توربين محوري

في مجال الآلات التوربينية ، التوربين المحوري هو توربين يكون فيه تدفق سائل التشغيل موازياً للمحور، على عكس التوربينات الشعاعية التي يدور فيها السائل حول محور، كما هو الحال في طاحونة المياه . يشبه التوربين المحوري في تركيبه الضاغط المحوري ، ولكنه يعمل بشكل عكسي، حيث يحول تدفق السائل إلى طاقة ميكانيكية دورانية .

تقوم مجموعة من ريش التوجيه الثابتة أو ريش الفوهة بتسريع السائل وإضافة دوامة إليه وتوجيهه إلى الصف التالي من شفرات التوربين المثبتة على دوار التوربين.

تُرمز الزوايا في النظام المطلق بالرمز ألفا ( α )، بينما تُرمز الزوايا في النظام النسبي بالرمز بيتا ( β ). يوضح الشكل المركبتين المحورية والمماسية للسرعات المطلقة والنسبية. كما يوضح قيم الضغط والمحتوى الحراري الساكنة والساكنة في النظامين المطلق والنسبي.

يُفترض عادةً أن مركبة السرعة المحورية تظل ثابتة طوال المرحلة. ومن هذا الشرط نحصل على: $${\displaystyle c_{x}=c_{1}\cos \alpha _{1}=c_{2}\cos \alpha _{2}=w_{2}\cos \beta _{2}=c_{3}\cos \alpha _{3}=w_{3}\cos \beta _{3}}$$ كذلك، بالنسبة للسرعة المحورية الثابتة، ينتج عن ذلك علاقة مفيدة: $${\displaystyle \tan \alpha _{2}+\tan \alpha _{3}=\tan \beta _{2}+\tan \beta _{3}}$$

يوضح الشكل توربينًا نبضيًا أحادي المرحلة

لا يوجد تغيير في الضغط الساكن عبر دوّار آلة الدفع. كما يوضح الشكل تغير الضغط وسرعة السائل عبر المرحلة.

تزداد السرعة المطلقة للسائل تبعًا لانخفاض الضغط عبر صف شفرات الفوهة، حيث يحدث التحول الوحيد للطاقة. ويحدث انتقال الطاقة فقط عبر صف شفرات الدوار. لذلك، تنخفض السرعة المطلقة للسائل عبر هذا الصف كما هو موضح في الشكل. في حالة انعدام أي انخفاض في الضغط عبر شفرات الدوار، تكون السرعات النسبية عند مدخلها ومخرجها متساوية في حالة التدفق عديم الاحتكاك. ولتحقيق هذه الحالة، يجب أن تكون زوايا شفرات الدوار متساوية. وبالتالي، يُعطى عامل الاستخدام بالعلاقة التالية:

${\displaystyle E=U{\frac {(c_{y2}+c_{y3})}{{\frac {1}{2}}c_{2}}}}$

عندما يكون انخفاض الضغط المتاح كبيرًا، لا يمكن استخدامه بالكامل في مرحلة واحدة من التوربين. فالتوربين أحادي المرحلة الذي يستخدم انخفاضًا كبيرًا في الضغط سيؤدي إلى سرعة محيطية عالية جدًا لدواره، مما يستلزم إما قطرًا أكبر أو سرعة دوران عالية للغاية. لذلك، تستخدم الآلات ذات انخفاضات الضغط الكبيرة أكثر من مرحلة واحدة.

إحدى طرق استخدام التمدد متعدد المراحل في التوربينات النبضية هي توليد سرعة عالية للسائل عن طريق تمدده عبر انخفاض كبير في الضغط في صف شفرات الفوهة. ثم ينقل هذا السائل عالي السرعة طاقته على عدة مراحل باستخدام صفوف متعددة من شفرات الدوار تفصل بينها صفوف من شفرات التوجيه الثابتة. يوضح الشكل توربينًا نبضيًا مركب السرعة.

يعود انخفاض السرعة المطلقة للسائل عبر صفّي شفرات الدوّار (R1 _و R2 ₎ إلى انتقال الطاقة؛ أما الانخفاض الطفيف في سرعة السائل عبر شفرات التوجيه الثابتة (F) فيعود إلى الفقد. ولأن التوربين من النوع النبضي، يبقى ضغط السائل ثابتًا بعد تمدده في صف شفرات الفوهة. تُسمى كل مرحلة بمرحلة سرعة أو مرحلة كورتيس، حيث تُحسب كل دورة توربين (فوهة - شفرة متحركة - شفرة ثابتة - شفرة متحركة) كمرحلة واحدة.

توجد مشكلتان رئيسيتان في المراحل المركبة السرعة:

• يجب أن تكون الفوهات من النوع المتقارب المتباعد لتوليد سرعة بخار عالية (فوق صوتية). وينتج عن ذلك تصميم أكثر تكلفة وتعقيداً لصفوف شفرات الفوهات.
• تؤدي السرعة العالية عند مخرج الفوهة إلى زيادة خسائر التدفق المتتالي. وتتولد موجات صدمية إذا كان التدفق فوق صوتي، مما يزيد من الخسائر.

لتجنب هذه المشاكل، تُستخدم طريقة أخرى للاستفادة من النسبة، حيث يُقسّم إجمالي انخفاض الضغط إلى عدد من مراحل الدفع. تُعرف هذه المراحل بمراحل الضغط المركب أو مراحل راتو. ونظرًا لانخفاض انخفاض الضغط نسبيًا، تكون صفوف شفرات الفوهة دون سرعة الصوت (M < 1). لذلك، لا تعاني هذه المرحلة من عيوب مراحل السرعة.

يوضح الشكل تغير ضغط وسرعة البخار عبر مرحلتي الضغط في توربين دافع. تستقبل شفرات الفوهة في كل مرحلة التدفق في الاتجاه المحوري.

يستخدم بعض المصممين مراحل الضغط حتى المرحلة الأخيرة. ينتج عن ذلك توربين أقصر مقارنةً بالتوربينات التفاعلية، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة.

يوضح الشكل مرحلتي تفاعل وتغير ضغط وسرعة الغاز فيهما. ينخفض ​​ضغط الغاز باستمرار على طول صفوف الشفرات الثابتة والمتحركة. ولأن انخفاض الضغط في كل مرحلة أقل مقارنةً بمراحل الدفع، فإن سرعات الغاز تكون منخفضة نسبيًا. إضافةً إلى ذلك، يتسارع التدفق باستمرار. تجعل هذه العوامل مراحل التفاعل أكثر كفاءةً من الناحية الديناميكية الهوائية، على الرغم من زيادة فقدان التسرب عند أطراف الشفرات نتيجةً لفرق الضغط الأعلى نسبيًا عبر شفرات الدوار.

تستخدم التوربينات التفاعلية متعددة المراحل انخفاضًا كبيرًا في الضغط عن طريق تقسيمه إلى قيم أصغر في كل مرحلة على حدة. وبالتالي، فإن مراحل التفاعل تشبه مراحل الضغط المركب مع إضافة عنصر جديد هو "التفاعل"، أي تسريع التدفق عبر صفوف شفرات الدوار أيضًا.

نسبة سرعة الشفرة إلى سرعة الغاز (نسبة السرعة) σ = u/c² _. يمكن أيضًا رسم كفاءات مراحل التوربين مقابل هذه النسبة. يوضح الشكل هذه الرسومات البيانية لبعض مراحل الدفع ورد الفعل.

غالبًا ما يُعرض أداء التوربينات البخارية بهذا الشكل. تُظهر المنحنيات في الشكل أيضًا القيم المثلى لنسبة السرعة ونطاق التشغيل خارج التصميم لأنواع مختلفة من المراحل. تُظهر مرحلة رد الفعل بنسبة 50% نطاقًا أوسع. ومن الجوانب المهمة الأخرى الموضحة هنا أنه في التطبيقات التي لا يمكن فيها تجنب سرعات الغاز العالية (بسبب ارتفاع نسبة الضغط)، يُنصح باستخدام مراحل الدفع لتحقيق قيم عملية ومناسبة لحجم وسرعة الآلة. في بعض الأحيان، يكون من الأنسب استخدام نسبة السرعة المتساوية الإنتروبيا. وهي نسبة سرعة الشفرة إلى سرعة الغاز المتساوية الإنتروبيا التي يمكن الحصول عليها في تمدده المتساوي الإنتروبيا من خلال نسبة ضغط المرحلة.

تحدث الخسائر في التوربينات الفعلية نتيجة احتكاك القرص والمحمل. يوضح الشكل مخطط تدفق الطاقة لمرحلة الدفع في التوربين المحوري. تشير الأرقام بين قوسين إلى رتبة الطاقة أو الخسارة المقابلة لـ 100 وحدة من الشغل المتساوي الإنتروبيا (h₀₁ _– h₀₃ss ₎ .

يُلاحظ أن الطاقة التي تصل إلى العمود بعد حساب خسائر سلسلة المراحل (خسائر الديناميكا الهوائية للفوهة وشفرة الدوار) وخسائر المغادرة تبلغ حوالي 85٪ من القيمة المثالية؛ خسائر العمود هي نسبة ضئيلة من هذه القيمة.

• ضاغط محوري
• ضاغط طرد مركزي

• يحيى، إس إم (2010). التوربينات والضواغط والمراوح، الطبعة الرابعة . دار نشر تاتا ماكجرو هيل للتعليم. رقم ISBN 9780070707023.
• فينكانّا، بي كي (2009). أساسيات الآلات التوربينية . برنتيس هول الهند. ISBN 9788120337756.
• أونكار، سينغ. الديناميكا الحرارية التطبيقية . نيو إيج إنترناشونال (بي) المحدودة، نيودلهي - 2009.