التوربينات وظيفتها وانواعها

بسم الله الرحمن الرحيم 

الحمد لله والصلاه والسلام على أشرف الانبياء والمرسليم اما بعد:

العَنَفَة  أو التوربين أو التوربينة أو التربين أو التربينة جهاز ذو عضو دوّار، يديره سائل أو غاز متحرّك، مثل الماء والبخار والغاز والهواء. تغير العنفة الطاقة الحركيّة لسائل إلى نوع خاص من الطّاقة الحركيّة وهي طاقة الدّوران التي تُستخدم لتحريك الآلات. توصّل العنفة الطّاقة الميكانيكية إلى الآلات الأخرى عن طريق دوران المحور الدّوار. توفّر العنفة الطّاقة لآلات مختلفة، منها المولّدات الكهربائيّة ومضخات الماء. وفي الواقع، تنتج المولّدات التي تحرّكها عنفات معظم الكهرباءالمستخدمة في إضاءة المنازل وتشغيل المصانع. وتؤدي العنفات التي تُشغّل مضخّات الماء دورًا مهمًّا في مشاريع الرّي في جميع أنحاء العالم. وتستخدم العنفات كذلك لتدوير مراوح السّفن، وتُعدُّ جزءًا مهمًّا في محرّك الطّائرة الّنفّاثة. ولها تُحرق أنواعٌ من الوقود مثل الزّيت والغاز الطبيعي. فبدلًا من استخدام الحرارة لإنتاج البخار ـ كما في عنفات البخار ـ فإن عنفات الغاز تستخدم الغازات الساخنة مباشرة. وتُستخدم عنفات الغاز لتشغيل المولّدات الكهربائيّة، والسفن، وسيّارات السباق، كما تستخدم في محركات الطائرة النفاثة.



أنواع التوربينات:

تُقَسّم التوربينات أحيانًا حسب طريقة تشغيلها. وتشغل جميع التوربينات بالدّفع أو بردّ الفعل، أو بهما معًا. ففي توربين الدّفع تجعل قوّة السائل سريع الحركة عند ارتطامه بالريشات، العضو الدّوار يدور. وفي توربين رد الفعل، يدور العضو الدّوار نتيجة لضغط السّائل على الريشات.

يعتمد التّقسيم المعهود للتوربينات على نوع السّائل الذي يُديرها؛ وطبقًا لهذا التقسيم، هنالك أربعة أنواع من التوربينات: 1- التوربين المائي 2- التوربين البخاري 3- التوربين الغازي 4- التوربين الهوائي.

التوربين المائي

يديره الماء السّاقط من مكان مرتفع عبر أنبوب أو أي قناة أخرى. توربين بلتون المبين في الشكل يدير مولدًا كهربائيًا في مصنع للورق. التوربين المائي. يسمّى كذلك التوربين الهيدرولي. معظم التوربينات المائية تديرها شلاّلات مائية أو مياه مخزّنة خلف سدود. وتستخدم هذه التوربينات في تشغيل مولّدات كهربائية في محطّات القدرة الكهرومائية.

وهناك ثلاثة أنواع رئيسيّة من التوربينات المائية: 1- عجلة بلتون 2- توربين فرانسيس 3- توربين كابلن. ويعتمد نوع التوربين المستخدم في أي مصنع على ارتفاع الضّغط الموجود. وارتفاع الضّغط هو المسافة التي تسقطها المياه قبل أن ترتطم بالتوربين. ويتدرج ارتفاع الضغط من حوالي مترين ونصف المتر إلى أكثر من 300م.

• عجلة بلتون

هي التوربين الذي يعمل بالدّفع ويُستخدم عندما يكون ارتفاع الضّغط أكثر من 300م. يتكوّن العضو الدّوار في عجلة بلتون من عجلة واحدة فقط مركّبة على محور أفقي. وهذه العجلة فيها سطول على شكل أكواب على حافتها الخارجيّة. ويسقط الماء من بحيرة أو خزّان على التوربين من خلال أنبوب طويل يسمّى البربخ. وتزيد الصّنابير ـ وعددها من واحد إلى سِتّة ـ والموجودة في نهاية القناة، من سرعة تدفّق الماء، وتوجّه الماء إلى السّطول، فتدير قوة هذه النوافير المائية عالية السّرعة العجلة.

• توربين فرانسيس

يُستخدم هذا التوربين عندما يكون ارتفاع الضغط بين 30م و 300م. ويحيط غلاف بالدوّار في توربين فرانسيس، وتوجد في عجلته 24 ريشة منحنية، ويكون محور العجلة عموديًا. وتعمل عجلة توربين فرانسيس تحت الماء. ويحيط بهذه العجلة طوق من ريشات التوجيه التي تُفتََحُ وتُغلَقُ للتحكم في كمية الماء الداخلة على العجلة. وتعمل الفراغات بين الريش كصنابير لتوجيه الماء إلى مركز العجلة، ويدور العضو الدّوار أساسًا بفعل ضغط الماء المندفع.

• توربين كابلن

يستخدم هذا التوربين لارتفاع ضغط أقل من 30م. وخير مثال على العضو الدّوار في توربين كابلن هو مروحة السّفينة. وتوجد في توربين كابلن من ثلاث إلى ثماني ريشات مثبّتة في محور عمودي. وتشبه طريقة عمل توربين كابلن إلى حد كبير طريقة عمل توربين فرانسيس، فكلاهما يعمل بردّ الفعل.

 التوربين البخاري Steam Turbine 
 
ويطلق اسم العنفة على التوربين , والتوربينات البخارية من أهم أنواع التوربينات التي تستخدم في محطات توليد الطاقة الكهربائية ،فهي تشغِّل المولدات الكهربائيّة في معظم محطّات القدرة، وتشغّل كذلك السّفن والآلات الثّقيلة.  وتُعدُّ التوربينات البخارية ذات المراحل المتعدّدة من أقوى المحرّكات في العالم، حيث تنتج بعض التوربينات البخاريّة طاقة مقدارها حوالي 750 مليون واط. تعمل التوربينات البخارية بالبخار. وفي معظم الحالات، ينتج البخار عن طريق تسخين الماء في غلاّية وقودها من الفحم الحجري، أو الزيت أو الغاز الطبيعي. أما في محطّات القدرة النّووية فتحّول الحرارة الناتجة عن انشطار الذّرة في المفاعل النووي الماء إلى بخار. يدخل البخار إلى التوربين ودرجة حرارته مرتفعة جدًّا تصل إلى 650°م وضغطه مرتفع يصل إلى 250كجم/سم². ويندفع هذا البخار المضغوط عبر التوربين، جاعلاً عجلات التوربين تدور بسرعة.

مكونات توربين بخاريتقسم التوربينات حسب الطريقة التي يوجه بها البخار إلى ريشBlades الجزء الدوار وتقسم إلى قسمين:

•   توربينات دفعية.  
•   توربينات تعمل برد الفعل.

في التوربين الدفعي البسيط يركب عدد من العجلات التي تحمل كل منها صف من الريش بطول محيطها, على عامود واحد مشترك. ويوجد أمام كل عجلة قرص معدني ساكن, به فتحات تعمل بمثابةفوهات لتوجيه منافث البخار إلى الريش, وبعد مرور البخار إلى الريش العجلة الأولى فإنه بواسطة مجموعة أخرى من الفوهات إلى المجموعة الثانية, وهكذا خلال المراحل المتتالية, حتى تستنفذ كل الطاقة النافعة بالبخار. في التوربين الذي يعمل برد الفعل فتستبدل بالفوهات حلقات من الريش الساكنة تتخلل صفوف الريش المتحركة, ويمكن الحصول على القدرة (القوى المتحركة) بتأثير رد الفعل الناشيء من البخار نتيجة لمروره بين الريش المتحركة والساكنة.  
نظرا لان البخار يفقد بعضا من قوته بعد مروره بكل حلقة من الحلقات ذات الريش, لذا فأن هذه الحلقات تصنع بأقطار متدرجة في الكبر حتى يمكن الحصول على أقصى جهد ممكن من البخار الذي ينخفض ضغطه بعد كل مرحلة.

التوربين الغازي (Gas Turbine)

لهذا النوع من التوربينات استخدامات كثيرة فهو يستخدم في الطائرات ذات الدفع النفاث ووسائط النقل البحري والبري إضافة لاستخدامه في محطات توليد الطاقة الكهربائية وخصوصا في تجاوز ساعات الذروة. من مزاياه سرعة التشغيل (بعكس التوربين البخاري الذي يحتاج إلى ترتيبات وتحضير أولي). يعمل التوربين الغازي على أنواع كثيرة من الوقود, فهو يعمل على الغاز الطبيعي (Natural Gas) وعلى السولار والجازولين وحتى على النفط الخام (مع بعض الإضافات الكيمياوية والترتيبات). من عيوب التوربين الغازي هو انخفاض كفاءته (Efficiency) حيث تتراوح بين 15 و 25% وتتأثر كثيرا بدرجة حرارة المحيط (درجة حرارة الجو), كما أن عمرها التشغيلي قصير نسبيا وتستهلك كمية اكبر من الوقود (بالمقارنة مع محطات البخارية).

يتكون التوربين الغازي من الأجزاء الرئيسية التالية:

• ضاغط الهواء (The AirCompressor)

 يقوم بأخذ الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه إلى عشرات الضغوط الجوية.  

• غرفة الاحتراق (The Combustion Chamber)

فيها يختلط الهواء المضغوط الآتي من ضاغطة الهواء مع الوقود ويحترقان معا بواسطة وسائل خاصة بالاشتعال, وتكون نواتج الاحتراق من غازات مختلفة وعلى درجات حرارة عالية وضغط مرتفع.  

• التوربين (The Turbine)

ويكون محوره أفقي مربوط من ناحية مع محور ضاغطة الهواء مباشرة ومن ناحية أخرى مع الحمل الميكانيكي المراد تدويره (كأن يكون مولد كهربائي مثلا) ومن خلال صندوق تروس (Gear Box) لخفض السرعة لأن سرعة دوران التوربين تكون عالية جدا.  تدخل الغازات الناتجة عن الاحتراق في التوربين فتصطدم بريشه الكثيرة العدد ثم إلى مدخنة.
 تحتاج التوربينات الغازية لتشغيلها بأمان وسلامة إلى بعض المعدات والآلات المساعدة (Auxiliaries) على النحو التالي:

• مصافي الهواء قبل دخوله إلى ضاغطة الهواء.  
• مساعد التشغيل الأولي أي (بادئ تشغيل Starter), وهو إما محرك كهربائي أو محرك ديزل.  
• وسائل أو منظومة للإشعال.  
• منظومة تبريد.  
• منظومة سيطرة ومعدات قياس الحرارة والضغط في كل مرحلة من مراحل العمل

التوربين الهوائي AirTurbine

وهذ الأنواع من التوربينات مشهورة باسم الطواحين الهوائية، التي تعمل بطاقة الرياح. طوّرت هذه التوربينات قبل حوالي 1,300 سنة، وكان استخدامها الرئيسي في الماضي هو طحن الحبوب وضخ الماء.  وفي نهاية القرن الثّامن عشر الميلادي كان استخدام الطواحين الهوائية قد انتشر في بلدان كثيرة في جميع أنحاء العالم. وفي القرن التاسع عشر الميلادي، بدأ في بعض البلدان استبدال توربينات مغلفة ذات فعاليّه أفضل. وخلال السبعينيات من القرن العشرين، أدى نقصان النفط إلى زيادة الرغبة في استخدام التوربينات الهوائية لتوليد الكهرباء.