علوم مهندسی مکانیک - توربین های بخار

توربین‌های بخار مورد استفاده در صنایع، اندازه‌های مختلفی دارند، بطور كلی این تجهیزات توانایی تولید توان‌هایی از چند اسب بخار تا مقادیر بیشتر از 1300 مگاوات را نیز دارا می‌باشند. غالباً از انواع بزرگ آن‌ها، در نیروگاه‌های تولید برق برای به حركت درآوردن ژنراتورهای الكتریكی، و از انواع كوچك‌تر آنها در صنایع فرایندی مانند نفت، گاز و پتروشیمی به منظور تامین‌ نیروی محركه تجهیزاتی چون پمپ، كمپرسور، فن‌ها و غیره بطور نسبتاً وسیعی استفاده می‌گردد.

توربین‌های بخار انواع مختلفی دارند كه عموماً بر اساس معیارهای خاصی طبقه بندی می‌گردند، این معیارها عبارتند از:

1-بر اساس تعداد مراحل كه توربین‌ها به انواع تك یا چندمرحله‌ای تقسیم بندی می گردند.

2-بر اساس نحوه عملكرد كه دو نوع ضربه‌ای و عكس العملی می‌باشند

3-بر اساس نوع پوسته كه توربین‌های تك یا چند پوسته‌ای وجود دارند

4-بر اساس نوع شفت و آرایش شفت می‌توان توربین‌ها را به انواع tandem و cross compound? تقسیم‌بندی نمود.

5-بر اساس جهت جریان سیال می‌توان توربین‌ها را به انواع جریان محوری (Axial Flow)، جریان شعاعی (Radial Flow) و جریان مماسی (Tangential Flow) تقسیم‌بندی نمود.

6-بر اساس نحوه ورود بخار و شرایط بخار خروجی توربین‌ها دارای انواع condensing، non-condensing یا Back Pressure، mixed pressure و reheat تقسیم‌بندی می‌گردند.

در حالت كلی، جریان بخار تولید شده در بویلر، در ابتدا و با توجه به نوع و اندازه توربین، از یك تا تعدادی throttle valve و governor valve عبور كرده و پس از آن وارد توربین بخار می‌شود. عموماً این جریان بخار ورودی، دارای فشار و دمای بالایی است و از طریق دو خط لوله و از دو سمت، وارد توربین می‌گردد.

اگر جریان بخار ورودی از این دو سمت، مستقیماً با پره‌های توربین برخورد نماید، به دلیل عدم یكنواختی در فشارهای وارد شده به پره‌ها، ممكن است سبب ایجاد عدم تعادل (Unbalance) در پره‌های توربین گردد. برای جلوگیری از این مشكل، بخار پس از ورود به توربین باید به نحوی پخش شده و به شكل جریان‌هایی یكنواخت درآید و نهایتاً بطور یكسان به تمام سطوح پره‌های نصب شده بر روی روتور برخورد نماید. از اینرو قبل از پره‌های توربین جریان بخار پرفشار به ترتیب از اجزائی به نام محفظه بخار (steam chest) و چرخ کورتیس عبور می‌نماید. لازم به ذكر است محفظه بخار در حقیقت محفظه ورودی بخار به Governor Valve (ها) و چرخ كورتیس نیز در اصل یك مرحله از توربین بوده كه بخار پرفشار پس از برخورد به آن به حالت یكنواخت در می آید و پس از آن وارد مراحل بعدی توربین می‌گردد.

در داخل توربین، ابتدا بخار با پره‌های ثابت یا نازل‌ها برخورد كرده و بدین ترتیب جریان بخار انبساط شده و سرعت آن نیز افزایش می‌‌یابد. همچنین این پره‌ها جهت جریان بخار را برای ورود به پره‌های متحرك، تصحیح می‌نمایند. در ادامه، جریان بخار خروجی از پره‌های ثابت، با انرژی جنبشی بالا و جهت مناسب، با پره‌های متحرك برخورد كرده و سبب حركت آنها می‌شود. با توجه به اتصال پره‌ها به شفت، این برخورد سبب دوران شفت نیز خواهد شد. حركت دورانی شفت به مفهوم انجام كار مكانیكی می‌باشد. با متصل نمودن محور توربین به محور ژنراتور، کمپرسور و یا پمپ می‌توان انرژی الکتریکی یا کار مکانیکی مورد نیاز این تجهیزات را تامین نمود.

به مجموعه یك ردیف پره ثابت و یك ردیف پره متحرك، اصطلاحاً یك مرحله از توربین گفته می‌شود. عموماً توربین‌های صنعتی شامل چندین مرحله از این پره‌های ثابت و متحرك می‌باشند. در توربین‌های چند مرحله‌ای، بخار پس از عبور از مرحله اول، وارد دومین مرحله شده كه مستقیماً پس از مرحله اول قرار دارد. این روند عبور بخار تا مرحله آخر توربین و بطور پشت‌سرهم ادامه دارد.

بر اثر عبور جریان بخار از مراحل توربین، در سه جهت مماسی، محوری و شعاعی به روتور نیرو وارد می‌گردد. این نیروها سبب خواهند شد تا شفت یا روتور از محل استقرار خود جابجا شود، برای حفظ استقرار روتور، از اجزائی به نام یاتاقان‌ كه شفت را نگه می‌دارند، استفاده می‌گردد. این یاتاقان‌ها می‌توانند تا محدوده خاصی نیروهای وارد شده به شفت را خنثی نمایند، در صورتیكه مقدار این نیروها، از مقدار مجاز قابل تحمل یاتاقان‌ها بیشتر گردد، شفت یا روتور از محل استقرار خود خارج خواهد شد كه سبب بروز صدمات و مشكلات جدی به توربین می‌شود.

همچنین اجزائی دیگر چون روتور، سیستم‌های آب‌بندی، یاتاقانها و غیره نیز در داخل Casing قرار دارند.

این پوسته معمولاً به شكل دو تکه است که بوسیله پیچ و مهره به یکدیگر متصل شده‌ا‌ند. از آنجایی كه بخار ورودی به توربین، دارای فشار بالایی می‌باشد، این پوسته را معمولاً کم حجم و ضخیم می‌سازند. همچنین مجاری خاصی جهت هدایت بخار و تخلیه آب کندانس شده اضافی در پوسته به نام Drain وجود دارد.

با توجه به شكل پره‌های متحرك، دو مكانیزم مختلف شامل مكانیزم‌های عكس‌العملی و ضربه‌ای سبب تبدیل انرژی جنبشی به انرژی مكانیكی می‌گردند.

بطور كلی نیروگاه‌های بخار در یك سیكل كار می‌كنند. به این مفهوم كه سیال عامل پس از عبور از یك سری مراحل پشت سر هم و رسیدن به مرحله آخر، مجدداً وارد مرحله اول می‌گردد. به عبارت دیگر، تركیب و شرایط سیال عامل در خروجی از مرحله آخر با ورودی به مرحله اول یكسان می‌باشد. عموماً در نیروگاههای بخار از سیكل‌های مختلف چون سیكل ساده، كامل و تركیبی استفاده می‌گردد. سیكل‌های ساده و كامل در توربین‌های بخار كوچك‌تر و متوسط كه در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی كاربرد بیشتری دارند، از اهمیت بیشتری برخوردار هستند، بطور كلی این سیكل شامل 4 مرحله بصورت زیر می‌باشد:

1- مرحله فشرده‌سازی (پمپ تغذیه بویلر)

2- مرحله گرما دادن (بویلر)

3- مرحله انبساط (توربین)

4- مرحله سردكردن (كندانسور)

علوم مهندسی مکانیک - توربین های بخار...