توربين بخاري

تتكون شفرات التوربينات من نوعين أساسيين: الشفرات والفوهات . تتحرك الشفرات كليًا بفعل اصطدام البخار بها، ولا تتقارب أضلاعها. ينتج عن ذلك انخفاض في سرعة البخار، وانعدام شبه تام لانخفاض الضغط أثناء مرور البخار عبر الشفرات. يُطلق على التوربين المكون من شفرات تتناوب مع فوهات ثابتة اسم توربين الدفع .توربين كورتيس ، أو توربين راتو ، أو توربين براون-كورتيس . تبدو الفوهات مشابهة للشفرات، لكن أشكالها تتقارب قرب المخرج. ينتج عن ذلك انخفاض في ضغط البخار وزيادة في سرعته أثناء مروره عبر الفوهات. تتحرك الفوهات نتيجةً لتأثير البخار عليها ورد فعل البخار عالي السرعة عند المخرج. يُطلق على التوربين المكون من فوهات متحركة بالتناوب مع فوهات ثابتة اسم توربين رد الفعل أو توربين بارسونز .

باستثناء التطبيقات منخفضة الطاقة، تُرتّب شفرات التوربينات في مراحل متعددة متسلسلة، تُعرف باسم التجميع ، مما يُحسّن الكفاءة بشكل كبير عند السرعات المنخفضة. ^{[ 21 ]} تتكون مرحلة التفاعل من صف من الفوهات الثابتة يليه صف من الفوهات المتحركة. تعمل مراحل التفاعل المتعددة على تقسيم فرق الضغط بين مدخل البخار ومخرجه إلى قطرات صغيرة عديدة، مما ينتج عنه توربين مُركّب الضغط . قد تكون مراحل الدفع إما مُركّبة الضغط، أو مُركّبة السرعة، أو مُركّبة الضغط والسرعة. تتكون مرحلة الدفع المُركّبة الضغط من صف من الفوهات الثابتة يليه صف من الشفرات المتحركة، مع مراحل متعددة للتجميع. يُعرف هذا النوع أيضًا باسم توربين راتو، نسبةً إلى مُخترعه. أما مرحلة الدفع المُركّبة السرعة (التي اخترعها كورتيس وتُسمى أيضًا "عجلة كورتيس") فهي عبارة عن صف من الفوهات الثابتة يليه صفان أو أكثر من الشفرات المتحركة بالتناوب مع صفوف من الشفرات الثابتة. يؤدي هذا إلى تقسيم انخفاض السرعة عبر المرحلة إلى عدة انخفاضات أصغر. ^{[ 22 ]} تُسمى سلسلة مراحل الدفع المركبة السرعة توربينًا مركبًا للضغط والسرعة .

بحلول عام ١٩٠٥، عندما بدأ استخدام التوربينات البخارية في السفن السريعة (مثل سفينة إتش إم إس دريدنوت  ) وفي تطبيقات الطاقة البرية، تبيّن أنه من المستحسن استخدام عجلة كورتيس واحدة أو أكثر في بداية التوربين متعدد المراحل (حيث يكون ضغط البخار في أعلى مستوياته)، تليها مراحل رد الفعل. كان هذا أكثر كفاءة مع البخار عالي الضغط نظرًا لانخفاض التسرب بين دوّار التوربين وغلافه. ^{[ ٢٣ ]} يوضح ذلك الرسم التخطيطي لتوربين البخار البحري الألماني من طراز AEG لعام ١٩٠٥. يدخل البخار من الغلايات من اليمين بضغط عالٍ عبر صمام خانق ، يتحكم فيه يدويًا مشغل (في هذه الحالة بحار يُعرف باسم "مشغل الصمام"). يمر البخار عبر خمس عجلات كورتيس والعديد من مراحل رد الفعل (الشفرات الصغيرة على حواف الدوّارين الكبيرين في المنتصف) قبل أن يخرج بضغط منخفض، على الأرجح إلى مكثف . يُوفّر المُكثّف فراغًا يُعظّم الطاقة المُستخرجة من البخار، ويُكثّف البخار إلى ماء تغذية يُعاد إلى الغلايات. على اليسار، توجد عدة مراحل تفاعل إضافية (على دوّارين كبيرين) تُدير التوربين عكسيًا للتشغيل الخلفي، مع إدخال البخار عبر صمام خانق منفصل. ولأن السفن نادرًا ما تُشغّل عكسيًا، فإن الكفاءة ليست أولوية في التوربينات الخلفية، لذا يُستخدم عدد قليل من المراحل لتوفير التكاليف.

كان أحد التحديات الرئيسية التي تواجه تصميم التوربينات هو الحد من الزحف الذي تتعرض له الشفرات. فبسبب درجات الحرارة والإجهادات العالية أثناء التشغيل، تتضرر مواد التوربينات البخارية من خلال هذه الآليات. ومع ارتفاع درجات الحرارة سعيًا لتحسين كفاءة التوربينات، يصبح الزحف ذا أهمية بالغة. وللحد من الزحف، تُستخدم الطلاءات الحرارية والسبائك الفائقة ذات التقوية بالمحلول الصلب وتقوية حدود الحبيبات في تصميم الشفرات.

تُستخدم الطلاءات الواقية للحد من التلف الحراري والأكسدة . غالبًا ما تكون هذه الطلاءات عبارة عن سيراميك مُثبَّت قائم على ثاني أكسيد الزركونيوم . يحد استخدام الطلاء الواقي الحراري من تعرض سبيكة النيكل الفائقة للحرارة، مما يقلل من آليات الزحف التي تحدث في الشفرة. كما تحد طلاءات الأكسدة من فقدان الكفاءة الناتج عن تراكم المواد على السطح الخارجي للشفرات، وهو أمر بالغ الأهمية في البيئات ذات درجات الحرارة العالية. ^{[ 24 ]}

تُصنع الشفرات من النيكل وتُخلط مع الألومنيوم والتيتانيوم لتحسين قوتها ومقاومتها للزحف. يتكون التركيب المجهري لهذه السبائك من مناطق مختلفة التركيب. ويعزز التوزيع المنتظم لطور غاما برايم - وهو مزيج من النيكل والألومنيوم والتيتانيوم - قوة الشفرة ومقاومتها للزحف بفضل التركيب المجهري. ^{[ 25 ]}

يمكن إضافة عناصر حرارية مثل الرينيوم والروثينيوم إلى السبيكة لتحسين مقاومتها للزحف. وتقلل إضافة هذه العناصر من انتشار طور غاما برايم، مما يحافظ على مقاومة الإجهاد ، والقوة، ومقاومة الزحف. ^{[ 26 ]}

تشمل أنواع التوربينات التكثيفية وغير التكثيفية وإعادة التسخين والاستخلاص والحث.

تشمل هذه الترتيبات التوربينات أحادية الغلاف، والتوربينات المركبة المزدوجة، والتوربينات المركبة المتقاطعة. تُعد التوربينات أحادية الغلاف أبسط أنواع التوربينات، حيث يتم توصيل غلاف واحد وعمود واحد بمولد كهربائي. أما التوربينات المركبة المزدوجة، فتُستخدم عندما يتم توصيل غلافين أو أكثر معًا لتشغيل مولد كهربائي واحد. وتتميز التوربينات المركبة المتقاطعة بوجود عمودين أو أكثر غير متوازيين، يقومان بتشغيل مولدين كهربائيين أو أكثر، وغالبًا ما تعمل هذه المولدات بسرعات مختلفة. تُستخدم التوربينات المركبة المتقاطعة عادةً في العديد من التطبيقات الكبيرة. يوضح الشكل أدناه تركيبًا بحريًا نموذجيًا يعود إلى الفترة من ثلاثينيات إلى ستينيات القرن العشرين؛ حيث يُظهر توربينات الضغط العالي والمنخفض تُشغل علبة تروس تخفيض مشتركة، مع وجود توربينة تروس للسرعة الثابتة على إحدى توربينات الضغط العالي.

يُؤثر البخار المتحرك بقوة دفع مماسية ومحورية على عمود التوربين، إلا أن قوة الدفع المحورية في التوربين البسيط تكون غير مُعاكسة. وللحفاظ على وضع الدوار الصحيح وتوازنه، يجب مُعاكسة هذه القوة بقوة مُعاكسة. يُمكن استخدام محامل الدفع لمحامل العمود، أو يُمكن استخدام مكابس وهمية في الدوار، أو يُمكن أن يكون مزدوج التدفق - حيث يدخل البخار من منتصف العمود ويخرج من كلا الطرفين، أو مزيج من أي من هذه الخيارات. في الدوار مزدوج التدفق ، تتجه الشفرات في كل نصف في اتجاهين مُعاكسين، بحيث تُبطل القوى المحورية بعضها بعضًا بينما تعمل القوى المماسية معًا. يُطلق على هذا التصميم من الدوار أيضًا اسم ثنائي التدفق ، أو مزدوج التدفق المحوري ، أو مزدوج العادم . يُعد هذا الترتيب شائعًا في أغلفة الضغط المنخفض للتوربين المُركب. ^{[ 27 ]}

تحتوي التوربينات النبضية على فوهات ثابتة توجه تدفق البخار إلى نفاثات عالية السرعة. تحمل هذه النفاثات طاقة حركية كبيرة، تُحوّل إلى دوران للمحور بواسطة شفرات الدوار ذات الشكل الشبيه بالدلو، عند تغيير اتجاه نفاث البخار. يحدث انخفاض في الضغط عبر الشفرات الثابتة فقط، مع زيادة صافية في سرعة البخار عبر المرحلة. عندما يتدفق البخار عبر الفوهة، ينخفض ​​ضغطه من ضغط الدخول إلى ضغط الخروج (الضغط الجوي أو، في أغلب الأحيان، فراغ المكثف). نتيجةً لهذه النسبة العالية لتمدد البخار، يخرج البخار من الفوهة بسرعة عالية جدًا. يمتلك البخار الخارج من الشفرات المتحركة جزءًا كبيرًا من أقصى سرعة للبخار عند خروجه من الفوهة. يُطلق على فقدان الطاقة الناتج عن هذه السرعة العالية عند الخروج اسم فقدان السرعة المتبقية أو فقدان الطاقة عند الخروج.

ينص قانون عزم الزخم على أن مجموع عزوم القوى الخارجية المؤثرة على سائل يشغل مؤقتًا حجم التحكم يساوي التغير الزمني الصافي لتدفق الزخم الزاوي عبر حجم التحكم.

يدخل السائل الدوامي إلى حجم التحكم عند نصف القطر${\displaystyle r_{1}}$بسرعة مماسية${\displaystyle V_{w1}}$ويترك عند نصف القطر${\displaystyle r_{2}}$بسرعة مماسية${\displaystyle V_{w2}}$.

يُسهّل مثلث السرعة فهم العلاقة بين السرعات المختلفة بشكل أفضل. في الشكل المجاور لدينا:

${\displaystyle V_{1}}$و${\displaystyle V_{2}}$تمثل السرعات المطلقة عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle V_{f1}}$و${\displaystyle V_{f2}}$تمثل هذه القيم سرعات التدفق عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle V_{w1}}$و${\displaystyle V_{w2}}$تمثل هذه السرعات الدورانية عند المدخل والمخرج على التوالي، في المرجع المتحرك.

${\displaystyle V_{r1}}$و${\displaystyle V_{r2}}$تمثل السرعات النسبية عند المدخل والمخرج على التوالي.

${\displaystyle U}$هي سرعة الشفرة.

${\displaystyle \alpha }$زاوية ريشة التوجيه و${\displaystyle \beta }$زاوية الشفرة.

وبناءً على قانون عزم الزخم، يُعطى عزم الدوران المؤثر على السائل بالعلاقة التالية:

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

بالنسبة لتوربين بخاري دافع:${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$لذلك، فإن القوة المماسية المؤثرة على الشفرات هي${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$. الشغل المنجز لكل وحدة زمنية أو القدرة المتولدة:${\displaystyle W=T\omega }$.

عندما تكون ω هي السرعة الزاوية للتوربين، فإن سرعة الشفرة هي${\displaystyle U=\omega r}$ثم يتم توليد الطاقة${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$.

كفاءة المسرح

تتكون مرحلة التوربينة الاندفاعية من مجموعة فوهات وعجلة متحركة. وتحدد كفاءة المرحلة العلاقة بين انخفاض المحتوى الحراري في الفوهة والشغل المبذول في المرحلة. $$$$$ أين${\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$يمثل انخفاض المحتوى الحراري النوعي للبخار في الفوهة.

بحسب القانون الأول للديناميكا الحرارية : $${\displaystyle h_{1}+{\frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$$ بافتراض أن${\displaystyle V_{1}}$أقل بكثير من${\displaystyle V_{2}}$، نحصل${\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$علاوة على ذلك، فإن كفاءة المرحلة هي نتاج كفاءة الشفرة وكفاءة الفوهة، أو${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$.

تُعطى كفاءة الفوهة بالعلاقة التالية${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$حيث إن المحتوى الحراري (بالجول/كيلوجرام) للبخار عند مدخل الفوهة هو${\displaystyle h_{1}}$ومحتوى الطاقة الحرارية للبخار عند مخرج الفوهة هو${\displaystyle h_{2}}$. $${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _ {1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{محاذاة}}}$$ يمكن حساب نسبة جيوب تمام زوايا الشفرات عند المخرج والمدخل، ويُرمز لها بـ${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$تُحدد نسبة سرعات البخار بالنسبة لسرعة الدوار عند مخرج الشفرة إلى مدخلها بواسطة معامل الاحتكاك.${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$.

${\displaystyle k<1}$ويوضح الشكل انخفاض السرعة النسبية نتيجة الاحتكاك أثناء تدفق البخار حول الشفرات (${\displaystyle k=1}$(للشفرات الملساء). $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$$

تُسمى نسبة سرعة الشفرة إلى سرعة البخار المطلقة عند المدخل بنسبة سرعة الشفرة${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$.

${\displaystyle \eta _{b}}$تكون في أقصى حد لها عندما${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$أو،${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$وهذا يعني${\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$وبالتالي${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$. الآن${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$(للتوربينات النبضية أحادية المرحلة).

لذلك، يتم الحصول على القيمة القصوى لكفاءة المرحلة عن طريق وضع قيمة${\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$في التعبير عن${\displaystyle \eta _{b}}$.

نحصل على:${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=2\left(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}$.

بالنسبة للشفرات متساوية الزوايا،${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$، لذلك${\displaystyle c=1}$ونحصل${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$إذا تم إهمال الاحتكاك الناتج عن سطح الشفرة،${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$.

في التوربينات التفاعلية ، تُرتّب شفرات الدوّار لتشكيل فوهات متقاربة . يستغل هذا النوع من التوربينات قوة رد الفعل الناتجة عن تسارع البخار عبر الفوهات التي يُشكّلها الجزء الثابت. يُوجّه البخار نحو الدوّار بواسطة ريش الجزء الثابت الثابتة ، ثم يخرج منه على شكل تيار يملأ محيط الدوّار بالكامل. بعد ذلك، يُغيّر البخار اتجاهه ويزيد سرعته بالنسبة لسرعة الشفرات. يحدث انخفاض في الضغط عبر كلٍّ من الجزء الثابت والدوّار، حيث يتسارع البخار عبر الجزء الثابت ويتباطأ عبر الدوّار، دون أي تغيير صافٍ في سرعة البخار عبر هذه المرحلة، ولكن مع انخفاض في كلٍّ من الضغط ودرجة الحرارة، مما يعكس الشغل المبذول في تشغيل الدوّار.

كفاءة الشفرة

مدخلات الطاقة إلى الشفرات في المرحلة:

${\displaystyle E=\Delta h}$يساوي الطاقة الحركية المزودة للشفرات الثابتة (f) + الطاقة الحركية المزودة للشفرات المتحركة (m).

أو،${\displaystyle E}$= انخفاض المحتوى الحراري عبر الشفرات الثابتة،${\displaystyle \Delta h_{f}}$+ انخفاض المحتوى الحراري فوق الشفرات المتحركة،${\displaystyle \Delta h_{m}}$.

يؤدي تمدد البخار فوق الشفرات المتحركة إلى زيادة السرعة النسبية عند المخرج. وبالتالي، فإن السرعة النسبية عند المخرج${\displaystyle V_{r2}}$تكون دائمًا أكبر من السرعة النسبية عند المدخل${\displaystyle V_{r1}}$.

من حيث السرعات، يُعطى انخفاض المحتوى الحراري عبر الشفرات المتحركة بالمعادلة التالية: $${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$$ (يساهم ذلك في تغيير الضغط الساكن)

يُعطى انخفاض المحتوى الحراري في الشفرات الثابتة، بافتراض أن سرعة البخار الداخل إلى الشفرات الثابتة تساوي سرعة البخار الخارج من الشفرات المتحركة سابقًا، بالصيغة التالية: $${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$$ حيث V ₀ هي سرعة دخول البخار في الفوهة

${\displaystyle V_{0}}$صغيرة جدًا، وبالتالي يمكن إهمالها. لذلك،${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$$يُعدّ تصميم توربين بارسون من أكثر التصاميم استخدامًا، حيث يتميز بنصف درجة رد فعل أو 50% رد فعل . ويتكون هذا التصميم من شفرات دوارة وثابتة متناظرة. ويكون مثلث السرعة في هذا التوربين مشابهًا لما يلي: $${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$$،${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$$${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$$،${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

بافتراض توربين بارسون والحصول على جميع التعبيرات التي نحصل عليها $${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$$ من مثلث سرعة المدخل لدينا${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$$ الشغل المنجز (لوحدة تدفق الكتلة في الثانية):${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

وبالتالي، تُعطى كفاءة الشفرة بالعلاقة التالية$${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$$

شرط أقصى كفاءة للشفرة

لو${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$، ثم

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}}}}$

لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$، نحصل

${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }={\frac {\left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2\rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)}{(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1})^{2}}}=0}$

وهذا يعطي في النهاية${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

لذلك،${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$يتم إيجادها عن طريق وضع قيمة${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$في التعبير عن كفاءة الشفرة

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}}}$

تتميز التوربينات البخارية وأغلفةها بقصور حراري عالٍ نظرًا للضغوط العالية المستخدمة في دوائر البخار والمواد المستخدمة. عند تسخين مجموعة التوربينات للاستخدام، تحتوي صمامات إيقاف البخار الرئيسية (بعد المرجل) على خط جانبي يسمح للبخار المحمص بالتدفق ببطء متجاوزًا الصمام ومواصلة تسخين خطوط النظام مع التوربين البخاري. بالإضافة إلى ذلك، عند انقطاع البخار، يتم تشغيل آلية تدوير لتدوير التوربين ببطء لضمان تسخين متساوٍ ومنع التمدد غير المتساوي . بعد تدوير التوربين أولًا بواسطة آلية التدوير، مع إتاحة الوقت الكافي للدوار ليتخذ مستوىً مستقيمًا (بدون انحناء)، يتم فصل آلية التدوير ويُضخ البخار إلى التوربين، أولًا إلى الشفرات الخلفية ثم إلى الشفرات الأمامية، مما يؤدي إلى تدوير التوربين ببطء بسرعة 10-15  دورة في الدقيقة (0.17-0.25  هرتز) لتسخينه تدريجيًا. قد تستغرق عملية تسخين التوربينات البخارية الكبيرة أكثر من عشر ساعات. ^{[ 28 ]}

أثناء التشغيل العادي، قد يؤدي عدم توازن الدوار إلى اهتزازات، والتي قد تتسبب، نظرًا لسرعات الدوران العالية، في انفصال إحدى الشفرات عن الدوار واختراقها للغلاف. وللحد من هذا الخطر، تُبذل جهود كبيرة لموازنة التوربين. كما تُشغَّل التوربينات ببخار عالي الجودة: إما بخار مُحمَّص (جاف) ، أو بخار مُشبع بنسبة جفاف عالية. وهذا يمنع الاصطدام السريع والتآكل الذي يحدث للشفرات عند اندفاع الماء المُتكاثف عليها (انتقال الرطوبة). كذلك، قد يؤدي دخول الماء السائل إلى الشفرات إلى تلف محامل الدفع لعمود التوربين. ولمنع ذلك، بالإضافة إلى أجهزة التحكم والحواجز في الغلايات لضمان جودة البخار، تُركَّب مصارف للمُكثِّفات في أنابيب البخار المؤدية إلى التوربين.

متطلبات صيانة التوربينات البخارية الحديثة بسيطة وتكلفتها منخفضة (عادة حوالي 0.005 دولار لكل كيلوواط ساعة)؛ ^{[ 28 ]} غالبًا ما يتجاوز عمرها التشغيلي 50 عامًا.

يُعدّ التحكم في التوربين باستخدام منظم السرعة أمرًا بالغ الأهمية، إذ يجب تشغيل التوربينات ببطء لتجنب التلف، كما تتطلب بعض التطبيقات (مثل توليد التيار الكهربائي المتردد) تحكمًا دقيقًا في السرعة. ^{[ 29 ]} قد يؤدي التسارع غير المنضبط لدوار التوربين إلى فصله بسبب تجاوز السرعة المحددة، مما يتسبب في إغلاق منظم السرعة وصمامات الخانق التي تتحكم في تدفق البخار إلى التوربين. في حال تعطل هذه الصمامات، قد يستمر التوربين في التسارع حتى يتفكك، وغالبًا ما يكون ذلك بشكل كارثي. تُعدّ التوربينات مكلفة التصنيع، إذ تتطلب دقة عالية في التصنيع واستخدام مواد عالية الجودة.

أثناء التشغيل العادي بالتزامن مع شبكة الكهرباء، تُدار محطات توليد الطاقة بنظام تحكم في السرعة بنسبة انخفاض قدرها 5% . وهذا يعني أن سرعة التشغيل عند الحمل الكامل تبلغ 100%، بينما تبلغ سرعة التشغيل بدون حمل 105%. هذا ضروري لضمان استقرار الشبكة وعدم حدوث تذبذبات أو انقطاعات في محطات توليد الطاقة. عادةً ما تكون التغيرات في السرعة طفيفة. ويتم تعديل إنتاج الطاقة عن طريق رفع منحنى الانخفاض تدريجيًا بزيادة ضغط الزنبرك في منظم الطرد المركزي . يُعد هذا شرطًا أساسيًا لجميع محطات توليد الطاقة، إذ يجب أن تكون المحطات القديمة والحديثة متوافقة في الاستجابة للتغيرات اللحظية في التردد دون الاعتماد على اتصالات خارجية. ^{[ 30 ]}

تعمل التوربينة البخارية وفقًا للمبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية، مستخدمةً الجزء 3-4 من دورة رانكين الموضحة في الرسم التخطيطي المجاور. يخرج البخار المحمص (أو البخار المشبع الجاف، حسب التطبيق) من المرجل عند درجة حرارة وضغط مرتفعين. عند دخوله التوربينة، يكتسب البخار طاقة حركية بالمرور عبر فوهة (فوهة ثابتة في التوربينات الاندفاعية، أو شفرات ثابتة في التوربينات التفاعلية). عند خروج البخار من الفوهة، يتحرك بسرعة عالية باتجاه شفرات دوار التوربينة. تتولد قوة على الشفرات نتيجة ضغط البخار عليها، مما يؤدي إلى حركتها. يمكن وضع مولد أو جهاز مماثل على العمود، حيث يمكن تخزين الطاقة الموجودة في البخار واستخدامها. يخرج البخار من التوربينة كبخار مشبع (أو مزيج من البخار والسائل، حسب التطبيق) عند درجة حرارة وضغط أقل من درجة حرارة وضغط دخوله، ويُرسل إلى المكثف للتبريد. ^{[ 31 ]} يُمكّننا القانون الأول للديناميكا الحرارية من إيجاد صيغة لمعدل توليد الشغل لكل وحدة كتلة. بافتراض عدم وجود انتقال حراري إلى البيئة المحيطة، وأن التغيرات في الطاقة الحركية والكامنة ضئيلة مقارنةً بالتغير في المحتوى الحراري النوعي، نصل إلى المعادلة التالية:

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

أين

${\displaystyle {\dot {W}}}$هو معدل إنجاز العمل لكل وحدة زمنية

${\displaystyle {\dot {m}}}$معدل تدفق الكتلة عبر التوربين

هيمنت الحاجة إلى التوفيق بين السرعة العالية الفعالة للتوربين والسرعة المنخفضة الفعالة (أقل من 300 دورة في الدقيقة) لمروحة السفينة، ضمن تكلفة إجمالية تنافسية مع المحركات الترددية ، على تطوير أنظمة الدفع البحري التي تعمل بالتوربينات البخارية خلال الفترة من 1894 إلى 1935. في عام 1894، لم تكن تروس التخفيض الفعالة متوفرة لتلبية القدرات العالية التي تتطلبها السفن، لذا كان الدفع المباشر ضروريًا. في توربينيا ، التي تتميز بالدفع المباشر لكل عمود مروحة، تم تخفيض السرعة الفعالة للتوربين بعد التجارب الأولية عن طريق توجيه تدفق البخار عبر التوربينات الثلاثة ذات الدفع المباشر (واحدة على كل عمود) على التوالي، ليصل إجمالي عدد مراحل التوربينات العاملة على التوالي إلى حوالي 200 مرحلة. كما احتوت كل مروحة على ثلاث مراوح للتشغيل بسرعات عالية. ^{[ 34 ]} تمثل سرعات الدوران العالية في تلك الحقبة إحدى أوائل المدمرات الأمريكية التي تعمل بالتوربينات ، وهي المدمرة يو إس إس سميث  ، التي أُطلقت عام 1909، والتي كانت مزودة بتوربينات ذات دفع مباشر، وكانت محاورها الثلاثة تدور بسرعة 724 دورة في الدقيقة عند سرعة 28.35 عقدة (52.50 كم/ساعة؛ 32.62 ميل/ساعة) . ^{[ 35 ]}  

أصبح استخدام التوربينات في عدة أغلفة، حيث تُصرّف البخار إلى بعضها البعض على التوالي، معيارًا في معظم تطبيقات الدفع البحري اللاحقة، وهو شكل من أشكال التجميع المتقاطع . سُمّي التوربين الأول توربين الضغط العالي (HP)، والتوربين الأخير توربين الضغط المنخفض (LP)، وأي توربين بينهما يُسمى توربين الضغط المتوسط ​​(IP). ويمكن رؤية ترتيب أحدث بكثير من توربينيا على متن سفينة آر إم إس كوين ماري  في لونغ بيتش، كاليفورنيا ، والتي أُطلقت عام 1934، حيث يُشغّل كل عمود بواسطة أربعة توربينات متصلة على التوالي بنهايتي عمودي الإدخال في علبة تروس أحادية التخفيض. وهي توربينات الضغط العالي، والضغط المتوسط ​​الأول، والضغط المتوسط ​​الثاني، والضغط المنخفض.

كان السعي لتحقيق الاقتصاد في استهلاك الوقود أكثر أهمية عند النظر في سرعات الإبحار. تُقدّر سرعة الإبحار بنحو 50% من السرعة القصوى للسفينة الحربية و20-25% من مستوى طاقتها القصوى. تُستخدم هذه السرعة في الرحلات الطويلة عندما يكون ترشيد استهلاك الوقود مطلوبًا. مع أن هذا خفّض سرعات المروحة إلى نطاق فعّال، إلا أنه قلّل كفاءة التوربينات بشكل كبير، وكانت سفن التوربينات المبكرة ذات مدى إبحار محدود. كان الحل الذي أثبت جدواه خلال معظم حقبة دفع التوربينات البخارية هو توربين الإبحار. كان هذا توربينًا إضافيًا لإضافة مراحل أخرى، وكان في البداية يُركّب مباشرةً على عمود أو أكثر، ويُصرّف العادم إلى مرحلة تقع في منتصف توربين الضغط العالي، ولا يُستخدم عند السرعات العالية. مع توفر تروس التخفيض حوالي عام 1911، زُوّدت بعض السفن، ولا سيما البارجة يو إس إس نيفادا  ، بهذه التروس على توربينات الإبحار مع الاحتفاظ بتوربينات الدفع المباشر الرئيسية. سمحت تروس التخفيض للتوربينات بالعمل في نطاقها الفعال بسرعة أعلى بكثير من سرعة العمود، ولكنها كانت مكلفة في التصنيع.

في البداية، تنافست التوربينات المستخدمة في الرحلات البحرية مع المحركات الترددية من حيث كفاءة استهلاك الوقود. ومن الأمثلة على استمرار استخدام المحركات الترددية في السفن السريعة، السفينة الشهيرة آر إم إس أولمبيك  التي بُنيت عام 1911، والتي كانت، إلى جانب شقيقتيها آر إم إس تيتانيك  وإتش إم إتش إس بريتانيك  ، مزودة بمحركات ثلاثية التمدد على عمودين خارجيين، حيث كان العادم يُصب في توربين منخفض الضغط على العمود المركزي. بعد اعتماد التوربينات في سفن ديلاوير الحربية التي أُطلقت عام 1909، عادت البحرية الأمريكية إلى استخدام المحركات الترددية في سفن نيويورك الحربية التي بُنيت عام 1912، ثم عادت إلى التوربينات في سفينة نيفادا عام 1914. ويعود استمرار تفضيل المحركات الترددية إلى أن البحرية الأمريكية لم تكن تخطط لبناء سفن حربية رئيسية تتجاوز سرعتها 21 عقدة (39 كم/ساعة؛ 24 ميل/ساعة) حتى ما بعد الحرب العالمية الأولى، لذا كانت السرعة القصوى أقل أهمية من كفاءة استهلاك الوقود في الرحلات البحرية. استحوذت الولايات المتحدة على الفلبين وهاواي كأراضٍ تابعة لها عام 1898، وكانت تفتقر إلى شبكة محطات التزويد بالفحم العالمية التي تمتلكها البحرية الملكية البريطانية. ولذلك، كانت البحرية الأمريكية في الفترة من 1900 إلى 1940 في أمسّ الحاجة إلى ترشيد استهلاك الوقود، لا سيما مع تزايد احتمالية نشوب حرب مع اليابان عقب الحرب العالمية الأولى. وقد تفاقمت هذه الحاجة بسبب عدم إطلاق الولايات المتحدة أي طرادات بين عامي 1908 و1920، مما استدعى قيام المدمرات بمهام طويلة المدى كانت تُسند عادةً إلى الطرادات. لذا، تم تجهيز المدمرات الأمريكية التي أُطلقت بين عامي 1908 و1916 بحلول متنوعة للقيادة المريحة. وشملت هذه الحلول محركات ترددية صغيرة وتوربينات قيادة مريحة، سواء كانت مزودة بتروس أو بدونها، على عمود واحد أو عمودين. ومع ذلك، بمجرد أن أثبتت التوربينات المزودة بتروس كاملة جدواها الاقتصادية من حيث التكلفة الأولية واستهلاك الوقود، تم اعتمادها بسرعة، كما تم تضمين توربينات القيادة المريحة في معظم السفن. ابتداءً من عام 1915، تم تزويد جميع المدمرات الجديدة التابعة للبحرية الملكية بتوربينات ذات تروس كاملة، وحذت الولايات المتحدة حذوها في عام 1917.  

في البحرية الملكية ، كانت السرعة أولوية قصوى حتى معركة يوتلاند في منتصف عام 1916، التي أظهرت أن دروع الطرادات الحربية قد ضُحّي بها بشكل مفرط في سبيل تحقيقها. استخدم البريطانيون سفنًا حربية تعمل بالتوربينات حصريًا منذ عام 1906. وإدراكًا منهم لأهمية مدى الإبحار الطويل نظرًا لإمبراطوريتهم الواسعة، زُوّدت بعض السفن الحربية، ولا سيما سفن فئة الملكة إليزابيث ، بتوربينات الإبحار بدءًا من عام 1912، وذلك بعد تجارب سابقة.

في البحرية الأمريكية، أدخلت مدمرات فئة ماهان ، التي أُطلقت في الفترة 1935-1936، نظام تروس تخفيض مزدوج. وقد أدى ذلك إلى زيادة سرعة التوربين فوق سرعة العمود، مما سمح باستخدام توربينات أصغر من تلك المستخدمة في نظام التروس ذي التخفيض الأحادي. كما شهدت ضغوط ودرجات حرارة البخار ارتفاعًا تدريجيًا، من 2100 كيلو باسكال (300 رطل لكل بوصة مربعة) / 218 درجة مئوية (425 درجة فهرنهايت) [بخار مشبع] في فئة ويكس التي تعود إلى حقبة الحرب العالمية الأولى، إلى 4240 كيلو باسكال (615 رطل لكل بوصة مربعة ) / 454 درجة مئوية (850 درجة فهرنهايت) [بخار محمص] في بعض مدمرات فئة فليتشر التي تعود إلى الحرب العالمية الثانية، وفي سفن لاحقة. ^{[ 36 ] [ 37 ]} وظهر تصميم قياسي يتألف من توربين عالي الضغط ذي تدفق محوري (يُلحق به أحيانًا توربين للسرعة المتوسطة) وتوربين منخفض الضغط ذي تدفق محوري مزدوج متصل بصندوق تروس تخفيض مزدوج. استمر هذا التصميم طوال عصر السفن البخارية في البحرية الأمريكية، واستُخدم أيضًا في بعض تصاميم البحرية الملكية البريطانية. ^{[ 38 ] [ 39 ]} ويمكن رؤية آلات بهذا التكوين على العديد من السفن الحربية المحفوظة من حقبة الحرب العالمية الثانية في عدة دول. ^{[ 40 ]}        

عندما استؤنف بناء السفن الحربية التابعة للبحرية الأمريكية في أوائل الخمسينيات، استخدمت معظم السفن القتالية السطحية وحاملات الطائرات بخارًا بضغط 1200 رطل لكل بوصة مربعة (8300 كيلو باسكال) / 950 درجة فهرنهايت (510 درجة مئوية) . ^{[ 41 ]} واستمر هذا حتى نهاية حقبة السفن الحربية البخارية التابعة للبحرية الأمريكية مع فرقاطات فئة نوكس في أوائل السبعينيات. واستمرت السفن البرمائية والسفن المساعدة في استخدام بخار بضغط 600 رطل لكل بوصة مربعة (4100 كيلو باسكال) بعد الحرب العالمية الثانية، مع يو إس إس إيو جيما ، التي أُطلقت عام 2001، والتي يُحتمل أنها آخر سفينة بخارية غير نووية بُنيت للبحرية الأمريكية.       

تم إدخال نظام الدفع التوربيني الكهربائي في البارجة يو إس إس نيو مكسيكو  ، التي أُطلقت عام 1917. وعلى مدى السنوات الثماني التالية، أطلقت البحرية الأمريكية خمس سفن حربية إضافية تعمل بنظام الدفع التوربيني الكهربائي، بالإضافة إلى حاملتي طائرات (كان من المقرر في البداية أن تكونا من فئة ليكسينغتون ). وتم التخطيط لعشر سفن حربية رئيسية أخرى تعمل بنظام الدفع التوربيني الكهربائي، ولكن تم إلغاء المشروع بسبب القيود التي فرضتها معاهدة واشنطن البحرية .

على الرغم من إعادة تجهيز سفينة نيو مكسيكو بتوربينات مُسننة خلال عملية تجديد جرت بين عامي 1931 و1933، إلا أن السفن التوربينية الكهربائية المتبقية احتفظت بهذا النظام طوال فترة خدمتها. استخدم هذا النظام مولدين توربينيين بخاريين كبيرين لتشغيل محرك كهربائي على كل عمود من الأعمدة الأربعة. كان هذا النظام أقل تكلفة في البداية من التروس المخفضة، وجعل السفن أكثر قدرة على المناورة في الميناء، حيث كانت الأعمدة قادرة على عكس اتجاهها بسرعة وتوفير طاقة عكسية أكبر من معظم الأنظمة المُسننة.

تم بناء بعض سفن الركاب العابرة للمحيطات بمحركات توربينية كهربائية، كما هو الحال مع بعض سفن نقل الجنود وسفن مرافقة المدمرات التي تم إنتاجها بكميات كبيرة خلال الحرب العالمية الثانية . ومع ذلك، عندما صممت الولايات المتحدة "طرادات المعاهدة"، بدءًا من يو إس إس بينساكولا  التي تم إطلاقها عام 1927، تم استخدام التوربينات المسننة لتوفير الوزن، وظلت مستخدمة في جميع السفن البخارية السريعة بعد ذلك.

منذ ثمانينيات القرن العشرين، تم استبدال التوربينات البخارية بالتوربينات الغازية في السفن السريعة وبمحركات الديزل في السفن الأخرى؛ باستثناء السفن التي تعمل بالطاقة النووية والغواصات وناقلات الغاز الطبيعي المسال . ^{[ 42 ]} ولا تزال بعض السفن المساعدة تستخدم الدفع البخاري.

في البحرية الأمريكية، لا تزال التوربينات البخارية التقليدية مستخدمة في جميع سفن الإنزال البرمائي من فئة "واسب" باستثناء واحدة. أخرجت البحرية الملكية البريطانية آخر فئة من سفنها الحربية السطحية التقليدية التي تعمل بالبخار، وهي فئة " فيرليس " ( Fearless ) المخصصة لإنزال السفن ، من الخدمة عام 2002، وتبعتها البحرية الإيطالية عام 2006 بإخراج آخر سفنها الحربية السطحية التقليدية التي تعمل بالبخار، وهي فئة "أوداس" (Audace ) من الخدمة . وفي عام 2013، أنهت البحرية الفرنسية عصرها البخاري بإخراج آخر فرقاطة من فئة "تورفيل" (Tourville ) من الخدمة . ومن بين القوات البحرية الأخرى العاملة في أعالي البحار ، تشغل البحرية الروسية حاليًا حاملات طائرات من فئة "كوزنتسوف" (Kuznetsov) تعمل بالبخار، بالإضافة إلى مدمرات من فئة "سوفريميني " (Sovremenny) تعمل بالبخار . وتشغل البحرية الهندية حاليًا حاملة الطائرات "آي إن إس فيكراماديتيا" (INS Vikramaditya )، وهي نسخة معدلة من حاملة الطائرات من فئة "كييف" (Kieve )، كما تشغل ثلاث فرقاطات من فئة "براهمابوترا" (Brahmaputra ) دخلت الخدمة في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. تشغل البحرية الصينية حاليًا حاملات طائرات بخارية من فئة كوزنيتسوف ، ومدمرات من فئة سوفريميني ، بالإضافة إلى مدمرات من فئة لودا، ومدمرة واحدة من طراز 051B . أما معظم القوات البحرية الأخرى فقد أخرجت سفنها الحربية البخارية من الخدمة أو أعادت تزويدها بمحركات جديدة. اعتبارًا من عام 2020، تشغل البحرية المكسيكية أربع فرقاطات بخارية من فئة نوكس الأمريكية سابقًا . وتشغل البحرية المصرية والبحرية الصينية فرقاطتين وست فرقاطات من فئة نوكس الأمريكية سابقًا على التوالي . وتشغل البحرية الإكوادورية حاليًا فرقاطتين بخاريتين من فئة كونديل ( فرقاطات معدلة من فئة لياندر ).

لم تتجاوز كفاءة دورة التوربينات البخارية المستخدمة في الدفع حتى الآن 50%، بينما تتجاوز كفاءة محركات الديزل 50% بشكل روتيني، لا سيما في التطبيقات البحرية. ^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]} كما تتميز محطات توليد الطاقة بالديزل بانخفاض تكاليف التشغيل نظرًا لقلة عدد المشغلين المطلوبين. ولذلك، يُستخدم البخار التقليدي في عدد قليل جدًا من السفن الجديدة. ويُستثنى من ذلك ناقلات الغاز الطبيعي المسال، التي غالبًا ما تجد أن استخدام الغاز المتبخر مع التوربينات البخارية أكثر اقتصادية من إعادة تسييله.

تستخدم السفن والغواصات التي تعمل بالطاقة النووية مفاعلاً نووياً لتوليد البخار اللازم لتشغيل التوربينات. حالياً، تُصنّع شركة كورتيس رايت توربينات البخار الرئيسية المستخدمة في دفع حاملات الطائرات التابعة للبحرية الأمريكية من فئتي نيميتز وفورد ، بينما تُصنّع شركة نورثروب غرومان توربينات البخار الخاصة بغواصات فئتي فيرجينيا وكولومبيا .

يُفضّل استخدام الطاقة النووية في كثير من الأحيان عندما يكون استخدام طاقة الديزل غير عملي (كما هو الحال في الغواصات ) أو عندما تُشكّل لوجستيات التزود بالوقود تحديات كبيرة (مثل كاسحات الجليد ). وتشير التقديرات إلى أن وقود المفاعل لغواصات فئة "فانغارد " التابعة للبحرية الملكية يكفي لأربعين رحلة حول العالم، وهو ما يكفي على الأرجح لكامل عمر الغواصة. ولم يُستخدم الدفع النووي إلا في عدد قليل جدًا من السفن التجارية نظرًا لتكاليف الصيانة الباهظة والضوابط التنظيمية المطلوبة على الأنظمة النووية ودورات الوقود.