الآلات التوربينية

يمكن تسمية أي جهاز يستخلص الطاقة من تيار سائل متحرك باستمرار أو يمنحه الطاقة بالآلة التوربينية. وبالتفصيل، الآلة التوربينية هي آلة لتوليد الطاقة أو الحرارة، وتعتمد على الحركة الديناميكية لعنصر دوار يُسمى الدوّار؛ حيث تُغير حركة الدوّار مستوى طاقة السائل المتدفق باستمرار عبر الآلة. وتُعدّ التوربينات والضواغط والمراوح جميعها من ضمن هذه الفئة من الآلات. ^{[ 6 ]}

على عكس آلات الإزاحة الموجبة (وخاصة من النوع الترددي الذي يعمل بسرعة منخفضة بناءً على اعتبارات الكفاءة الميكانيكية والحجمية)، فإن غالبية الآلات التوربينية تعمل بسرعات أعلى نسبيًا دون أي مشاكل ميكانيكية وبكفاءة حجمية تقارب 100%. ^{[ 7 ]}

الطاقة الكهرومائية – تستخدم الآلات التوربينية الكهرومائية الطاقة الكامنة المخزنة في الماء لتدفقه فوق مروحة مفتوحة لتشغيل مولد كهربائي ينتج الكهرباء

التوربينات البخارية – تُستخدم التوربينات البخارية في توليد الطاقة الكهربائية بأشكالٍ متنوعة. ويتمثل مبدأ عملها في دفع بخار عالي الضغط فوق شفرات متصلة بعمود، مما يؤدي إلى دوران مولد كهربائي. وأثناء مرور البخار عبر التوربين، يمر عبر شفرات أصغر حجماً، مما يزيد من سرعة دوران العمود، وبالتالي توليد المزيد من الكهرباء.

التوربينات الغازية - تعمل التوربينات الغازية بشكل مشابه للتوربينات البخارية. يُدفع الهواء عبر سلسلة من الشفرات التي تُدير عمودًا. ثم يُخلط الوقود بالهواء، مما يُسبب تفاعل احتراق يزيد من الطاقة. وهذا بدوره يُؤدي إلى دوران العمود بسرعة أكبر، مُنتجًا المزيد من الكهرباء.

طواحين الهواء - تُعرف أيضًا باسم توربينات الرياح ، وتزداد شعبيتها لقدرتها على استخدام الرياح بكفاءة لتوليد الكهرباء. ورغم تنوع أشكالها وأحجامها، فإن أكثرها شيوعًا هي الطواحين الكبيرة ثلاثية الشفرات. تعمل هذه الشفرات وفقًا لمبدأ مشابه لجناح الطائرة ؛ فعندما تمر الرياح فوقها، تتولد مناطق ضغط منخفض ومرتفع، مما يؤدي إلى دوران الشفرة وتدوير عمودها، وبالتالي توليد الكهرباء. وهي تُشبه إلى حد كبير التوربينات البخارية، ولكنها تعمل بتدفق رياح لا ينضب.

التوربينات البخارية - تُشبه التوربينات البخارية في التطبيقات البحرية تلك المستخدمة في توليد الطاقة. ويكمن الاختلاف الوحيد بينهما في الحجم وقدرة الإنتاج. فالتوربينات البخارية على السفن أصغر حجمًا بكثير لأنها لا تحتاج إلى تزويد مدينة بأكملها بالطاقة. وهي ليست شائعة الاستخدام نظرًا لتكلفتها الأولية المرتفعة، واستهلاكها العالي للوقود، والآلات باهظة الثمن المصاحبة لها.

التوربينات الغازية - تزداد شعبية التوربينات الغازية في التطبيقات البحرية نظرًا لصغر حجمها وكفاءتها العالية وقدرتها على حرق أنواع وقود أنظف. تعمل هذه التوربينات بنفس طريقة التوربينات الغازية لتوليد الطاقة، ولكنها أصغر حجمًا بكثير وتتطلب المزيد من الآلات للدفع. وهي شائعة الاستخدام في السفن الحربية نظرًا لقدرتها على الانتقال من وضع السكون التام إلى أقصى طاقة في غضون دقائق (كاياديلين، 2013)، فضلًا عن صغر حجمها مقارنةً بقدرتها على توليد نفس القدر من الطاقة.

الدفع النفاث المائي – يشبه نظام الدفع النفاث المائي إلى حد كبير محرك التوربين النفاث للطائرات، مع اختلاف أن سائل التشغيل هو الماء بدلاً من الهواء. ^{[ 10 ]} تُعدّ أنظمة الدفع النفاث المائي الأنسب للسفن السريعة، ولذا فهي شائعة الاستخدام في المجال العسكري. يتميز الدفع النفاث المائي بالعديد من المزايا مقارنةً بأنواع الدفع البحري الأخرى، مثل محركات الدفع الخلفي ، والمحركات الخارجية ، والمراوح ذات الأعمدة ، ومحركات الدفع السطحية . ^{[ 11 ]}

الشواحن التوربينية – تُعد الشواحن التوربينية من أكثر الآلات التوربينية شيوعًا. تُستخدم بشكل أساسي لزيادة قوة المحركات عن طريق زيادة كمية الهواء. وهي تجمع بين نوعي الآلات التوربينية. إذ تدور غازات العادم الخارجة من المحرك عجلة ذات شفرات، تمامًا مثل التوربين. ثم تدور هذه العجلة عجلة أخرى ذات شفرات، فتسحب وتضغط الهواء الخارجي إلى داخل المحرك.

الشواحن الفائقة – تُستخدم الشواحن الفائقة أيضًا لتعزيز قوة المحرك، ولكنها تعمل فقط على مبدأ الضغط. فهي تستخدم الطاقة الميكانيكية من المحرك لتدوير لولب أو ريشة، وهي طريقة ما لسحب الهواء وضغطه داخل المحرك.

المضخات - تُعدّ المضخات من الآلات التوربينية الشائعة جدًا. ورغم وجود أنواع عديدة منها، إلا أنها جميعًا تؤدي الوظيفة نفسها. تُستخدم المضخات لنقل السوائل باستخدام نوع من الطاقة الميكانيكية، بدءًا من المحركات الكهربائية وصولًا إلى محركات الديزل الكبيرة. للمضخات استخدامات لا حصر لها، وهي الأساس الحقيقي للآلات التوربينية (Škorpík، 2017).

ضواغط الهواء - تُعد ضواغط الهواء من الآلات التوربينية الشائعة جدًا. تعمل هذه الضواغط على مبدأ الضغط، حيث تسحب الهواء وتضغطه في خزان. وتُعتبر ضواغط الهواء من أبسط الآلات التوربينية.

المراوح – تُعد المراوح النوع الأكثر شيوعًا من الآلات التوربينية.

التوربينات الغازية - التوربينات الغازية المستخدمة في صناعة الطيران، والمعروفة باسم المحركات النفاثة، هي أكثر أنواع التوربينات الغازية شيوعًا.

المضخات التوربينية - تتطلب محركات الصواريخ ضغوطًا عالية جدًا للوقود ومعدلات تدفق كتلي مرتفعة، مما يعني أن مضخاتها تحتاج إلى طاقة كبيرة. أحد الحلول الشائعة لهذه المشكلة هو استخدام مضخة توربينية تستخلص الطاقة من تدفق سائل عالي الطاقة. قد يكون مصدر هذا التدفق أحد العوامل أو مزيجًا منها، بما في ذلك تحلل بيروكسيد الهيدروجين، أو احتراق جزء من الوقود، أو حتى تسخين الوقود المبرد الذي يمر عبر قنوات التبريد في جدران غرفة الاحتراق.