض ضغط العمليات، كما هو الحال في مصانع معالجة الغاز.

توربينات البحرية والفضائية

تُشغّل توربينات الغاز البحرية مراوح السفن أو نفاثات المياه عبر علب تروس تخفيض السرعة. وفي تطبيقات الطيران، تُعدّ التوربينات جزءًا لا يتجزأ من محركات التوربينات النفاثة، والمروحية، والمروحية التوربينية، ومحركات العمود التوربيني، حيث تُشغّل ضواغط الهواء، وفي بعض الحالات مراوح أو دوارات المروحيات.

معلمات التصميم الرئيسية ومقاييس الأداء

على الرغم من أن كل نوع من التوربينات لديه ميزات تصميم محددة، يتم استخدام العديد من المعلمات المشتركة لتوصيف ومقارنة تصاميم التوربينات.

السرعة المحددة

السرعة النوعية هي مُعاملٌ بلا أبعاد أو مُقاس، يُستخدم لربط سرعة التوربين وقوته وضغطه. تُساعد هذه السرعة في تصنيف التوربينات وتُرشد الاختيار الأولي والقياس. عادةً ما تُناسب السرعة النوعية العالية التوربينات ذات التدفق المحوري، بينما تُناسب السرعة النوعية المنخفضة التوربينات الشعاعية أو النبضية.

معاملات تحميل المرحلة والتدفق

بالنسبة للتوربينات البخارية والغازية، فإن المعاملات عديمة الأبعاد تميز ديناميكا هوائية الشفرات وأداء المرحلة:

• معامل التدفق (نسبة السرعة الزوالية إلى سرعة الشفرة).
• معامل التحميل (نسبة العمل النوعي إلى مربع سرعة الشفرة).

تؤثر هذه المعلمات على شكل الشفرة وعدد المراحل وتخطيط البكرة العام.

تعريفات الكفاءة

تشمل تدابير الكفاءة الشائعة ما يلي:

• الكفاءة الأيزنتروبي: نسبة العمل الفعلي إلى العمل الأيزنتروبي المثالي لنفس حالات المدخل والمخرج.
• الكفاءة الميكانيكية: نسبة قوة العمود المرسلة إلى الحمل إلى القدرة التي يولدها دوار التوربين، مع مراعاة خسائر المحمل والختم.
• الكفاءة الشاملة: هي ناتج الكفاءة الديناميكية الهوائية والميكانيكية وكفاءة المولدات حيثما ينطبق ذلك.

المواد واعتبارات التبريد

بالنسبة للتوربينات عالية الحرارة (الغازية وبعض مراحل البخار)، تؤثر المواد والتبريد بشدة على ظروف التشغيل المسموح بها. قد تتضمن الشفرات والريش ممرات تبريد داخلية، وفتحات تبريد غشائية، وطلاءات عازلة للحرارة. أغلفة التوربينات والدوارات يتم تصميمها للحد من الضغوط تحت الأحمال الحرارية والطرد المركزي.

التطبيقات وتكامل النظام

تُدمج التوربينات في العديد من أنظمة الطاقة والصناعة. وفهم أدوارها في هذه الأنظمة ضروري لاختيارها وتشغيلها بشكل صحيح.

توليد الطاقة الكهربائية

تتضمن تطبيقات توليد الطاقة الرئيسية ما يلي:

• التوربينات البخارية في محطات الفحم والطاقة النووية والكتلة الحيوية والطاقة الشمسية الحرارية.
• توربينات الغاز ومحطات الدورة المركبة التي تستخدم الغاز الطبيعي أو أنواع الوقود الأخرى.
• التوربينات الهيدروليكية في محطات الطاقة الكهرومائية التي تعتمد على جريان المياه في الأنهار والخزانات والتخزين.
• توربينات الرياح في مزارع الرياح البرية والبحرية.

القيادة الميكانيكية والعمليات الصناعية

غالبًا ما تعمل التوربينات على تشغيل:

• الضواغط في خطوط أنابيب الغاز والعمليات البتروكيماوية.
• المضخات في محطات الضخ ومحطات الطاقة الكبيرة.
• أنظمة دفع السفن، وخاصة حيث تكون هناك حاجة إلى آلات دوارة مدمجة وعالية الطاقة.

توليد الحرارة والطاقة المشترك

في أنظمة توليد الطاقة والحرارة المشتركة، يمكن لتوربينات البخار والغاز توفير الكهرباء والحرارة المفيدة. توفر توربينات البخار ذات الضغط الخلفي بخار العمليات، بينما توفر توربينات الغاز حرارة العادم للتجفيف الصناعي، أو التدفئة المركزية، أو توليد بخار إضافي.

الأسئلة الشائعة حول أنواع التوربينات