توربين

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "توربين" - أخبار  · صحف  · كتب  · باحث  · JSTOR ( مارس 2024 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

التوربين ( / ˈtɜːrbaɪn / أو / ˈ tɜːrbɪn / ) (من الكلمة اليونانية τύρβη ، tyrbē ، أو كلمة توربو اللاتينية ، والتي تعني الدوامة ) ^[1] [ ^2] هو جهاز ميكانيكي دوار يستخرج الطاقة من تدفق السوائل ويحولها إلى عمل مفيد . يمكن استخدام العمل الناتج لتوليد الطاقة الكهربائية عند دمجه مع مولد . ^[3] التوربين هو آلة توربينية بها جزء متحرك واحد على الأقل يسمى مجموعة الدوار، وهو عمود أو أسطوانة بها شفرات متصلة. يعمل السائل المتحرك على الشفرات بحيث تتحرك وتنقل طاقة دورانية إلى الدوار.

تحتوي توربينات الغاز والبخار والماء على غلاف حول الشفرات يحتوي على السائل العامل ويتحكم فيه .

تم صياغة كلمة "توربين" في عام 1822 بواسطة مهندس التعدين الفرنسي كلود بوردين من الكلمة اليونانية τύρβη ، tyrbē ، والتي تعني " دوامة " أو "دوران". قام بينوا فورنيرون ، أحد طلاب كلود بوردين السابقين، ببناء أول توربين مائي عملي. يعود الفضل في اختراع التوربين البخاري إلى كل من المهندس الإنجليزي الأيرلندي السير تشارلز بارسونز (1854-1931) لاختراعه توربين رد الفعل، والمهندس السويدي جوستاف دي لافال (1845-1913) لاختراعه توربين النبض. تستخدم التوربينات البخارية الحديثة في كثير من الأحيان كل من رد الفعل والنبض في نفس الوحدة، وعادة ما تختلف درجة رد الفعل والنبض من جذر الشفرة إلى محيطها.

أثبت هيرو الإسكندري مبدأ التوربينات في أوليبيلي في القرن الأول الميلادي، وذكرها فيتروفيوس حوالي عام 70 قبل الميلاد.

ومن الأمثلة المبكرة على التوربينات طواحين الهواء وعجلات المياه .

تم صياغة كلمة "توربين" في عام 1822 من قبل مهندس التعدين الفرنسي كلود بوردين من الكلمة اليونانية τύρβη ، tyrbē ، والتي تعني " دوامة " أو "دوامة"، في مذكرة، "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse"، والتي قدمها إلى الأكاديمية الملكية للعلوم في باريس. ^[4] ومع ذلك، لم يكن حتى عام 1824 أن قدمت لجنة من الأكاديمية (مكونة من بروني ودوبين وجيرارد) تقريرًا إيجابيًا عن مذكرة بوردين. ^{[5] قام} بينوا فورنيرون ، وهو طالب سابق لكلود بوردين، ببناء أول توربين مائي عملي.

يعود الفضل في اختراع التوربين البخاري إلى المهندس الإنجليزي الأيرلندي السير تشارلز بارسونز (1854-1931) لاختراعه توربين رد الفعل، والمهندس السويدي جوستاف دي لافال (1845-1913) لاختراعه توربين النبضة.

يحتوي السائل العامل على طاقة كامنة ( رأس الضغط ) وطاقة حركية (رأس السرعة). قد يكون السائل قابلاً للضغط أو غير قابل للضغط . تستخدم التوربينات العديد من المبادئ الفيزيائية لجمع هذه الطاقة:

تغير التوربينات النبضية اتجاه تدفق سائل أو غاز عالي السرعة. تعمل النبضة الناتجة على تدوير التوربين وتترك تدفق السائل بطاقة حركية منخفضة. لا يوجد تغيير في ضغط السائل أو الغاز في شفرات التوربين (الشفرات المتحركة)، كما هو الحال في التوربين البخاري أو الغازي، حيث يحدث كل انخفاض الضغط في الشفرات الثابتة (الفوهات). قبل الوصول إلى التوربين، يتغير رأس ضغط السائل إلى رأس السرعة عن طريق تسريع السائل باستخدام فوهة . تستخدم توربينات بيلتون وعجلات دي لافال هذه العملية حصريًا. لا تتطلب التوربينات النبضية غطاء ضغط حول الدوار لأن نفاثة السائل يتم إنشاؤها بواسطة الفوهة قبل الوصول إلى الشفرات الموجودة على الدوار. يصف قانون نيوتن الثاني نقل الطاقة للتوربينات النبضية. تكون التوربينات النبضية أكثر كفاءة للاستخدام في الحالات التي يكون فيها التدفق منخفضًا وضغط المدخل مرتفعًا. ^[3]

تتطور توربينات التفاعل من خلال التفاعل مع ضغط أو كتلة الغاز أو السائل. يتغير ضغط الغاز أو السائل أثناء مروره عبر شفرات دوار التوربين. ^[3] هناك حاجة إلى غلاف ضغط لاحتواء السائل العامل أثناء عمله على مرحلة (مراحل) التوربين أو يجب غمر التوربين بالكامل في تدفق السائل (كما هو الحال مع توربينات الرياح). يحتوي الغلاف على السائل العامل ويوجهه، وبالنسبة لتوربينات المياه، يحافظ على الشفط الذي يوفره أنبوب السحب . تستخدم توربينات فرانسيس ومعظم توربينات البخار هذا المفهوم. بالنسبة لسوائل العمل القابلة للضغط، تُستخدم عادةً مراحل توربينية متعددة لتسخير الغاز المتمدد بكفاءة. يصف قانون نيوتن الثالث نقل الطاقة لتوربينات التفاعل. تكون توربينات التفاعل أكثر ملاءمة لسرعات التدفق الأعلى أو التطبيقات حيث يكون رأس السائل (الضغط العلوي) منخفضًا. ^[3]

في حالة التوربينات البخارية، مثل تلك المستخدمة في التطبيقات البحرية أو لتوليد الكهرباء على الأرض، فإن توربينات التفاعل من نوع بارسونز تتطلب ضعف عدد صفوف الشفرات تقريبًا مثل توربينات الدفع من نوع دي لافال، لنفس درجة تحويل الطاقة الحرارية. وفي حين أن هذا يجعل توربين بارسونز أطول وأثقل وزنًا، فإن الكفاءة الإجمالية لتوربينات التفاعل أعلى قليلاً من توربينات الدفع المكافئة لنفس تحويل الطاقة الحرارية.

في الممارسة العملية، تستخدم تصاميم التوربينات الحديثة كل من مفهومي رد الفعل والاندفاع بدرجات متفاوتة كلما أمكن ذلك. تستخدم توربينات الرياح جناحًا لتوليد رفع رد الفعل من السائل المتحرك ونقله إلى الدوار. تكتسب توربينات الرياح أيضًا بعض الطاقة من نبضة الرياح، عن طريق انحرافها بزاوية. قد تستخدم التوربينات ذات المراحل المتعددة إما ريشة رد الفعل أو النبض عند ضغط مرتفع. كانت توربينات البخار تقليديًا أكثر نبضًا ولكنها تستمر في التحرك نحو تصميمات رد الفعل مماثلة لتلك المستخدمة في توربينات الغاز. عند الضغط المنخفض يتمدد وسط السائل العامل في الحجم لتقليل الضغط قليلاً. في ظل هذه الظروف، تصبح الريشة تصميمًا من نوع رد الفعل تمامًا مع قاعدة الشفرة نبضية فقط. يرجع السبب إلى تأثير سرعة الدوران لكل شفرة. مع زيادة الحجم، يزداد ارتفاع الشفرة، وتدور قاعدة الشفرة بسرعة أبطأ بالنسبة للطرف. يجبر هذا التغيير في السرعة المصمم على التغيير من النبض عند القاعدة، إلى طرف بأسلوب رد الفعل العالي.

تم تطوير طرق تصميم التوربينات الكلاسيكية في منتصف القرن التاسع عشر. ربط تحليل المتجهات تدفق السوائل بشكل التوربين ودورانه. تم استخدام طرق الحساب الرسومية في البداية. تم توثيق صيغ الأبعاد الأساسية لأجزاء التوربين جيدًا ويمكن تصميم آلة عالية الكفاءة بشكل موثوق لأي حالة تدفق للسوائل . بعض الحسابات هي صيغ تجريبية أو "قاعدة عامة"، والبعض الآخر يعتمد على الميكانيكا الكلاسيكية . كما هو الحال مع معظم الحسابات الهندسية، تم إجراء افتراضات مبسطة.

يمكن استخدام مثلثات السرعة لحساب الأداء الأساسي لمرحلة التوربين. يخرج الغاز من ريش توجيه فوهة التوربين الثابتة بسرعة مطلقة V _a1 . يدور الدوار بسرعة U. بالنسبة للدوار، تكون سرعة الغاز عند اصطدامه بمدخل الدوار هي V _r1 . يدور الغاز بواسطة الدوار ويخرج، بالنسبة للدوار، بسرعة V _r2 . ومع ذلك، من حيث القيمة المطلقة، تكون سرعة خروج الدوار هي V _a2 . يتم إنشاء مثلثات السرعة باستخدام متجهات السرعة المختلفة هذه. يمكن إنشاء مثلثات السرعة عند أي قسم من خلال الشفرات (على سبيل المثال: المحور، الطرف، القسم الأوسط وما إلى ذلك) ولكنها تظهر عادةً عند نصف قطر المرحلة المتوسط. يمكن حساب متوسط ​​الأداء للمرحلة من مثلثات السرعة، عند نصف القطر هذا، باستخدام معادلة أويلر :

${\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}$

لذلك:

${\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}$

أين:

${\displaystyle \دلتا h}$هو انخفاض المحتوى الحراري النوعي عبر المرحلة

${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة الكلية لدخول التوربين (أو الركود)

${\displaystyle u}$هي السرعة الطرفية لدوار التوربين

${\displaystyle \Delta v_{w}}$هو التغير في سرعة الدوران

نسبة ضغط التوربين هي دالة على كفاءة التوربين. ${\displaystyle {\frac {\دلتا h}{T}}}$

إن التصميم الحديث للتوربينات يحمل الحسابات إلى أبعد من ذلك. حيث تستغني ديناميكيات السوائل الحسابية عن العديد من الافتراضات التبسيطية المستخدمة لاستنباط الصيغ الكلاسيكية، كما تسهل برامج الكمبيوتر عملية التحسين. وقد أدت هذه الأدوات إلى تحسينات مطردة في تصميم التوربينات على مدى السنوات الأربعين الماضية.

التصنيف العددي الأساسي للتوربينات هو سرعتها النوعية . يصف هذا الرقم سرعة التوربين عند أقصى كفاءته فيما يتعلق بالقدرة ومعدل التدفق. يتم استنتاج السرعة النوعية لتكون مستقلة عن حجم التوربين. بالنظر إلى ظروف تدفق السوائل وسرعة خرج العمود المطلوبة، يمكن حساب السرعة النوعية واختيار تصميم توربيني مناسب.

يمكن استخدام السرعة المحددة، إلى جانب بعض الصيغ الأساسية، لقياس تصميم موجود بشكل موثوق للأداء المعروف إلى حجم جديد مع الأداء المقابل.

يتم عرض الأداء خارج التصميم عادةً على شكل خريطة توربينية أو خاصية.

غالبًا ما يكون عدد الشفرات في الدوار وعدد الريش في الجزء الثابت عددين أوليين مختلفين من أجل تقليل التوافقيات وتعظيم تردد مرور الشفرات. ^[6]

• تُستخدم التوربينات البخارية لتشغيل المولدات الكهربائية في محطات الطاقة الحرارية التي تستخدم الفحم أو زيت الوقود أو الوقود النووي . كانت تُستخدم ذات يوم لتشغيل الأجهزة الميكانيكية مباشرة مثل مراوح السفن (على سبيل المثال Turbinia ، أول إطلاق بخاري يعمل بالتوربينات ^[7] )، ولكن معظم هذه التطبيقات تستخدم الآن تروس التخفيض أو خطوة كهربائية وسيطة، حيث يتم استخدام التوربين لتوليد الكهرباء، والتي تعمل بعد ذلك على تشغيل محرك كهربائي متصل بالحمل الميكانيكي. كانت آلات السفن الكهربائية التوربينية شائعة بشكل خاص في الفترة التي سبقت الحرب العالمية الثانية وأثناءها مباشرة ، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى نقص مرافق قطع التروس الكافية في أحواض بناء السفن في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة.
• يشار أحيانًا إلى محركات التوربينات الغازية للطائرات باسم المحركات التوربينية للتمييز بين محركات المكبس. ^[8]
• التوربينات فوق الصوتية . يظل تدفق الغاز في أغلب التوربينات المستخدمة في محركات التوربينات الغازية دون سرعة الصوت طوال عملية التمدد. وفي التوربينات فوق الصوتية يصبح تدفق الغاز أسرع من الصوت عندما يخرج من ريش توجيه الفوهة، على الرغم من أن السرعات المنخفضة تصبح عادة دون سرعة الصوت. تعمل التوربينات فوق الصوتية بنسبة ضغط أعلى من المعدل الطبيعي ولكنها عادة ما تكون أقل كفاءة ونادرة.
• التوربينات ذات الدوران المعاكس . مع التوربينات المحورية ، يمكن الحصول على بعض مزايا الكفاءة إذا دارت توربينة أسفل التيار في الاتجاه المعاكس لوحدة أعلى التيار. ومع ذلك، يمكن أن تكون المضاعفات غير منتجة. تم اختراع التوربين البخاري ذو الدوران المعاكس، والمعروف عادةً باسم توربين ليونجستروم، في الأصل بواسطة المهندس السويدي فريدريك ليونجستروم (1875-1964) في ستوكهولم، وبالشراكة مع شقيقه بيرجر ليونجستروم حصل على براءة اختراع في عام 1894. التصميم هو في الأساس توربين شعاعي متعدد المراحل (أو زوج من دوارات التوربين "المتداخلة") يوفر كفاءة كبيرة، وانخفاض حرارة أكبر بأربع مرات لكل مرحلة كما هو الحال في توربين التفاعل (بارسونز)، وتصميم مضغوط للغاية والنوع لاقى نجاحًا خاصًا في محطات الطاقة ذات الضغط الخلفي. ومع ذلك، وعلى عكس التصميمات الأخرى، يتم التعامل مع أحجام البخار الكبيرة بصعوبة ولا يسمح سوى الجمع مع توربينات التدفق المحوري (DUREX) ببناء التوربين لقوة أكبر من حوالي 50 ميجاوات. في التطبيقات البحرية، تم طلب حوالي 50 وحدة توربينية كهربائية فقط (تم بيع عدد كبير منها في النهاية إلى محطات أرضية) خلال الفترة 1917-1919، وخلال الفترة 1920-1922 تم بيع عدد قليل من الوحدات التوربينية الميكانيكية غير الناجحة للغاية. ^[9] كان عدد قليل فقط من محطات التوربينات الكهربائية البحرية لا تزال قيد الاستخدام في أواخر الستينيات (ss Ragne، ss Regin) بينما ظلت معظم محطات الأرض قيد الاستخدام عام 2010.
• التوربينات الخالية من الجزء الثابت . تحتوي التوربينات متعددة المراحل على مجموعة من ريش التوجيه الساكنة (أي الثابتة) التي توجه تدفق الغاز إلى شفرات الدوار الدوارة. في التوربينات الخالية من الجزء الثابت، يصطدم تدفق الغاز الخارج من الدوار العلوي بالدوار السفلي دون مواجهة مجموعة وسيطة من ريش الجزء الثابت (التي تعيد ترتيب مستويات طاقة الضغط/السرعة للتدفق).
• التوربينات الخزفية . تصنع شفرات التوربينات التقليدية ذات الضغط العالي (والريش) من سبائك النيكل، وغالبًا ما تستخدم ممرات تبريد هواء داخلية معقدة لمنع المعدن من ارتفاع درجة حرارته. وفي السنوات الأخيرة، تم تصنيع واختبار شفرات سيراميكية تجريبية في توربينات الغاز، بهدف زيادة درجات حرارة مدخل الدوار و/أو ربما القضاء على تبريد الهواء. الشفرات الخزفية أكثر هشاشة من نظيراتها المعدنية، وتحمل مخاطر أكبر لفشل الشفرات الكارثي. وقد أدى هذا إلى الحد من استخدامها في المحركات النفاثة والتوربينات الغازية إلى الشفرات الثابتة.
• توربينات المروحة ذات القنوات (المغطاة). تحتوي العديد من شفرات دوارات التوربينات على غطاء في الأعلى، والذي يتشابك مع غطاء الشفرات المجاورة، لزيادة التخميد وبالتالي تقليل خفقان الشفرات. في توربينات البخار الكبيرة لتوليد الكهرباء على الأرض، غالبًا ما يتم استكمال الغطاء، وخاصة في الشفرات الطويلة لتوربين الضغط المنخفض، بأسلاك ربط. تمر هذه الأسلاك عبر ثقوب محفورة في الشفرات على مسافات مناسبة من جذر الشفرة وعادة ما يتم لحامها بالشفرات عند النقطة التي تمر بها. تقلل أسلاك الربط من خفقان الشفرات في الجزء المركزي من الشفرات. يقلل إدخال أسلاك الربط بشكل كبير من حالات فشل الشفرات في التوربينات الكبيرة أو منخفضة الضغط.
• المروحة الدافعة (التوربينات بدون غطاء). الممارسة الحديثة هي، كلما أمكن ذلك، التخلص من غطاء الدوار، وبالتالي تقليل الحمل الطردي المركزي على الشفرة ومتطلبات التبريد.
• تستخدم توربينات تيسلا أو التوربينات الخالية من الشفرات تأثير الطبقة الحدودية وليس السائل الذي يصطدم بالشفرات كما هو الحال في التوربينات التقليدية.
• توربينات المياه :
  • عجلة بيلتون ، نوع من توربينات المياه النبضية.
  • توربين فرانسيس ، نوع من توربينات المياه المستخدمة على نطاق واسع.
  • توربين كابلان ، وهو أحد أشكال توربين فرانسيس.
  • توربين تورغو ، وهو شكل معدّل من عجلة بيلتون.
  • توربين تايسون ، وهو توربين مائي مخروطي الشكل ذو شفرات حلزونية تخرج من منتصف القمة وتزداد تدريجيًا في البعد الشعاعي وتنخفض في الميل أثناء دورانها نحو قاعدة المخروط.
  • توربين التدفق المتقاطع ، والمعروف أيضًا باسم توربين بانكي ميشيل، أو توربين أوسبرجر.
• توربينات الرياح . تعمل هذه التوربينات عادةً كمرحلة واحدة بدون فوهة وريش توجيه بين المراحل. والاستثناء هو توربينات Éolienne Bollée ، التي تحتوي على جزء ثابت وجزء دوار.
• مركب السرعة "كيرتس". قام كيرتس بدمج توربين دي لافال وبارسونز باستخدام مجموعة من الفوهات الثابتة في المرحلة الأولى أو الجزء الثابت ثم صف من صفوف الشفرات الثابتة والدوارة، كما هو الحال في بارسونز أو دي لافال، وعادة ما يصل إلى عشر مراحل مقارنة بما يصل إلى مائة مرحلة في تصميم بارسونز. إن الكفاءة الإجمالية لتصميم كيرتس أقل من كفاءة تصميمي بارسونز أو دي لافال، ولكن يمكن تشغيله بشكل مرضٍ من خلال نطاق أوسع بكثير من السرعات، بما في ذلك التشغيل الناجح بسرعات منخفضة وضغوط أقل، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في محطات توليد الطاقة في السفن. في ترتيب كيرتس، يحدث الانخفاض الكامل للحرارة في البخار في صف الفوهة الأولي وكل من صفوف الشفرات المتحركة اللاحقة وصفوف الشفرات الثابتة تغير اتجاه البخار فحسب. يُطلق على استخدام جزء صغير من ترتيبات كيرتس، عادةً قسم فوهة واحد وصفين أو ثلاثة صفوف من الشفرات المتحركة، مصطلح "عجلة" كيرتس، وبهذا الشكل، وجدت كيرتس استخدامًا واسع النطاق في البحر كـ "منصة تحكم" في العديد من توربينات رد الفعل والاندفاع ومجموعات التوربينات. لا تزال هذه الممارسة شائعة اليوم في محطات البخار البحرية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}
• مركبات الضغط متعددة المراحل، أو "Rateau"، نسبة إلى مخترعها الفرنسي أوغست راتو . تستخدم راتو دوارات نبضية بسيطة مفصولة بغشاء فوهة. الحجاب الحاجز هو في الأساس جدار فاصل في التوربين مع سلسلة من الأنفاق المحفورة فيه، على شكل قمع مع نهاية عريضة تواجه المرحلة السابقة والضيقة التالية، وهي أيضًا بزاوية لتوجيه نفثات البخار إلى دوار النبض.
• استخدمت توربينات بخار الزئبق الزئبق كسائل عامل لتحسين كفاءة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري. وعلى الرغم من بناء عدد قليل من محطات الطاقة باستخدام بخار الزئبق والتوربينات البخارية التقليدية، إلا أن سمية معدن الزئبق سرعان ما أصبحت واضحة.
• التوربين اللولبي هو توربين مائي يستخدم مبدأ توربين أرخميدس اللولبي لتحويل الطاقة الكامنة للمياه على مستوى المنبع إلى طاقة حركية .

يعتمد هذا القسم بشكل كبير أو كليًا على مصدر واحد . يمكن العثور على المناقشة ذات الصلة على صفحة المناقشة . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة من خلال تقديم الاستشهادات بالمصادر الإضافية . ابحث عن المصادر:  "توربين" - أخبار  · صحف  · كتب  · باحث  · جيستور ( مايو 2018 )

يتم توليد نسبة كبيرة من الطاقة الكهربائية في العالم بواسطة مولدات توربينية .

تُستخدم التوربينات في محركات التوربينات الغازية على الأرض والبحر والجوي.

يتم استخدام الشواحن التوربينية في محركات المكبس.

تتمتع التوربينات الغازية بكثافة طاقة عالية جدًا (أي نسبة الطاقة إلى الكتلة، أو الطاقة إلى الحجم) لأنها تعمل بسرعات عالية جدًا. استخدمت المحركات الرئيسية للمكوك الفضائي مضخات توربينية (آلات تتكون من مضخة تعمل بمحرك توربيني) لتغذية الوقود (الأكسجين السائل والهيدروجين السائل) في غرفة احتراق المحرك. مضخة الهيدروجين السائل التوربينية أكبر قليلاً من محرك السيارة (يزن حوالي 700 رطل) حيث ينتج التوربين ما يقرب من 70000 حصان (52.2 ميجاوات ).

يتم استخدام المتوسعات التوربينية للتبريد في العمليات الصناعية.

• آلة الموازنة
• نظريات هلمهولتز
• ديناميكا الدوارة
• عجلة سيجنر
• توربوفان
• توربيني
• عمود توربيني
• نظام نقل الحركة التوربيني الكهربائي

• ليتون، إدوين ت. "من القاعدة إلى الهندسة العلمية: جيمس ب. فرانسيس واختراع توربين فرانسيس"، سلسلة دراسات الجمعية الوطنية للمكتبات. ستوني بروك، نيويورك: مؤسسة أبحاث جامعة ولاية نيويورك، 1992.

• توربينات