توربین ضربه‌ای

توربین بخار ضربه‌ای

توربین بخار ضربه‌ای، که به عنوان توربین نوع ضربه‌ای نیز شناخته می‌شود، نوعی ماشین حرارتی است که برای چرخاندن روتور به جت‌های بخار با سرعت بالا که به پره‌ها برخورد می‌کنند، متکی است. ارزش اصلی آن در تبدیل کارآمد انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی نهفته است و آن را به یک تجهیز کلیدی در تولید انرژی حرارتی مدرن، تولید انرژی هسته‌ای، نیروی محرکه کشتی و سایر زمینه‌ها تبدیل می‌کند. سناریوهای کاربردی آن، تامین انرژی و نیازهای محرکه نیرو را در صنایع مختلف پوشش می‌دهد.

اصل کار اصلی

اصل کار یک توربین بخار ضربه‌ای بر اساس قانون ضربه نیوتن است. فرآیند تبدیل انرژی متمرکز و کارآمد است و گردش کار اصلی به دو مرحله تقسیم می‌شود: ابتدا، بخار وارد نازل‌های ثابت شده و منبسط می‌شود، انرژی حرارتی خود را شتاب داده و به انرژی جنبشی با سرعت بالا تبدیل می‌کند و یک جت بخار با نیروی ضربه کافی تشکیل می‌دهد. متعاقباً، این جت بخار با سرعت بالا به پره‌های متحرک نصب شده روی روتور در یک زاویه خاص ضربه می‌زند و انرژی جنبشی را به پره‌ها منتقل می‌کند و در نتیجه چرخ توربین و شفت اصلی را برای چرخش و تولید کار مکانیکی به بیرون می‌راند.

ویژگی متمایز آن این است که فرآیند انبساط بخار و بخش عمده افت فشار عمدتاً در داخل نازل‌ها رخ می‌دهد. فشار بخار در مجاری پره‌های متحرک اساساً ثابت می‌ماند. پره‌های متحرک به عنوان اجزای غیرفعال دریافت کننده نیرو عمل می‌کنند و ضربه جت بخار را دریافت می‌کنند تا انتقال انرژی جنبشی به انرژی مکانیکی را تسهیل کنند.

ویژگی‌های اصلی

۱. فرآیند انبساط متمرکز: بخش عمده افت فشار بخار و کار انبساط در نازل‌ها رخ می‌دهد. پره‌های متحرک عمدتاً برای انتقال انرژی جنبشی عمل می‌کنند و در فرآیند انبساط اصلی بخار شرکت نمی‌کنند.

۲. توان حاصل از نیروی ضربه: نیروی محرکه اصلی برای چرخش روتور از برخورد آنی جت بخار با سرعت بالا به پره‌های متحرک ناشی می‌شود. روش انتقال انرژی مشابه انتقال نیروی آنی در لگد زدن به توپ فوتبال است. راندمان ضربه مستقیماً بر عملکرد کلی واحد تأثیر می‌گذارد.

۳. طراحی ساختاری ساده: پره‌های متحرک اغلب از طرح‌های سطلی شکل یا صفحه تخت استفاده می‌کنند که دارای اشکال منظمی هستند که ساخت آنها آسان است. ساختار کلی نسبتاً ساده است، نیازی به پوشش‌های پیچیده ندارد و به طور قابل توجهی راحتی نگهداری بعدی را بهبود می‌بخشد.

۴. سازگاری با عملیات پرسرعت: راندمان تک مرحله‌ای نسبتاً بالا است و تلفات خروجی نسبتاً کم است. این امر آن را برای طرح‌های سری چند مرحله‌ای بسیار مناسب می‌کند. راندمان کل واحد را می‌توان از طریق برهم‌نهی انرژی چند مرحله‌ای، با تطبیق با الزامات عملیاتی پرسرعت، به طور مؤثر افزایش داد.

ویژگی‌های ساختاری و عملکردی

(۱) اجزای سازه‌ای اصلی

این واحد عمدتاً از اجزای کلیدی مانند نازل‌ها، دیافراگم‌ها، پره‌های متحرک، چرخ‌های توربین و سیلندر تشکیل شده است: نازل‌ها مسئول شتاب بخار و تبدیل انرژی هستند؛ دیافراگم‌ها نازل‌ها را ثابت کرده و نواحی جریان هر مرحله را از هم جدا می‌کنند؛ پره‌های متحرک و چرخ‌های توربین برای دریافت انرژی جنبشی و چرخش خروجی با هم کار می‌کنند؛ سیلندر یک محیط عملیاتی محصور برای کل سیستم جریان فراهم می‌کند. در میان این اجزا، پره‌های متحرک اغلب به صورت سطل‌های متقارن یا فنجانی شکل طراحی می‌شوند تا جریان بخار را به طور مؤثر جذب و منحرف کنند و راندمان انتقال انرژی را تضمین کنند.

(II) مزایای عملکرد اصلی

در مقایسه با توربین‌های بخار واکنشی، توربین‌های بخار ضربه‌ای دارای ویژگی‌ها و مزایای عملکردی متمایزی هستند:

• اولاً، آنها مراحل کمتر و ساختار ساده‌تری دارند که منجر به هزینه‌های تولید کمتر، رویه‌های نگهداری روزانه ساده‌تر و هزینه‌های عملیاتی قابل کنترل می‌شود.

• دوم اینکه، آنها راندمان تبدیل انرژی عالی ارائه می‌دهند. با استفاده از فناوری بخار فشار بالا، راندمان حرارتی می‌تواند از 40٪ فراتر رود.

• سوم اینکه، آنها دارای دمای پایین گازهای خروجی و کاهش انتشار آلاینده‌ها هستند که عملکرد زیست‌محیطی آنها را برجسته کرده و با نیازهای عملیاتی کم کربن همسو است.

• چهارم، ساختار بالغ و قابل اعتماد است، با عمر مفید طولانی، نرخ خرابی پایین، و قابلیت انطباق با عملکرد مداوم طولانی مدت، که پایداری قوی را تضمین می‌کند.

سناریوهای کاربردی

توربین‌های بخار ضربه‌ای با بهره‌گیری از مزایایی مانند طراحی پیشرفته، عملکرد پایدار و سازگاری گسترده، به طور گسترده در زمینه‌های مختلف صنعتی از جمله تولید برق، مواد شیمیایی، کاغذسازی، نساجی و فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. سناریوهای اصلی کاربرد آنها را می‌توان به سه نوع طبقه‌بندی کرد:

۱. حوزه تولید برق: به عنوان تجهیزات اصلی برق برای مجموعه ژنراتورها در نیروگاه‌های حرارتی بزرگ و نیروگاه‌های هسته‌ای، که خروجی برق پایدار را به شبکه ارائه می‌دهند. آنها یک واحد تبدیل انرژی کلیدی در سیستم‌های برق هستند.

۲. حوزه صنایع شیمیایی: برای راه‌اندازی تجهیزات حیاتی مانند دستگاه‌های هوای فشرده و انواع مختلف پمپ‌ها استفاده می‌شود و پشتیبانی پایدار از توان را برای فرآیندهای تولید مواد شیمیایی فراهم می‌کند. آن‌ها با الزامات دما و فشار بالای شرایط فرآیند سازگار می‌شوند.

۳. سایر زمینه‌های صنعتی: در صنایعی مانند کاغذسازی، نساجی و فولاد، از آنها برای به حرکت درآوردن ماشین‌آلات تولیدی مختلف استفاده می‌شود و جایگزین واحدهای قدرت سنتی برای افزایش بهره‌وری تولید و بهره‌وری مصرف انرژی می‌شوند.

به طور خلاصه، توربین بخار ضربه‌ای، با مزایای اصلی خود از جمله راندمان بالا، سازگاری با محیط زیست، قابلیت اطمینان و سادگی ساختاری، از طریق یک مکانیسم تبدیل انرژی دقیق، تبدیل کارآمد انرژی حرارتی به مکانیکی را انجام می‌دهد. این توربین جایگاه مهمی در سیستم‌های تامین برق و تبدیل انرژی چند صنعتی دارد و یک تجهیزات حرارتی کلیدی است که اقتصادی بودن را با کاربردی بودن ترکیب می‌کند.