التوربينات الغازية مقابل التوربينات البخارية
التوربينات هي فئة من الآلات التوربينية تستخدم لتحويل الطاقة في سائل متدفق إلى طاقة ميكانيكية باستخدام آليات الدوار. تعمل التوربينات بشكل عام على تحويل الطاقة الحرارية أو الحركية للسائل إلى عمل. التوربينات الغازية والتوربينات البخارية هي آلات توربينية حرارية ، حيث يتم إنشاء العمل من تغيير المحتوى الحراري لسائل العمل ؛ أي يتم تحويل الطاقة الكامنة للسائل على شكل ضغط إلى طاقة ميكانيكية.
بناءً على اتجاه توربينات تدفق السوائل يتم تصنيفها إلى توربينات التدفق المحوري والتوربينات ذات التدفق الشعاعي.من الناحية الفنية ، يعتبر التوربين موسعًا ، والذي يوفر ناتجًا ميكانيكيًا عن طريق انخفاض الضغط ، وهي العملية المعاكسة للضاغط. تركز هذه المقالة على نوع التوربينات ذات التدفق المحوري ، وهو أكثر شيوعًا في العديد من التطبيقات الهندسية.
تم تصميم الهيكل الأساسي لتوربينات التدفق المحوري للسماح بالتدفق المستمر للسائل أثناء استخراج الطاقة. في التوربينات الحرارية ، يتم توجيه مائع العمل عند درجة حرارة عالية وضغط من خلال سلسلة من الدوارات تتكون من شفرات بزاوية مثبتة على قرص دوار متصل بالعمود. بين كل قرص دوار ، يتم تثبيت ريش ثابتة ، والتي تعمل بمثابة فوهات وتوجيهات لتدفق السوائل.
المزيد عن التوربينات البخارية
على الرغم من استخدام مفهوم استخدام البخار للقيام بالأعمال الميكانيكية لفترة طويلة ، فقد صمم المهندس الإنجليزي السير تشارلز بارسونز التوربينات البخارية الحديثة في عام 1884.
التوربينات البخارية تستخدم البخار المضغوط من المرجل كسائل عامل.يفقد البخار المحمص الذي يدخل التوربين ضغطه (المحتوى الحراري) الذي يتحرك عبر شفرات الدوارات ، وتقوم الدوارات بتحريك العمود الذي تتصل به. توفر التوربينات البخارية الطاقة بمعدل سلس وثابت ، وتكون الكفاءة الحرارية للتوربينات البخارية أعلى من تلك الخاصة بالمحرك الترددي. تشغيل التوربينات البخارية هو الأمثل في حالات RPM العالية.
بشكل صارم ، التوربين هو مكون واحد فقط من العملية الدورية المستخدمة لتوليد الطاقة ، والتي تم تصميمها بشكل مثالي بواسطة دورة رانكين. الغلايات والمبادلات الحرارية والمضخات والمكثفات هي أيضًا مكونات للعملية ولكنها ليست جزءًا من التوربين.
في العصر الحديث ، الاستخدام الأساسي للتوربينات البخارية هو لتوليد الطاقة الكهربائية ، ولكن في أوائل القرن العشرين ، تم استخدام التوربينات البخارية كمحطة لتوليد الطاقة للسفن ومحركات القاطرات. كاستثناء ، في بعض أنظمة الدفع البحرية حيث تكون محركات الديزل غير عملية ، مثل حاملات الطائرات والغواصات ، لا تزال المحركات البخارية مستخدمة.
المزيد عن التوربينات الغازية
المحرك التوربيني الغازي أو التوربينات الغازية ببساطة محرك احتراق داخلي ، يستخدم الغازات مثل الهواء مثل سائل العمل. يتم تصميم الجانب الديناميكي الحراري لتشغيل التوربينات الغازية بشكل مثالي من خلال دورة برايتون.
محرك توربيني غازي ، على عكس التوربينات البخارية ، يتكون من عدة مكونات رئيسية ؛ هذه هي الضاغط وغرفة الاحتراق والتوربين ، والتي يتم تجميعها على طول عمود الدوران ، لأداء مهام مختلفة لمحرك الاحتراق الداخلي. يتم ضغط مدخل الغاز أولاً باستخدام ضاغط محوري ؛ الذي يؤدي بالضبط عكس التوربينات البسيطة. ثم يتم توجيه الغاز المضغوط من خلال ناشر (فوهة متباينة) ، حيث يفقد الغاز سرعته ، لكنه يزيد درجة الحرارة والضغط أكثر.
في المرحلة التالية ، يدخل الغاز إلى غرفة الاحتراق حيث يتم خلط الوقود بالغاز وإشعاله. نتيجة للاحتراق ، ترتفع درجة حرارة الغاز وضغطه إلى مستوى عالٍ بشكل لا يصدق.ثم يمر هذا الغاز عبر قسم التوربين ، وعند المرور ينتج حركة دورانية إلى العمود. ينتج عن التوربينات الغازية ذات الحجم المتوسط معدلات دوران رمزية تصل إلى 10000 دورة في الدقيقة ، بينما قد تنتج التوربينات الأصغر حجمًا 5 أضعاف.
يمكن استخدام توربينات الغاز لإنتاج عزم الدوران (بواسطة عمود الدوران) ، أو الدفع (بواسطة عادم الغاز عالي السرعة) ، أو كليهما معًا. في الحالة الأولى ، كما هو الحال في التوربين البخاري ، يكون العمل الميكانيكي الذي يوفره العمود مجرد تحويل للمحتوى الحراري (الضغط) لغاز الضغط ودرجة الحرارة المرتفعة. يستخدم جزء من عمل العمود لدفع الضاغط من خلال آلية داخلية. يستخدم هذا الشكل من التوربينات الغازية بشكل أساسي لتوليد الطاقة الكهربائية وكمحطات طاقة للمركبات مثل الخزانات وحتى السيارات. يستخدم خزان الولايات المتحدة M1 Abrams محرك توربيني غازي كمحطة للطاقة.
في الحالة الثانية ، يتم توجيه غاز الضغط العالي عبر فوهة متقاربة لزيادة السرعة ، ويتم توليد الدفع بواسطة غاز العادم.غالبًا ما يُطلق على هذا النوع من التوربينات الغازية اسم المحرك النفاث أو المحرك التوربيني النفاث ، والذي يعمل على تشغيل الطائرات المقاتلة العسكرية. المروحة التوربينية هي البديل المتقدم لما ورد أعلاه ، ويتم استخدام مزيج من الدفع وتوليد العمل في المحركات التوربينية ، حيث يتم استخدام عمل العمود لقيادة المروحة.
هناك العديد من أنواع التوربينات الغازية المصممة لأداء مهام محددة. إنها مفضلة على المحركات الأخرى (المحركات الترددية بشكل أساسي) نظرًا لنسبة القوة إلى الوزن العالية ، والاهتزاز الأقل ، وسرعة التشغيل العالية ، والموثوقية. يتم تبديد الحرارة المهدرة بالكامل تقريبًا مثل العادم. في توليد الطاقة الكهربائية ، تُستخدم هذه الطاقة الحرارية المهدرة لغلي الماء لتشغيل التوربينات البخارية. تُعرف العملية باسم توليد الطاقة بالدورة المركبة.
ما الفرق بين التوربينات البخارية والتوربينات الغازية؟
• تستخدم التوربينات البخارية بخارًا عالي الضغط كسائل عمل ، بينما تستخدم التوربينات الغازية الهواء أو بعض الغازات الأخرى كسائل عمل.
• التوربينات البخارية هي في الأساس موسع يوفر عزم الدوران كناتج العمل ، بينما التوربينات الغازية عبارة عن جهاز مدمج من ضاغط وغرفة احتراق وتوربين ينفذ عملية دورية لتقديم العمل إما كعزم دوران أو قوة دفع.
• التوربينات البخارية ليست سوى مكون ينفذ خطوة واحدة من دورة رانكين ، بينما ينفذ محرك التوربينات الغازية دورة برايتون بأكملها.
• يمكن أن توفر توربينات الغاز إما عزمًا أو قوة دفع كناتج عمل ، بينما توفر التوربينات البخارية في جميع الأوقات تقريبًا عزمًا كناتج عمل.
• كفاءة التوربينات الغازية أعلى بكثير من التوربينات البخارية بسبب ارتفاع درجات حرارة تشغيل التوربينات الغازية. (توربينات الغاز ~ 1500 درجة مئوية والتوربينات البخارية ~ 550 درجة مئوية)
• المساحة المطلوبة للتوربينات الغازية أقل بكثير من تشغيل التوربينات البخارية ، لأن التوربينات البخارية تتطلب غلايات ومبادلات حرارية ، والتي يجب توصيلها خارجيًا لإضافة الحرارة.
• تعد توربينات الغاز أكثر تنوعًا ، لأنه يمكن استخدام العديد من أنواع الوقود ، كما أن السوائل العاملة ، التي يجب تغذيتها باستمرار ، متوفرة بسهولة في كل مكان (الهواء). من ناحية أخرى ، تتطلب التوربينات البخارية كميات كبيرة من الماء للتشغيل وتميل إلى التسبب في مشاكل في درجات الحرارة المنخفضة بسبب الجليد.
