تصویری از برج خنک تر در یک نیروگاه بخار

تصويري از برجهاي خنك كن نيروگاه بخاري

 

آشنايي با توربين گازي و نحوه كاركرد آن

توربین های گازی (Gas Turbine) نوعی ماشین مکانیکی دوار است که اساس کارکرد آن ، دریافت و بهره برداری از انرژی آزاد شده حاصل از احتراق گاز ناشی از ترکیب هوای فشرده و سوخت می باشد که تمامی این فرآیند در سه فاز جداگانه ولی بطور پیوسته در درون هر توربین گازی بوقوع می پیوندد. لذا هر توربین گازی از سه بخش مستقل منتاوب تشکیل گردیده که شامل واحد کمپرسور هوا (Gas Generator) ، واحد محفظه احتراق (Combustion chamber) و نهایتا واحد توربین قدرت (Power Turbine) هستند.

انرژی مکانیکی حاصل از کل فرآیند مصارف  متنوعی در صنایع گوناگون دارد؛ از جمله موارد کاربرد انرژی مکانیکی حاصله، تولید جریان الکتریسیته (ژنراتورها) ،  فشرده سازی جریان متناوب سیالات (کمپرسورهای گاز) و نیروی پیش رانش مورد نیاز در هواپیماهای نوع توربو پراب و توربو فن و کشتی ها، ناوها و هواناوها  می باشد. نوع دیگر کاربرد این نوع توربین با حذف واحد توربین قدرت (Power Turbine) و جایگزینی نازل در مسیر خروج گاز حاصل از احتراق از انتهای محفظه احتراق توربین باعث تولید نیروی پیش رانش (Trust Force) در نوعی از هواپیماهای موسوم به توربو جت می باشد.

توربین های گازی به دلیل نوع خاص طراحی همواره از توان فوق العاده بالایی جهت مصارف خاص صنعتی بهره می برند ولیکن رسیدن به این توان مستلزم صرف انرژی زیادیست که این نوع تجهیزات دوار را در رده کم بازده ترین ها قرار می دهد بطوریکه نمی توان راندمانی بیش از 40% را بدلیل طراحی نوع ساختار توربین ها انتظار داشت لذا بخش اصلی انرژی هر توربین صرف فشرده سازی هوای ورودی و مصرف بخش عمده همین هوای فشرده جهت تغذیه واحدهای خنک کاری  (Cooling System) و درزبندی (Sealing System) مسیرهای عبور هوا و روغن می گردد.

شناخت توربینهای بخاری و عوامل مهم و تاثیرگذار در Vibration of the rotors

شناخت توربینهای بخاری و عوامل مهم و تاثیرگذار در Vibration of the rotors

Misalignment of the rotor  در توربینها

هدف آلایمنت کردن توربین تآمین موقعیت قرارگیری صحیح متقابل روتورها و انطباق محورهای هندسی روتورها با محورهای یاتاقانها و سیلندر هاست. آلایمنت بودن یکی از شرایط لازم کار آرام توربین میباشد.

آلایمنت غیر صحیح و غیر دقیق در زمان بهره برداری باعث بروز مشکلاتی میگردد,و منجمله: ویبره شدید توربین,درگیری وتماس در گلندهای لابیرنتی ,عدم کار صحیح کوپلینگهای اتصالی,خوردگی یاتاقانها و چرخ دنده های گاورنینگ وغیره.

آلایمنت غیرکیفی( ناشی از عدم دقت و نادیده گرفتن اثرات تغییر پوزیشن پوسته ها با روتورهای توربین در حالت سرد سیلندر، در حالت سیلندر باز ، در حالت سیلندر بسته سرد، در حالت نهایی بستن با عملیات گرم ، ) مانع راه اندازی  و بارگیری توربین بعداز تعمیرات اساسی خواهد شد که می تواند(بغیراز آنبلانسی جرمی) ناشی از تغییرات فاحش در کلرنسهای  (steam flow path ) شعاعي ، محوري وآکسیالی ، ایجاد Rubbing  در حالت كاري روتور توربین گردیده وممکنست الزامآ منجر به باز کردن مجدد و اصلاح آن شود .

چرا که یکی از آسیب های بسیار جدی توربین، ناهم راستایی محورها نسبت به یکدیگر است. این موضوع از دو بعد، هم راستایی محوری(Axial Alignment) و  هم راستایی دومحور از لحاظ شعاعی(Radial Alignment) بررسی می گردد. تلرانس یا حد انحراف از میزان بایستی، در هم راستایی شعاعی دومحور صفر است و در تنظیم محوری، بستگی به قطر محور یا روتور دارد که هرچه قطر محور بزرگتر باشد حد تلرانس بیشتر می شود. در تعمیرات نیمه اساسی و اساسی واحدهای بخاری نیروگاه ها که به ترتیب در دوره های 25000ساعت و 50000ساعت کارکرد انجام می گیرد شاید مهم ترین مسله و کاری که به آن رسیدگی می شود بررسی میزان هم راستایی در دوجهت محوری و شعاعی است و اگر ناهم راستایی از حد استاندارد خارج شده باشد؛ حتماً بایستی با جابه جایی محور آن را تنظیم نمود. بدیهی است در صورتی که به این موضوع مهم(هم راستابودن) توجه لازم نگردد ناهم راستایی به مرور زمان موجب افزایش لرزش ولو به مقدار کمی بیشتر از حد معمول و حتی کمتر از حد مجاز؛ باعث استهلاک مجموعه اجزای توربین می شود. البته اگر از حد مجاز خارج شود و سیستم حفاظت که وظیفه ی از مدار خارج نمودن توربین را دارد؛ عمل نکند! موجب خسارت های جبران ناپذیری به توربین می گردد. گفتنی است موضوع هم راستایی محورها در تمام تجهیزات دوار مهم است اما به دلیل گران قیمت بودن توربین و اهمیت استمرار تولید برق، توجه به الایمنت توربین بسیار با اهمیت خواهد بود. پس این موضوع را همیسه جدی بگیرد تا از آسیب های جدی تر به توربین و توقف تولید برق نیروگاه جلوگیری شود. امروزه بررسی میزان هم راستایی محورها، با روش ها و ابزارهای گوناگون و پیشرفته انجام می گیرد که برای آموزش کار یا به کتاب های معتبر مراجعه نمایید و یا در دوره های آموزشی اثربخش حضور یابید. چون انجام تنظیم و هم راستاسازی دو و یا چند محور، کاری است تخصصی که از عهده هر فردی بر نمی آید.

ارتعاشات محور(Rotor vibrations) در توربینها

     به تعداد نوسان های کامل یک جسم(حرکت رفت و برگشتی و یا دوار) در یک ثانیه فرکانس یا بسامد گویند.  اجسام دارای دو فرکانس هستند. فرکانس طبیعی و فرکانس اجباری. فرکانس طبیعی به این صورت تعریف می شود: اگر جسمی را از حالت سکون به حرکت در آورید و سپس به شکل طبیعی متوقف گردد دارای فرکانس یا بسامدی است که به آن فرکانس طبیعی گویند. اما فرکانس اجباری توسط محرکی به جسم وارد می شود. مانند هنگام چرخش یک پمپ که به وسیله یک موتور برقی به حرکت در می آید. نوسان های پمپ و یا به عبارتی تعداد چرخش های محور پمپ بر تانیه همان فرکانس اجباری آن است که واحد آن نیز هرتز است. بدیهی است هرگاه فرکانس طبیعی و فرکانس اجباری روی هم قرار گیرند؛ رزونانس یا تشدید اتفاق می افتد و سیستم دارای سرعت بحرانی می شود که اگر سریع از این دور عبور نشود؛ به طور قطع آسیب جدی به دستگاه  وارد خواهد شد. نتیجه اینکه هر محور دوار  دارای فرکانس طبیعی خاص خودش است. آنچه مسلم است اینکه دستگاه های دوار مانند پمپ، توربین و فن در حین بهره برداری دارای لرزش نیز هستند؛ هرچند سازندگان، تمام تلاش خود را برای کاهش  لرزش دستگاه به کار می گیرند اما به هرحال در بهترین شرایط نیز دستگاه های دوار دارای لرزش می باشند و اگر اختلالی در حین بهره برداری معمول آنها رخ دهد؛ لرزش یا ارتعاش آن افزایش و اگر کنترل و پیشگیری نشود آسیب های جدی به سیستم وارد می شود. 

     در توربوژنراتورها به دلایلی مانند گیر مکانیکی در اجزای دوار، ناهم راستایی محورها(شعاعی یا محوری)، آنبالانسی و غیره ؛ لرزش مجموعه افزایش می یابد. بنابراین یکی از آسیب های خطرناک و مهم در توربوژنراتورها و سایر دستگاه های دوار دیگر، لرزش های غیر عادی و نحوه مواجهه با آن شرایط است. به طور معمول در نیروگاه ها هنگام بروز لرزش غیرعادی، به طور خودکار از طریق زنگ خطر و یا چراغ چشمک زن به بهره بردار هشدار داده می شود و اگر لرزش به هر دلیلی کنترل نگردد و توسعه یابد؛ سیستم حفاظت خودکار  وارد عمل شده و  دستگاه را پیش از آسییب دیدن از مدار خارج خواهد نمود. بدیهی است در صورت عملکرد ناموفق سیستم حفاظت؛ آسیب های غیر قابل جبرانی به مجموعه توربوژنراتور وارد می گردد.

در نیروگاه ها برای پیشگیری از آسیب های منتج از لرزش های غیر معمول و خارج از حد مجاز به دو روش اقدام می شود:

1) نصب حسگر(سنسور) لرزش بر روی یاتاقان ها و انتقال سیگنال به اتاق فرمان(برای هشدار) و سیستم حفاظت واحد(برای پیشگیری از آسیب): حسگرها در وهله اول از طریق انتقال سیگنال به اتاق فرمان به بهره بردار هشدار می دهند تا بهره بردار بتواند از فرصت ایجاد شده؛ نقص را ردیابی و برطرف نماید. در مرحله دوم در صورت ادامه و توسعه لرزش با عملکرد سیستم حفاظت؛ توربوژنراتور به طور خودکار ار مدار تولید خارج می شود تا از آسیب های جدی به مجموعه جلوگیری گردد.

2) اندازه گیری لرزش توربوژنراتور به وسیله دستگاه های پرتابل(قابل حمل):   به منظور بررسی صحت عملکرد حسگرها(سنسورها)ی بند1 و هم چنین آنالیز فرکانس ارتعاشی سیستم ، عیب یابی و پیشگیری از خرابی ها، اندازه گیری با دستگاه های پرتابل به صورت دوره ای انجام می شود.

     جمع بندی اینکه به دلیل هزینه های بالا و اهمیت تداوم تولید تجهیزات نیروگاهی به ویژه توربوژنراتور، موضوع لرزش و ارتعاشات غیر عادی را بسیار جدی بگیرید زیرا در غیر این صورت احتمال بروز خسارت های سنگینی به مجموعه خواهد بود.

خمش روتور در توربینها(Bending of the rotor in turbines)

     یکی از نکات بسیار مهم در توربین ها، مراقبت از مجموعه ی توربین شامل محور و پره های متحرک، و پوسته و پره های ثابت به ویژه محور یا روتور توربین است. به طوری که برای پیشگیری از آسیب های احتمالی مانند خمش محور، در سه مرحله این موضوع پایش می شود. اول هنگام راه اندازی و چرخش محور، که می بایست روتور با موتور کمکی(ترنینگیر) به گردش درآید. دوم در حین بهره برداری و سوم، بعد از قطع بخار توربین و توقف واحد که بایستی محور توربین تا دمای مشخصی به وسیله موتور کمکی پیش گفته به چرخش خود ادامه دهد.

1) در مواقع راه اندازی

     چون پیش از راه اندازی توربین و در راستای آماده سازی، بخار سیستم آب بندی دو سر پوسته  وارد مدار می شود و به عبارتی، مقدار کمی بخار وارد محفظه پوسته توربین می گردد؛ پس ضروری است محور توربین به وسیله موتور کمکی(ترنینگیر) بچرخد تا از خمش برداشتن محور جلوگیری شود. البته گردش محور به وسیله موتور کمکی و با دور پایین(معمولاً با سرعت 30دور بر دقیقه) ، بعد از تعمیرات اساسی یک امر غیرقابل اجتناب است زیرا محور در طول تعمیرات در حالت سکون بوده است و احتمال دارد به میزان ولو ناچیز؛ خمش پیدا کرده باشد. بنابراین با چرخش  محور به کمک ترنینگیر این احتمال نیز از بین می رود و یا با این کار مشکل احتمالی(خمش) رفع می گردد.

2) در حین بهره برداری

     چون توریین رکن اساسی و بسیار مهم یک نیروگاه است. پس بایستی دمای مجموعه ی توربین، از ابتدای راه اندازی و دور گرفتن به وسیله ورود بخار به داخل آن؛ تحت نظر بهره بردار باشد تا از هرگونه آسیب احتمالی به دور بماند. این مراقبت در طول بهره برداری توربین و تولید برق واحد نیروگاهی نیز از طریق سیستم های نظارتی خودکار و یا توسط بهره بردار انجام می شود.

3) در مواقع توقف توربین واحد

     معمولاً توربین های بخاری در حین کار با سرعتی معادل 3000دور بر دقیقه کار می کنند و دمای بخار یا همان سیال عامل نیز حدود 540درجه سانتی گراد است. پس درجه حرارت اجزای توربین در طول بهره برداری بالاست. حال اگر به هر دلیلی توربین از مدار تولید خارج شود؛ ضروری است برای پیشگیری از خمش و لنگی محور توربین و حتی درگیری اجزای ثابت و متحرک با یکدیگر، چرخش آن را تا سرد شدن یکنواخت و رسیدن به دمای پایین(کمی بیشتر از دمای محیط) به وسیله موتور کمکی(ترنینگیر) ادامه داد. نکته بسیار مهم اینکه اگر در حین توقف واحد، موتور کمکی وارد مدار نشود؛ بایستی برای پیشگیری از خسارت های غیرقابل جبران به مجموعه ی توربوژنراتور و اجزای آن ها؛ محور را به وسیله اهرم دستی توسط بهره بردار چرخاند.

 

توربین های بخاریSteam turbines

     طبق تعریف، توربین بخاری وسیله ای است كه انرژی حرارتی موجود در بخار را با فشار و درجه حرارت زیاد به انرژی مكانیكی تبدیل می كند. یعنی بخار ضمن عبور از داخل یك یا چند شیپوره(پره های ثابت یا نازل باکسها)، دارای انرژی جنبشی می شود و سپس این بخار را كه دارای سرعت زیاد شده است بر روی پره هایی كه روی دیسکهای محور توربین نصب گردیده اند ، هدایت می كند و محور توربین را به چرخش در می آورد .

مانند سایر توربین ها، توربین بخاری نیز دارای محوری است كه بر روی یاتاقان های مربوطه نصب شده اند و به این طریق قادر به حركت دورانی است. در روی این محور صفحات مدوری(دیسك) قرار دارد که به محور محكم شده است و روی محیط این صفحات مدور یا دیسك ها ، پره های متعدد توربین( پره های متحرك) نصب گردیده اند .

 در جداره داخلی بدنه ثابت(سیلندر یا پوسته) توربین نیز به فواصل معینی پره های ثابت توربین نصب شده اند. بخار داغ ابتدا ازمیان پره های ثابت عبور می کند و فشار آن تبدیل به سرعت می شود. یعنی انرژی پتانسیل یا فشاری بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می نماید ، سپس بخار جدید که فشار آن تبدیل به سرعت گردیده است با پره های متحرک توربین برخوردمی کند و با انتقال انرژی جنبشی خود به پره ها ، موجب گردش پره ها و در نتیجه دیسک ها و محور می شود .

 طی این مراحل، انرژی حرارتی بخار به انرزی مکانیکی تبدیل می گردد و این کار را توربین بخاری انجام می دهد.

توربین های بخاری را می توان به گونه های مختلفی تقسیم بندی نمود که در ادامه به این موضوع  پرداخته می شود :

1- بر اساس تعداد مراحل یا طبقه های فشار

1-1- تعریف مرحله یا طبقه : تركیب یك ردیف پره های ثابت كه روی پوسته نصب می شود و یك ردیف پره های متحرك كه روی روتور جایگذاری می گردد به عنوان یك طبقه یا یك مرحله پره در توربین بخاری تعریف می شود

2-1-وظیفه پره های ثابت : كاربرد پره های ثابت دریك طبقه پره توربین باهدف تبدیل انرژی فشاری بخاربه انرژی سرعتی و اصلاح و بهینه سازی جهت بخار برای ورود مطلوب به پره های متحرك می باشد

3-1-وظیفه پره های متحرك : باتوجه به نصب پره های متحرك بر روی محور توربین، بخارپس ازخروج از پره های ثابت وارد پره های متحرك می گردد و درحین عبور از میان این پره ها انرژی سرعتی خود را به آن ها وارد نموده و باعث چرخش محور می شود

4-1- انواع

1-4-1- توربین های یك مرحله ای

2-4-1- توربین های دو مرحله ای

3-4-1- توربین های چند مرحله ای

 

2- بر اساس نحوه جریان ورود بخار به توربین

توربین های بخاری از لحاظ مسیر حرکت بخار نسبت به محور(در داخل توربین) به سه دسته جریان شعاعی، جریان محوری، جریان مماسی، تقسیم می گردند که تقریباْ تمامی توربین های بزرگ بخاری امروزی از نوع جریان محوری هستند.

1-2- جریان محوری (Axial flow turbine) :  در این توربین ها بخار در مسیر خط افقی و موازی با محور جریان می یابد و از لا به لای پره های ثابت و متحرك عبور نموده وانرژی خود را به پره ها و در نتیجه به روتور منتقل می كند. توربین های جریان محوری به علت بازده بسیار بالای شان حتی برای ایجاد توان های بسیاركم دركلیه توربین های صنعتی و موتورهای جت به كار گرفته می شوند. توربین های جریان محوری می توانند شامل یك یا چند مرحله باشند به طوری که هر مرحله شامل یك ردیف از پره های ثابت(نازل ها) و یك ردیف از پره های متحرك می باشند.

2-2- جریان شعاعی (flow turbineRadial ) : در این توربین ها بخار از قسمت  وسط و مركز دایره توربین وارد می شود و در جهت شعاع ازپره ها عبور کرده و انرژی خود رابه كارتبدیل می كند. توربین های جریان شعاعی  دارای دو محور هم راستا می باشند كه پره های هرردیف به تناوب روی این دو محور نصب شده اند.

 توربین های جریان شعاعی توربین هایی هستند که بر خلاف نوع رایج امروزی که جریان محوری است جریان بخار در داخل آن ها عمود بر محور یا شفت برقرار می گردد و در این راستا بخار، انرژی خود را به پره ها می دهد و از مرکز توربین دور  می شود. در حین دور شدن از محور، بخار به ردیف اول پره ها که در مسیرش قرار دارد برخورد می کند و در عین حال که انرژی درونی آن به انرژی جنبشی تبدیل می گردد(تبدیل فشار به سرعت) به آن پره ها نیرو وارد خواهد نمود و خودش هم به سمت پره های ردیف بعدی هدایت می شود. این روند تا انتهای توربین یعنی آخرین ردیف از پره ها ادامه می یابد و سپس بخار جمع می شود و از طریق یک لوله به خارج از توربین هدایت می گردد.گفتنی است که پره های توربین به صورت دایره روی روتور قرار دارند و برروی دو روتور هم راستا نصب شده اند و یک در میان ردیف ها متعلق به روتورها است یعنی بخار پس از برخورد با ردیف اول پره های روتور اول به سمت ردیف اول از روتور دوم می رود و به آن انرژی وارد می کند و سپس به سمت پره های ردیف دوم از روتور اول می رود و به همین صورت تا محیط بیرونی روتور و پره ها پیش می رود. بدیهی است دو روتور در اثر اعمال انرژی از بخار خلاف جهت یکدیگر می چرخند و بخار منبسط می گردد.

این نوع توربین های بخاری برای اولین بار توسط لیونگ استروم معرفی شد و سپس توسط استال دولاوال به تکامل رسید و به شکل کنونی اش گسترش یافت.

3-2- جریان مماسی (Tangential flow turbine): در این نوع  توربین ها بخار به وسیله نازل های متعددی تحت زوایای معینی نسبت به محور به صورت مماسی به پره های توربین برخورد می کند. این نوع توربین های بخاری دارای قدرت خروجی بالایی هستند ولی بازدهی آن ها پایین است و به همین دلیل از آن ها استفاده چندانی نمی شود.

 

3- بر اساس تعداد سیلندرها

در شرایطی كه بخار ورودی به توربین از لحاظ فشار، دما و انتالپی در شرایط بالا قراردارد، به علت طولانی شدن مجموعه توربین، تنها از یك سیلندر استفاده نمی گردد. زیرا زیاد بودن انبساط حرارتی در قطعات ریخته گری و یا آهنگری شده بزرگ و هم چنین گذر از سرعت های بحرانی تارسیدن به سرعت یا دور نامی ، باعث لنگی یا خمیدگی زیاد روتور می شود. به این ترتیب توربین را به صورت فشار قوی (HP )، فشار ضعیف (LP ) و یا حتی در صورت لزوم توربین  IPو LPرا نیز به دو یا چند سیلندر تقسیم می كنند.این عمل خاصیت مهم دیگری دارد كه به جای طرح یك توربین بزرگ با شرایط حرارتی و فشار بالا، از چند سیلندر استفاده می گردد كه به غیر از یك یا دو سیلندر، سیلندر دیگر در شرایط كاری ساده تر و در نتیجه هزینه ساخت پایین تر و بهره برداری راحت تر خواهد بود. هم چنین در توربین های عكس العملی (بازتابی) جهت تعادل نیروهای محوری می توان از طرح جریان متقابل بخار در توربین ها استفاده كرد و یا از توربین با دو جریان معكوس استفاده نمود. به ویژه برای واحدهای بزرگی كه خلاء كندانسور آن ها پایین است به ناچار برای جلوگیری از ازدیاد بیش از حد ابعاد توربین LP ، به صورت دو جریان معكوس طراحی و ساخته می شود. توربین های بزرگ را ممكن است به صورت دو محور طراحی نمود مخصوصاً به خاطر اشكالاتی كه از نظر حد مقاومت قطعات، افزایش زیاد سطح پره های نهایی، ازدیاد طول مجموعه توربوژنراتور به دلیل تعدد سیلندرها به وجود می آید، از توربین با دو محور استفاده می گردد.

سرعت دورانی توربین های بخاری معمولاً 3000 دور بر دقیقه است و برای ژنراتور چهار قطبی سرعت 1500rpm می گردد.

در نیروگاه های اتمی به علت پایین بودن شرایط بخار ورودی ( از لحاظ فشار و دمای بخار ورودی) به توربین ، ممكن است سرعت دورانی روتور یا محور 1500rpm باشد.

1-3- توربین های یك سیلندر: درنیروگاه های كوچك و با تولید كم ازتوربین های یك سیلندراستفاده می شود

2-3- توربین های دو یا چند سیلندر: معمولاً درنیروگاه های بزرگ به منظوركسب اهداف بهینه ی فنی واقتصادی از توربین های دو یا چند سیلندربهره گیری می شود.

 3-3- برتری های چند سیلندربودن توربین: ساخت راحت تر وارزان تر،بهره برداری آسان تر، نگهداری وتعمیر بهتر،حمل و نقل آسان تر،كنترل انبساط دقیق تر ،كاهش مشكلات لرزش پره های ردیف آخر با توجه به کوتاه شدن طول آن ها.

4- بر اساس میزان فشار بخار ورودی

1-4- توربین های فشار پایین (1.2-10at )

2-4- توربین های فشار متوسط (10-88at )

3-4- توربین های فشار بالا (88-242at )

4-4- توربین های فشار بسیار بالا (بالاتر از 242at )

5- براساس نوع طبقه

1-5- ضربه ای : درطبقه های این توربین ها  فشار بخار فقط در پره های ثابت آن كاهش می یابد و به انرژی سرعتی تبدیل می شود و در پره های متحرك هیچ گونه افت فشاری صورت نمی گیرد. از ویژگی های این پره ها  می توان به  برابری  زاویه ورود و خروج بخار، تلفات زیاد بخاردرپره های ثابت، عدم نیازبه آب بندی درنوك پره های متحرك اشاره نمود.

2-5- عكس العملی : در توربین های عكس العملی علاوه برافت فشاردر پره های ثابت كه انرژی فشاری به سرعتی تبدیل می شود، درپره های متحرك نیزفشاركاهش می یابدودرحین انبساط، باعث ایجاد نیرویی علاوه بر نیروی حاصل از ممنتم خواهدگردید. برخی از ویژگی های توربین عكس العملی عبارت است از: اختلاف زاویه ورود و خروج بخار به پره، وجود افت فشار در پره های ثابت و متحرك، نیاز به آب بندی نوك پره های ثابت و متحرك، بازدهی بالاترنسبت به نوع توربین ضربه ای .

3-5- تركیبی : درتوربین های امروزی تركیبی از پره های ضربه ای وعكس العملی(بازتابی) استفاده می شود. به این صورت كه در ابتدای توربین از یك طبقه ضربه ای و در طبقه های بعدی از پره های عكس العملی استفاده می گردد.

1-3-5- چرخ كورتیس

زمانی كه از چند گروه نازل ورودی و مجزا از هم در هدایت و كنترل جریان بخار به توربین استفاده شود در نتیجه بخار به صورت تدریجی جریان می یابد ، با این چند گروه نازل امكان كنترل توان خروجی توربین وجود دارد. در این حالت عموماً به عنوان طبقه اول از چرخ كورتیس استفاده می شود. این چرخ بر اساس فشار ثابت و با پره های ضربه ای طراحی می گردد. دلیل دیگر استفاده از چرخ كورتیس، كاهش فشار در ابتدای توربین و نهایتاً ساده تر شدن بقیه ی طراحی توربین می باشد.

 در طبقه اول عموماً از یك یا دو ردیف پره متحرك استفاده می شود. چرخ كورتیس با یك ردیف پره متحرك بر اساس فشار ثابت کارمی کند و به صورت ضربه ای نیرو به آن وارد می شود. این چرخ در مقایسه با سایر طبقه ها كه به دنبال آن قرار دارد، اغلب دارای قطر بزرگتری است تا از یك سو افت انتالپی بیشتری در آن به كار مفید قابل تبدیل شود و از طرف دیگر سطح مقطعی كافی برای قرار گرفتن نازل های ورودی و جدا كردن آن ها از یكدیگر امكان پذیر باشد. چرخ كنترل یا چرخ كورتیس با دو ردیف پره متحرك نیز بر اساس اصل فشار ثابت عمل می كند. در این جا هم در مقایسه با طبقه های بعدی قطر آن ها بیشتر می باشد.در شرایط سرعت خطی یكسان (یعنی قطر و سرعت دورانی مساوی)، چرخ كورتیس حتی تا چهار برابر افت انتالپی نسبت به چرخ كورتیس یك طبقه ای (كه اصطلاحاً به آن چرخ كنترل نیزمی گویند) می تواند داشته باشد. در چرخ كورتیس مهم ترین بخش افت انتالپی است كه در نازل ها صورت می گیرد. میزان افزایش سرعت در نازل‌های ورودی آن چنان است كه امکان دارد سرعت بخار خروجی از اولین ردیف پره متحرك باز هم قابل توجه باشد به طوری كه با یك تغییر جهت مناسب به آن توسط پره ثابت ، بتوان آن را دوباره وارد دومین پره متحرك نمود.

6- بر اساس نوع جریان

 زمانی كه كل دبی بخار در یك مسیر جریان یابد، توربین یك جریانه نامیده می شود در حالی كه اگر دبی بخار زیاد باشد با تقسیم آن به دو جریان، باز هم ابعاد پره ها معقول و كافی خواهد بود. در این حالت بخار در بخش میانی پوسته وارد می شود و سپس به دو قسمت تقسیم می گردد و در دو جهت جریان می یابد. با این عمل مشكل گرم شدن اجزای آب بندی كننده به دلیل این كه در دمای پایین تری هستند تا حدودی بر طرف خواهد شد و در نتیجه تلرانس های شعاعی كوچك تری می توان انتخاب نمود. علاوه بر این به خنثی كردن یا متعادل نمودن نیروی محوری نیازی نیست. در مورد توربین های فشار ضعیف با توجه به این كه از نظر سرعت جریان بخار و در نتیجه سطح مقطع خروجی محدود هستند عموماً ملزم به داشتن سیلندر یا سر سیلندرهای دو جریانه خواهند بود.

 در بعضی از توربین ها بخار می تواند ابتدا در بخش میانی پوسته وارد شود و در پوسته داخلی جریان یابد و در انتها پس از انجام كار به فضای بین پوسته داخلی و خارجی برگردد و تا انتها در توربین منبسط شود.

 این روش در مراحل راه اندازی و بارگیری موجب گرم شدن سریع پوسته می شود و تلرانس محوری را در پره ها و لابیرنت ها كاهش می دهد. علاوه بر آن به دلیل جریان سریع بخار در پوسته بیرونی بخش های بالایی و پایینی پوسته به طور یكسان گرم می شوند، هم چنین با استفاده از این روش در توربین های عكس العملی نیروی محوری را نیز متعادل می شود.

1-6- یك جریانه

2-6- دو جریانه

3-6- با جریان برگشت 

7- بر اساس سرعت روتور

1-7- مستقیم و با سرعت نامی 3000 دور در دقیقه

2-7- غیر مستقیم با استفاده از جعبه دنده تبدیل

8- بر اساس تعداد پوسته های هر سیلندر

1-8- توربین های یك پوسته

2-8- توربین های چند پوسته

 9- بر اساس فشار ورودی به توربین

1-9- توربین های فشار ثابت : در این روش فشار بخار ورودی به توربین همواره ثابت است

2-9- توربین های فشار متغیر: دراین توربین ها با تغییربار ، فشاربخار ورودی نیز تغییر می كند

10- بر اساس نوع كنترل جریان بخار در ورود به توربین

1-10- نازل كنترل : در این نوع روش كنترل بار ، شیرهای كنترلی توربین به صورت نوبتی باز و بسته می شوند

2-10- تروتل كنترل : در روش تروتل یاخفگی ، شیرهای كنترلی ورود بخار به توربین با هم باز و بسته می گردند

 

سیستم گاورنرGovernor system

مهمترين هدف سيستم قدرت، تامين توان مورد نياز مصرف­کنندگان در ولتاژ و فرکانس مناسب است. سيستم کنترل توربين (گاورنر) در يک واحد بخاري، يکي از دو حلقه کنترلي مهم نيروگاه است که وظيفه ثابت نگهداشتن فرکانس تحت اغتشاشات و تغييرات وارده به سيستم و همچنين تامين و توزيع بار در فرکانس ثابت را به­عهده دارد.در نيروگاه ­ها، كنترل توليد انرژی الکتریکی و فركانس با كمك سامانه ­ای به نام گاورنر انجام مي­شود. به طور کلی گاورنرها به دو نوع اساسی شامل مکانیکی و الکترونیکی تقسیم می شوند. در یک نيروگاه  بخاري، كنترل توليد و تعادل آن با مصرف، به وسیله ی تغييرحجم و يا تغيير انتالپي بخار ورودي به توربين انجام می­شود. اين عمل در نيروگاه گازي با تغيير ميزان سوخت ورودی و در واحدهاي آبي نيز با تغيير مقدار آب ورودي به توربين انجام می پذیرد. اهمیت گاورنر به این دلیل است که به طور مداوم عمل افزایش یا کاهش تولید و کنترل فرکانس توسط این دستگاه انجام می شود. مکانیزم به این صورت است که هنگام افزایش درخواست بار از طرف شبکه (مصرف کننده ها)، سرعت دورانی محور کاهش می یابد که این موضوع در گاورنرهای هیدرولیکی موجب جابه جایی پیستون در سیلندر خواهد شد و با مسدود شدن یا کاهش مسیر روغن خروجی، فشار روغن در مسیر شیرهای کنترل بخار ورودی به توربین افزایش می یابد. در نتیجه باعث باز شدن شیرها و وارد شدن بخار موردنیاز به توربین می گردد. با این کار از کاهش بیشتر دور توربین جلوگیری و تولید مورد درخواست شبکه(نیاز مصرف کننده ها) نیز فراهم می شود. در حالت کاهش مصرف برق(افزایش دور محور توربین یاافزایش فرکانس) نیز با همین مکانیزم اما برعکس، کنترل تولید و فرکانس انجام می شود.

توربین بخاریSteam turbine

     توربین بخاری، یک دستگاه مکانیکی است که انرژی حرارتی را از بخار تحت فشار دریافت و آن را به کار مکانیکی(جنبشی) تبدیل می کند. از آنجا که توربین باعث حرکت چرخشی می شود؛ به طور ویژه برای راندن ژنراتورهای الکتریکی مناسب است. آقای چارلز پارسونز اولین توربین مدرن را که یک توربین واکنشی بود؛ در سال 1884 اختراع کرد. او با یک دینام، هفت ونیم کیلو وات برق تولید کرد. در طول زندگی پارسونز، این ظرفیت تولید بیش از 10000 بار افزایش یافت.همان طور که از نام توربین بخاری بر می آید؛ توربین بخاری با بخار کار می کند؛ همان طور که توربین آبی با آب کار می کند. بخار با گذر از تیغه های توربین منبسط و سرد می شود و بخش زیادی از انرژی موجود خود را به تیغه ها وارد می نماید. این بخار به طور پیوسته حرکت می کند. بنابراین تیغه های بیشتری انرژی بالقوه بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می کنند. انرژی جنبشی بخار با برخورد به تیغه ها موجب گردش محور توربین می شود. محور توربین به محور یک ژنراتور متصل است؛ از این رو با چرخش روتور ژنراتور، برق تولید می گردد.

     توربین های بخاری از بخار با فشار بالا استفاده می کنند تا ژنراتورهای الکتریکی را در سرعت های فوق العاده بالا به گردش درآورند. به طوری که آن ها خیلی سریع تر از توربین های بادی یا آبی می چرخند. به عنوان مثال توربین بخاری نوع نیروگاهی سه هزار دور بر دقیقه(RPM) چرخش می کند که دویست مرتبه سریع تر از تیغه های بر روی توربین بادی معمولی می چرخد.
     در حالی که توربین های بخاری کارآمد هستند و می توانند به طور گسترده در بسیاری از کاربردهای گوناگون استفاده شوند؛ اما تولید بخار نیاز به منبع انرژی حرارتی دارد. توربین های بخاری معمولاً توسط سوخت های فسیلی مانند ذغال سنگ، گاز و مازوت طراحی و ساخته می شوند. انرژی هسته ای نیز یک منبع مشترک برای استفاده از موتورهای بخار است.

چرا بخار دارای انرژی زیادی است؟

     اگر آب و بخار در دمای یکسان باشند؛چرا بخار بیشتر آسیب می زند؟ زیرا بخار دارای انرژی بیشتری است. برای تبدیل یک کیلوگرم آب به دمای 100 درجه سانتی گراد به یک کیلو گرم بخار در همان دما، نیاز به حدود 2257 کیلووول انرژی دارد، این یک مقدار بسیار بالایی انرژی است! این چیزی است که ما آن را گرمای پنهان بخار آب می نامیم: این مقدار انرژی است که باید برای جدا کردن مولکول ها از یکدیگر مصرف شود تا مایع داغ جوش را به یک گاز داغ تبدیل کنید. پس چرا بخار بیشتر آسیب می زند؟ اگر 100 درجه سانتی گراد آب جوش به بدن ما برسد؛ آب را سرد می کند و گرما را از دست می دهد. در واقع این انرژی است که بدن را می سوزاند. این مقدار فوق العاده ای از انرژی گرمایی است که سوختگی بخار را بسیار جدی تر و دردناک تر از سوختن آب گرم می کند. از سوی دیگر، این انرژی پنهان در بخار است که آن را در موتورهای بخار و توربین بخار مفید است

 

عملکرد بخار در توربینSteam Performance in Turbine

بخار فوق داغ(سوپرهیت) در توربین های بخاری، دست کم دو وظیفه اصلی به عهده دارد. اول، با عبور بخار پرفشار از لابه لای پره های ثابت، انرژی فشاری آن به انرژی سرعتی تبدیل می شود و سپس با گذر از میان پره های متحرک توربین و برخورد به آن ها، موجب چرخش محور می گردد. دوم، عبور بخار از داخل سیلندر توربین، سبب خنک کاری پره های متحرک می شود زیرا اگر محور توربین به هر دلیلی بدون عبور بخار به چرخش درآید؛ باعث داغ شدن و سپس ذوب شدن پره ها می گردد. این پدیده در شرایطی خاص هم چون بسته شدن کنترل والوهای ورودی بخار به توربین در اثر حادثه و ترمز نشدن چرخش محور به وقوع می پیوندد.

توربین های ضربه ای

توربین های ضربه ای یا طبقات ضربه ای که ساختمان ساده ای دارند، عبارت از توربین های تک چرخانه ای یا چند چرخانه ای که پره های ضربه ای به آنها متصل می شوند. پره های ضربه ای را می توان از شکلشان تشخیص داد. این پره ها معمولا متقارن اند و اندازه ی زوایای ورودی و خروجی در آنها در حدود 20 درجه است. به خاطر اینکه معمولا در طبقات ورودی توربین بخار که فشار بالایی دارند از آنها استفاده می شود و چون در این طبقات حجم ویژه بخار کم است و مساحت سطح مقطع عبور جریان کوچکتری در مقایسه با طبقات فشار پایین مورد نیاز است، پره های ضربه ای کوتاه اند و مساحت سطح مقطع عبور جریان در آنها ثابت است. توربین پلتون نمونه ای از این توربین می باشد.

توربین ضربه ای تک طبقه: توربین ضربه ای تک طبقه که آن را با نام مخترعش توربین دولاوال نیز می نامند، شامل یک عدد چرخانه است که پره های ضربه ای به آن متصل می شوند. بخار از طریق یک یا چند عدد شیپوره همگرا-واگرا تغذیه  می شود، این شیپوره ها تمام پیرامون چرخانه را در بر نمی گیرند و از این رو در هر لحظه تنها بخشی از پره ها با بخار مواجه می شوند. همچنین با بستن یک یا چند شیپوره می توان توربین را کنترل کرد.

توربین های ضربه ای مرکب سرعتی:   

این توربین ها برای اولین بار توسط کورتیس پیشنهاد شد تا مسائلی که هنگام استفاده از بخار با فشار و دمای بالا در توربین ضربه ای تک طبقه به وجود می آمدند، حل شوند. توربین کورتیس مانند توربین تک طبقه است که از یک مرحله شیپوره تشکیل می شود و به دنبال آن به جای یک ردیف پره متحرک، دو ردیف پره قرار می گیرند. این دو ردیف به وسیله ی یک ردیف پره ثابت که به پوسته توربین متصل هستند، از هم جدا می شوند. وظیفه پره های ثابت تنها هدایت بخار خروجی  از ردیف اول پره های متحرک به ردیف دوم این پره ها است.

توربین ضربه ای مرکب فشاری:

برای بر طرف کردن مساله سرعت بالای پره در یک توربین ضربه ای تک طبقه، می توان کل افت آنتالپی را به آسانی و تقریبا به تساوی بین شیپوره های چندین طبقه ی ضربه ای  که به طور متوالی قرار می گیرند، تقسیم کرد. چنین توربینی را به نام مخترعش توربین راتو می نامند. از این رو سرعت بخار ورودی به هر طبقه اساسا با هم مساوی  و مقدار آن متناسب با تغییرات آنتالپی می با شد.

توربین عکس العملی

طرز کار توربین های عکس العملی در اصل به وسیله پارسونز اختراع شد. این توربین از سه طبقه که  هر کدام شامل یک ردیف پره ثابت و یک ردیف پره متحرک است، تشکیل می شود. پره های ثابت طوری طراحی می شوند که مجرای بین آنها به صورت یک شیپوره در می آید. پره های متحرک توربین عکس العملی  از این جهت به آسانی از پره های متحرک توربین ضربه ای متمایزند که متقارن نیستند و چون مثل شیپوره عمل می کنند، شکلی همانند پره های ثابت دارند هرچند که انحنای آنها در جهت مخالف است. از جمله این توربین ها می توان به توربین های کاپلان و فرانسیس اشاره کرد.