توربين

التوربين ( يُلفظ / ˈtɜːrbaɪn / أو / ˈtɜːrbɪn / ) ( من اليونانية τύρβη ، tyrbē ، أو اللاتينية turbo ، بمعنى دوامة ) [ ^{1 ] [ 2 ]} هو جهاز ميكانيكي دوار يستخلص الطاقة ^من تدفق السوائل ويحولها إلى شغل مفيد . ويمكن استخدام هذا الشغل الناتج لتوليد الطاقة الكهربائية عند دمجه مع مولد كهربائي . ^[ 3 ^] التوربين هو آلة توربينية تحتوي على جزء متحرك واحد على الأقل يُسمى مجموعة الدوار، وهي عبارة عن عمود أو أسطوانة مثبتة عليها شفرات . يؤثر السائل المتحرك على الشفرات، مما يؤدي إلى حركتها ونقل الطاقة الدورانية إلى الدوار ^.

تحتوي التوربينات الغازية والبخارية والمائية على غلاف يحيط بالشفرات ويحتوي على سائل التشغيل ويتحكم فيه. وتستخدم التوربينات البخارية الحديثة في كثير من الأحيان كلاً من رد الفعل والدفع في الوحدة نفسها، وعادةً ما يتم تغيير درجة رد الفعل والدفع من جذر الشفرة إلى محيطها.

لقد أثبت هيرو الإسكندري مبدأ التوربين في جهاز إيوليبيل في القرن الأول الميلادي، وذكره فيتروفيوس حوالي عام 70 قبل الميلاد.

من الأمثلة المبكرة على التوربينات طواحين الهواء والدواليب المائية .

استُخدم مصطلح "توربين" لأول مرة لوصف هذا النوع من الأجهزة عام 1822 من قِبل مهندس التعدين الفرنسي كلود بوردان في مذكرة بعنوان "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse"، والتي قدمها إلى الأكاديمية الملكية للعلوم في باريس. ^{[ 4 ]} الكلمة مشتقة من الكلمة اللاتينية " turbo " التي تعني " دوامة " أو " قمة "، وكانت تُستخدم في الفرنسية لوصف بعض أنواع الأصداف البحرية. ^{[ 5 ]} إلا أنه لم يُعتمد مصطلح "توربين" إلا عام 1824، عندما قدمت لجنة من الأكاديمية (مؤلفة من بروني، ودوبان، وجيرار) تقريرًا إيجابيًا عن مذكرة بوردان. ^{[ 6 ]} وقد بنى بينوا فورنييرون ، وهو طالب سابق لكلود بوردان، أول توربين مائي عملي.

يُنسب الفضل في اختراع التوربين البخاري إلى كل من المهندس الأنجلو-إيرلندي السير تشارلز بارسونز (1854-1931) لاختراعه التوربين التفاعلي، وإلى المهندس السويدي جوستاف دي لافال (1845-1913) لاختراعه التوربين النبضي.

يحتوي المائع العامل على طاقة كامنة (ضغط ) وطاقة حركية (سرعة). قد يكون المائع قابلاً للانضغاط أو غير قابل للانضغاط . وتعتمد التوربينات على عدة مبادئ فيزيائية لجمع هذه الطاقة.

تُغيّر التوربينات النبضية اتجاه تدفق تيار سائل عالي السرعة. وتؤدي الدفعة الناتجة إلى دوران التوربين، تاركةً تدفق السائل بطاقة حركية مُخفّضة. لا يحدث أي تغيير في ضغط السائل داخل شفرات التوربين (الشفرات المتحركة)، كما هو الحال في التوربينات البخارية أو الغازية، حيث يحدث انخفاض الضغط بالكامل في الشفرات الثابتة (الفوهات). قبل وصول السائل إلى التوربين، يتحول ضغطه إلى سرعة عن طريق تسريعه بواسطة فوهة . وتستخدم عجلات بيلتون وتوربينات دي لافال هذه العملية حصريًا. لا تتطلب التوربينات النبضية غلافًا ضاغطًا حول الدوّار، لأن تيار السائل يتكوّن بواسطة الفوهة قبل وصوله إلى شفرات الدوّار. يصف قانون نيوتن الثاني انتقال الطاقة في التوربينات النبضية. وتكون التوربينات النبضية أكثر كفاءة عند استخدامها في الحالات التي يكون فيها التدفق منخفضًا وضغط المدخل مرتفعًا. ^{[ 3 ]}

تُنتج التوربينات التفاعلية عزم الدوران من خلال التفاعل مع ضغط أو كتلة المائع. يتغير ضغط المائع أثناء مروره عبر شفرات دوار التوربين. ^{[ 3 ]} يلزم وجود غلاف ضغط لاحتواء المائع العامل أثناء تأثيره على مراحل التوربين، أو يجب غمر التوربين بالكامل في تدفق المائع (كما هو الحال في توربينات الرياح). يحتوي الغلاف على المائع العامل ويوجهه، وفي توربينات المياه، يحافظ على قوة الشفط الناتجة عن أنبوب السحب . تستخدم توربينات فرانسيس ومعظم توربينات البخار هذا المفهوم. بالنسبة للموائع العاملة القابلة للانضغاط، تُستخدم عادةً مراحل توربينية متعددة لتسخير الغاز المتمدد بكفاءة. يصف قانون نيوتن الثالث انتقال الطاقة في التوربينات التفاعلية. تُعد التوربينات التفاعلية أكثر ملاءمة لسرعات التدفق العالية أو التطبيقات التي يكون فيها ضغط المائع (الضغط في المنبع) منخفضًا. ^{[ 3 ]}

في حالة التوربينات البخارية، كتلك المستخدمة في التطبيقات البحرية أو لتوليد الكهرباء على اليابسة، يتطلب توربين رد الفعل من نوع بارسونز ضعف عدد صفوف الشفرات تقريبًا مقارنةً بتوربين الدفع من نوع دي لافال، وذلك لتحقيق نفس درجة تحويل الطاقة الحرارية. ورغم أن هذا يجعل توربين بارسونز أطول وأثقل بكثير، إلا أن كفاءته الإجمالية أعلى قليلًا من كفاءة توربين الدفع المكافئ له عند تحقيق نفس درجة تحويل الطاقة الحرارية.

في الواقع، تستخدم تصاميم التوربينات الحديثة مفاهيم رد الفعل والدفع بدرجات متفاوتة كلما أمكن ذلك. تستخدم توربينات الرياح جناحًا لتوليد قوة رفع ناتجة عن رد فعل المائع المتحرك ونقلها إلى الدوار. كما تكتسب توربينات الرياح بعض الطاقة من دفع الرياح عن طريق تغيير اتجاهها بزاوية. قد تستخدم التوربينات متعددة المراحل شفرات تعتمد على رد الفعل أو الدفع عند الضغط العالي. كانت توربينات البخار تعتمد تقليديًا على الدفع بشكل أكبر، لكنها تتجه نحو تصاميم رد الفعل المشابهة لتلك المستخدمة في توربينات الغاز. عند الضغط المنخفض، يتمدد وسط المائع العامل مع انخفاضات طفيفة في الضغط. في ظل هذه الظروف، يصبح تصميم الشفرات من نوع رد الفعل بشكل كامل، حيث تكون قاعدة الشفرة دافعة فقط. والسبب في ذلك هو تأثير سرعة دوران كل شفرة. فمع ازدياد الحجم، يزداد ارتفاع الشفرة، وتدور قاعدة الشفرة بسرعة أبطأ مقارنةً بطرفها. هذا التغير في السرعة يُجبر المصمم على التحول من الدفع عند القاعدة إلى طرف ذي رد فعل عالٍ.

طُوِّرت أساليب تصميم التوربينات الكلاسيكية في منتصف القرن التاسع عشر. ربط تحليل المتجهات تدفق المائع بشكل التوربين ودورانه. استُخدمت في البداية أساليب الحساب البياني. صيغ الأبعاد الأساسية لأجزاء التوربين موثقة جيدًا، ويمكن تصميم آلة عالية الكفاءة بشكل موثوق لأي حالة تدفق مائع . بعض الحسابات تجريبية أو تقريبية، والبعض الآخر مبني على الميكانيكا الكلاسيكية . وكما هو الحال في معظم الحسابات الهندسية، وُضعت 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 V _{_r1}. يدور الغاز بفعل الدوار ويخرج، بالنسبة للدوار، بسرعة V_{_r2} . ومع ذلك، فإن سرعة خروج الغاز من الدوار مطلقًا هي V_{_a2}. تُنشأ مثلثات السرعة باستخدام متجهات السرعة المختلفة هذه. يمكن إنشاء مثلثات السرعة عند أي مقطع عرضي للريشة (على سبيل المثال: المحور، الطرف، المقطع الأوسط، وما إلى ذلك)، ولكنها تُعرض عادةً عند نصف قطر المرحلة المتوسط. يمكن حساب متوسط ​​أداء المرحلة من مثلثات السرعة، عند هذا النصف قطر، 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:

${\displaystyle \Delta h}$هو الانخفاض النوعي في المحتوى الحراري عبر المرحلة

${\displaystyle T}$هي درجة الحرارة الكلية (أو درجة حرارة الركود) عند مدخل التوربين

${\displaystyle u}$هل هي السرعة المحيطية لدوار التوربين؟

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

نسبة ضغط التوربين هي دالة لـ${\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}$وكفاءة التوربين.

يُعمّق تصميم التوربينات الحديث الحسابات. إذ تُغني ديناميكيات الموائع الحسابية عن العديد من الافتراضات التبسيطية المستخدمة في اشتقاق الصيغ الكلاسيكية، كما تُسهّل برامج الحاسوب عملية التحسين. وقد أدت هذه الأدوات إلى تحسينات مطردة في تصميم التوربينات على مدى الأربعين عامًا الماضية.

يُعدّ معدل السرعة النوعية التصنيف العددي الأساسي للتوربين . يصف هذا الرقم سرعة التوربين عند بلوغه أقصى كفاءة له بالنسبة للطاقة ومعدل التدفق. وقد ثبت أن معدل السرعة النوعية مستقل عن حجم التوربين. وبمعرفة ظروف تدفق المائع وسرعة خرج عمود الدوران المطلوبة، يمكن حساب معدل السرعة النوعية واختيار تصميم التوربين المناسب.

يمكن استخدام السرعة المحددة، إلى جانب بعض الصيغ الأساسية، لتوسيع نطاق تصميم موجود ذي أداء معروف إلى حجم جديد مع أداء مماثل بشكل موثوق.

عادةً ما يتم عرض أداء التوربينات خارج نطاق التصميم على شكل خريطة أو خاصية للتوربين .

غالبًا ما يكون عدد الشفرات في الدوار وعدد الريش في الجزء الثابت عددين أوليين مختلفين لتقليل التوافقيات وزيادة تردد مرور الشفرات إلى أقصى حد. ^{[ 7 ]}

• تُستخدم التوربينات البخارية لتشغيل المولدات الكهربائية في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم أو زيت الوقود أو الوقود النووي . كانت تُستخدم سابقًا لتشغيل الأجهزة الميكانيكية مباشرةً، مثل مراوح السفن (على سبيل المثال، سفينة " توربينيا" ، أول سفينة بخارية تعمل بالتوربينات ^{[ 8 ]} )، ولكن معظم هذه التطبيقات تستخدم الآن تروس تخفيض السرعة أو مرحلة كهربائية وسيطة، حيث يُستخدم التوربين لتوليد الكهرباء، التي بدورها تُشغل محركًا كهربائيًا متصلًا بالحمل الميكانيكي. حظيت آلات السفن التوربينية الكهربائية بشعبية كبيرة في الفترة التي سبقت الحرب العالمية الثانية وأثناءها ، ويعود ذلك أساسًا إلى نقص مرافق تصنيع التروس الكافية في أحواض بناء السفن الأمريكية والبريطانية.
• تُسمى محركات التوربينات الغازية للطائرات أحيانًا بالمحركات التوربينية لتمييزها عن محركات المكابس. ^{[ 9 ]}
• التوربينات فوق الصوتية . يبقى تدفق الغاز في معظم التوربينات المستخدمة في محركات التوربينات الغازية دون سرعة الصوت طوال عملية التمدد. في التوربينات فوق الصوتية، يصبح تدفق الغاز فوق صوتي عند خروجه من ريش التوجيه في الفوهة، على الرغم من أن السرعات في اتجاه التدفق تصبح عادةً دون سرعة الصوت. تعمل التوربينات فوق الصوتية بنسبة ضغط أعلى من التوربينات العادية، ولكنها عادةً ما تكون أقل كفاءة وأقل شيوعًا.
• التوربينات ذات الدوران المعاكس . في التوربينات المحورية ، يمكن تحقيق بعض المزايا في الكفاءة إذا دار التوربين الواقع في اتجاه معاكس لدوران التوربين الواقع في اتجاه معاكس لدوران التوربين الواقع في اتجاه معاكس لدوران التوربين الواقع في اتجاه معاكس. مع ذلك، قد يكون هذا التعقيد غير مُجدٍ. اخترع المهندس السويدي فريدريك ليونغستروم (1875-1964) في ستوكهولم توربين البخار ذي الدوران المعاكس، والمعروف عادةً باسم توربين ليونغستروم، وحصل على براءة اختراع عام 1894 بالاشتراك مع شقيقه بيرغر ليونغستروم. يُعد هذا التصميم في جوهره توربينًا شعاعيًا متعدد المراحل (أو زوجًا من دوارات التوربينات المتداخلة) يتميز بكفاءة عالية، وانخفاض حرارة أكبر بأربع مرات لكل مرحلة مقارنةً بتوربين التفاعل (بارسونز)، وتصميم مضغوط للغاية، وقد حقق هذا النوع نجاحًا خاصًا في محطات توليد الطاقة ذات الضغط الخلفي. مع ذلك، وخلافًا للتصاميم الأخرى، يُواجه التعامل مع كميات البخار الكبيرة صعوبة، ولا يُمكن بناء التوربين بقدرة تزيد عن 50 ميغاواط إلا من خلال دمجه مع توربينات التدفق المحوري (DUREX). في التطبيقات البحرية، لم يُطلب سوى حوالي 50 وحدة توربينية كهربائية (بيع منها عدد كبير لمحطات برية) خلال الفترة 1917-1919، وخلال الفترة 1920-1922، بيعت بعض الوحدات التوربينية الميكانيكية غير الناجحة. ^{[ 10 ]} لم يتبق سوى عدد قليل من المحطات البحرية التوربينية الكهربائية قيد الاستخدام في أواخر الستينيات (مثل سفينتي راغني وريجين)، بينما لا تزال معظم المحطات البرية قيد الاستخدام حتى عام 2010.
• التوربينات عديمة الجزء الثابت . تحتوي التوربينات متعددة المراحل على مجموعة من ريش التوجيه الثابتة (أي غير المتحركة) التي توجه تدفق الغاز نحو ريش الدوار الدوار. في التوربينات عديمة الجزء الثابت، يصطدم تدفق الغاز الخارج من دوار في اتجاه التيار بدوار في اتجاه التيار دون المرور بمجموعة وسيطة من ريش التوجيه الثابتة (التي تعيد ترتيب مستويات طاقة الضغط/السرعة للتدفق).
• التوربينات الخزفية . تُصنع شفرات التوربينات التقليدية عالية الضغط (والريش) من سبائك أساسها النيكل، وغالبًا ما تستخدم قنوات تبريد هوائية داخلية معقدة لمنع المعدن من السخونة الزائدة. في السنوات الأخيرة، تم تصنيع شفرات خزفية تجريبية واختبارها في التوربينات الغازية، بهدف زيادة درجات حرارة مدخل الدوار و/أو ربما الاستغناء عن التبريد الهوائي. تتميز الشفرات الخزفية بهشاشتها مقارنةً بنظيراتها المعدنية، مما يزيد من خطر تعرضها لعطل كارثي. وقد حدّ ذلك من استخدامها في المحركات النفاثة والتوربينات الغازية، واقتصر استخدامها على شفرات الجزء الثابت (الساكن).
• التوربينات ذات المراوح المغطاة (المغطاة). تحتوي العديد من شفرات دوارات التوربينات على غطاء في الجزء العلوي، يتشابك مع أغطية الشفرات المجاورة، لزيادة التخميد وبالتالي تقليل اهتزاز الشفرات. في توربينات البخار الكبيرة لتوليد الكهرباء الأرضية، غالبًا ما يُستكمل الغطاء، خاصةً في الشفرات الطويلة لتوربينات الضغط المنخفض، بأسلاك ربط. تمر هذه الأسلاك عبر ثقوب محفورة في الشفرات على مسافات مناسبة من جذر الشفرة، وعادةً ما تُلحم بالشفرات عند نقطة مرورها. تُقلل أسلاك الربط من اهتزاز الشفرات في الجزء المركزي منها. يُقلل استخدام أسلاك الربط بشكل كبير من حالات تعطل الشفرات في التوربينات الكبيرة أو ذات الضغط المنخفض.
• المروحة المانعة للرياح (التوربين بدون غطاء). تتمثل الممارسة الحديثة، كلما أمكن ذلك، في إزالة غطاء الدوار، مما يقلل من الحمل الطارد المركزي على الشفرة ومتطلبات التبريد.
• تستخدم توربينات تسلا ، أو التوربينات عديمة الشفرات، تأثير الطبقة الحدية وليس سائلًا يصطدم بالشفرات كما هو الحال في التوربينات التقليدية.
• توربينات المياه :
  • عجلة بيلتون ، وهي نوع من التوربينات المائية الاندفاعية.
  • توربين فرانسيس ، وهو نوع من التوربينات المائية واسعة الاستخدام.
  • توربين كابلان ، وهو نوع من أنواع توربين فرانسيس.
  • توربين تورجو ، وهو شكل معدل من عجلة بيلتون.
  • توربين تايسون ، وهو توربين مائي مخروطي الشكل ذو شفرات حلزونية تخرج جزئيًا من القمة وتزداد أبعادها الشعاعية تدريجيًا وتقل درجة ميلها أثناء دورانها الحلزوني نحو قاعدة المخروط.
  • التوربين ذو التدفق المتقاطع ، والمعروف أيضًا باسم توربين بانكي-ميشيل، أو توربين أوسبرجر.
• توربينات الرياح . تعمل هذه التوربينات عادةً كمرحلة واحدة بدون فوهة أو ريش توجيه بين المراحل. ويُستثنى من ذلك توربينة "إيولين بوليه" التي تحتوي على جزء ثابت وجزء دوار.
• توربين كورتيس المركب للسرعة. يجمع كورتيس بين تصميمي توربين دي لافال وبارسونز باستخدام مجموعة من الفوهات الثابتة في المرحلة الأولى (الجزء الثابت)، ثم صف من الشفرات الثابتة والدوارة، كما هو الحال في توربيني بارسونز أو دي لافال، ويصل عددها عادةً إلى عشر مراحل مقارنةً بما يصل إلى مئة مرحلة في تصميم بارسونز. على الرغم من أن الكفاءة الإجمالية لتصميم كورتيس أقل من كفاءة تصميمي بارسونز أو دي لافال، إلا أنه يمكن تشغيله بكفاءة عالية ضمن نطاق أوسع من السرعات، بما في ذلك التشغيل الناجح عند السرعات المنخفضة والضغوط المنخفضة، مما جعله مثاليًا للاستخدام في محطات توليد الطاقة للسفن. في تصميم كورتيس، يحدث انخفاض الحرارة الكامل في البخار في صف الفوهات الأولي، بينما تعمل صفوف الشفرات المتحركة والثابتة اللاحقة على تغيير اتجاه البخار فقط. يُطلق على استخدام جزء صغير من نظام كورتيس، يتألف عادةً من قسم فوهة واحد وصفين أو ثلاثة صفوف من الشفرات المتحركة، اسم "عجلة كورتيس". وبهذا الشكل، انتشر استخدام نظام كورتيس على نطاق واسع في البحر كـ"مرحلة تحكم" في العديد من التوربينات التفاعلية والاندفاعية ومجموعات التوربينات. ولا تزال هذه الممارسة شائعة حتى اليوم في محطات توليد البخار البحرية.
• التوربين النبضي متعدد المراحل ذو الضغط المركب ، أو "راتو"، نسبةً إلى مخترعه الفرنسي أوغست راتو . يستخدم توربين راتو دوارات نبضية بسيطة تفصل بينها غشاء فوهة. هذا الغشاء عبارة عن جدار فاصل داخل التوربين، يحتوي على سلسلة من الأنفاق على شكل قمع، حيث يواجه طرفه العريض المرحلة السابقة وطرفه الضيق المرحلة التالية، كما أنها مائلة لتوجيه نفاثات البخار نحو الدوار النبضي.
• استخدمت توربينات بخار الزئبق الزئبق كسائل تشغيل لتحسين كفاءة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري. ورغم بناء عدد قليل من محطات الطاقة باستخدام توربينات بخار الزئبق والتوربينات البخارية التقليدية معًا، إلا أن سمية معدن الزئبق سرعان ما ظهرت.
• التوربين اللولبي هو توربين مائي يستخدم مبدأ اللولب الأرخميدسي لتحويل الطاقة الكامنة للماء على مستوى المنبع إلى طاقة حركية .

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

تُستخدم التوربينات في محركات التوربينات الغازية على البر والبحر والجو.

تُستخدم الشواحن التوربينية في محركات المكابس.

تتميز التوربينات الغازية بكثافة طاقة عالية جدًا (أي نسبة الطاقة إلى الكتلة، أو الطاقة إلى الحجم) نظرًا لدورانها بسرعات عالية جدًا. استخدمت المحركات الرئيسية لمكوك الفضاء مضخات توربينية (آلات تتكون من مضخة تُدار بواسطة محرك توربيني) لتغذية غرفة الاحتراق بالوقود (الأكسجين السائل والهيدروجين السائل). تُعد مضخة الهيدروجين السائل التوربينية أكبر قليلًا من محرك السيارة (تزن حوالي 322  كيلوغرامًا)، حيث يُنتج التوربين ما يقارب 70,000 حصان (52.2 ميغاواط ).

تُستخدم التوربينات التوسعية للتبريد في العمليات الصناعية.

• آلة موازنة
• نظريات هيلمهولتز
• ديناميكا الدوار
• عجلة سيجنر
• توربيني مروحي
• محرك توربيني مروحي
• التوربين المحوري
• نظام توليد الطاقة التوربيني الكهربائي

• لايتون، إدوين ت. "من القاعدة العامة إلى الهندسة العلمية: جيمس ب. فرانسيس واختراع توربين فرانسيس"، سلسلة دراسات الجمعية الوطنية للمهندسين المعماريين. ستوني بروك، نيويورك: مؤسسة البحوث التابعة لجامعة ولاية نيويورك، 1992.

• التوربينات