ترمودینامیک توربین بخار

توربین های بخار برای تولید کار از یک چرخه ترمودینامیکی پیروی می کنند. از اینرو برای بررسی نحوه تولید کار در توربین های بخار به یک آگاهی. از مشخصه های ترمودینامیکی توربین بخار و چرخه ترمودینامیکی که توربین بخار به ما در بهینه سازی شرائط توربین کمک می کند.

ترمودینامیک توربین بخار

فرض می شود مخاطب آشنائی ابتدائی با مفاهیم ترمودینامیکی را دارد. همواره، به دنبال گرفتن بیشترین مقدار کار از مقدار گرمای معینی هستیم که از سیال به توربین بخار داده می شود. با این حال هرگز نمی توان توربین بخاری ساخت که بازده نظری آن 100 درصد باشد. اما چرخه ای که بیشترین کارایی را وقتی توربین بخار. که بین دو دمای Tc و Th کار می کند داشته باشد چرخه کارنو می باشد.

چرخه کارنو

چرخه کارنو چرخه ای است که بیشترین بازده را دارد. این چرخه کارنو از دو فرآیند همدما و فرآیند بی در رو متشکل است . این چرخه توسط کارنو در 1824 معرفی شد. مفهوم چرخه کارنو این است که از مقداری انرژی گرمایی سیال با دمای Th توسط یک چرخه ترمودینامیکی. حداکثر چه مقدار کار مکانیکی می توان گرفت. شکل 2-1 نمودار T-s این چرخه را نمایش میدهد. از این سیکل به عنوان سیکل مرجع سیکل رانکین استفاده می شود. اما استفاده از این چرخه جهت بررسی توربین بخار مناسب نمی باشد. از اینرو برای بررسی از چرخه رانکین استفاده می شود.

چرخه رانکین

توربین های بخار برای کار کردن و تولید انواع انرژی باید از چرخه رانکین پیروی کنند. این سیکل توسط دانشمند اسکاتلندی ویلیم جان مک گورن رانکین معرفی شد. توربین های بخار بخشی از یک چرخه رانکین می باشد. چرخه رانکین، یک چرخه تبدیل گرما به قدرت است. این چرخه از دو فرآیند هم فشار و دو فرآیند هم آنتروپی متشکل است. که در شکل 2-2 نمودار T-s و طرح کلی این سیکل نمایان است.

چهار فرآیند اصلی در سیکل رانکین وجود دارد که هر کدام شرایط ترمودینامیکی سیال عامل را تغییر می دهند. که این تغییرات در ادامه بیان خواهد شد. فرآیند 1-2 سیال عامل از فشار پایین به فشار بالاتر پمپاژ می شود. و از آنجایی که سیال در این مرحله در حالت مایع اشباع قرار دارد. پمپ به انرژی ورودی کمی نیاز دارد. فرآیند 2-3 این مایع فشار بالا وارد بویلر می شود. که در این مرحله در فشار ثابت بوسیله یک منبع گرمایی خارجی گرم میشود و تبدیل به بخار اشباع خشک می شود.

فرآیند 3-4 بخار خشک اشباع بوسیله توربین منبسط می شود. و تولید توان می کند. این عمل باعث کاهش فشار و دمای بخار می شود. و ممکن است چگالش مختصری هم رخ بدهد. فرایند 4-1 بخار مرطوب وارد کندانسور میشود و در داخل آن در یک فرایند دما – فشار ثابت تبدیل به مایع اشباع میشود. در سیکل ایده آل رانکین، پمپ و توربین آیزنتروپیک خواهند بود. یعنی هیچ آنتروپی تولید نخواهند کرد. و بنابراین کار خالص خروجی را ماکزیمم خواهند کرد. همچنین فرآِیندهای 1-2 و 3-4 بوسیله خطوط عمودی در نمودار 2-3 نمایان است. و بسیار شبیه به سیکل کارنو می باشد. هدف اصلی ما از این تحلیل صرفاً بررسی نقش توربین در سیکل می باشد. از اینرو به بررسی سایر اجزای سیکل نمی پردازیم. در واقع ما صرفاً فرآیند 3-4 را مورد بررسی قرار می دهیم.

در مرحله اول محاسبات، ابتدا محاسبات خود را بدون استفاده از کامپیوتر انجام می دهیم. مهمترین ضعف این روش این است که توانایی رسم نمودارهای دقیق. و بررسی پاسخ یک کمیت در قبال تغییر کمیت دیگر به صورت گسترده یا وجود ندارد. یا مستلزم انجام محاسبات فراوانی میباشد. در مرحله دوم توربین را توسط نرم افزار EES بررسی می کنیم.

توسط این نرم افزار منحنی های مختلفی را می توان رسم کرد که تا حد زیادی به درک توربین بخار کمک می کند.

آنالیز یک توربین نمونه

از اینجا به بعد برای درک بهتر مسائل ترمودینامیکی توربین بخار یک نمونه توربین بخار واقعی را به عنوان نمونه مورد بررسی قرار می دهیم. و در طی بررسی کمیت های توربین را ارائه می دهیم.

برای شروع بررسی ابتدا بایستی یک سیستم تعریف کنیم از اینرو سیستم را مجموعه توربین بخار در نظر می گیریم. و بدنه توربین به عنوان مرز سیستم ما می باشد.

بخار فاقد هرگونه ناخالصی می باشد. توربین با محیط تبادل حرارتی ندارد (عایق است). نشتی در کل سیکل وجود ندارد و کلیه خروجی کندانسور آب مایع می باشد. توربین آیزنتروپیک است.

توربین مدنظر را در شرایطی قرار داده ایم که توان خروجی توربین در این شرایط 885kW میباشد. در نقطه 3 سیکل که همان شرایط ورودی توربین مدنظر می باشد. کمیت های فشار و دما به ترتیب 39bar و 450C می باشد. که در این شرایط بخار در حالت فوق گرم است. حال که دو کمیت مستقل را در اختیار داریم با استفاده از جدول ترمودینامیکی بخار آب، آنتالپی. آنتروپی و حجم بخار ورودی را 3332kj/kg، 6/9kj/kg-k و 0/0822m³/kg مشخص می شود. همچنین در نقطه 4 سیکل که همان خروجی توربین بخار میباشد. فشار برابر با 2/5bar می باشد. و از آنجایی که توربین را آیزونتروپیک فرض کردیم انتروپی بخار خروجی از توربین برابر با آنتروپی بخار ورودی توربین 6/9kj/kg-k می باشد. حال که دو کمیت مستقل در خروجی را داریم با استفاده از جدول ترمودینامیکی، حالت، کیفیت، دما، حجم مخصوص و آنتالپی را محاسبه میکنیم.

طبق جدول ترمودینامیکی، بخار در فشار و انتروپی ذکر شده. در دو حالت فاز با کیفیت %98/41 و دمای 127/41c و حجم مخصوص برابر 70m³/kg و آنتالپی برابر با 2676kj/kg می باشد. تا اینجا کلیه کمیت های اساسی در لحظه ورود و خروج سیال از توربین را به دست آوردیم.

حال به این اطلاعات قصد بررسی کار و بازده توربین را داریم. در سیکل رانکین کار انجام شده توسط توربین عبارت است از:

w_turine=h4-h3

h₃ آنتالپی بخار ورودی به توربین

h₄ آنتالپی بخار خروجی از توربین

wturine=2676-3332.4= – 656.4 kj/kg

علامت منفی به معنی خروج از کار از سیستم می باشد. تا اینجا کار مخصوص را بدست آوردیم. اما کار با داشتن مقدار دبی جرمی بخار و ضرب آن در کار مخصوص بدست می آوریم.

W_turbine= m.w

حال نیز به محاسبه دبی جرمی m داریم که این کمیت نیز از منحنی ارائه شده توسط سازنده توربین قابل استخراج است. توان خروجی توربین طبق اطلاعات ارائه شده توسط سازنده در این شرایط 885W می باشد. که طبق منحنی ارائه شده این خروجی توان تنها با دبی جرم 2/555kg/s میسر است (فشار ورودی 29bar و دمای ورودی 450c).

از اینرو کار آیزنتروپیک برابر است با:

در واقع کار تولیدی توربین در شرایط آیزنتروپیک 1673/82kj در هر ثانیه می باشد.

راندمان آیزنتروپیک توربین بخار

برای سنجش این که یک توربین چقدر خوب کار می کند. می توانیم به راندمان آیزنتروپیک آن نگاه کنیم. این راندمان، عملکرد واقعی توربین را با عملکرد توربین ایده آل در حالت آیزنتروپیک مقایسه می کند. در هنگام محاسبه این راندمان، اتلاف حرارت به محیط اطراف صفر در نظر گرفته می شود. فشار و دمای شروع باری هر دو توربین واقعی بیشتر از توربین ایده آل است که دلیل آن برگشت ناپذیری، در توربین واقعی است.

آنتالپی ویژه در فشار یکسان برای توربین های واقعی و ایده آل محاسبه می شود. تا بتوان یک مقایسه خوب بین این دو انجام داد. راندمان آیزنتروپیک به وسیله تقسیم کار واقعی بر کار ایده آل به دست می آید. اما پس از مشاهده این اعداد و منحنی ها این سوال پیش می آید. که چه فرآیندی درون توربین اتفاق می افتد که بخار تولید کار می کند. از اینرو در ادامه به بررسی نحوه تولید کار درون توربین می پردازیم.

در فیزیک، توان میزان جابجایی، دگرگونی و یا استفاده انرژی در یکای زمان است. یکای این کمیت ژول بر ثانیه (J/s) یا همان وات است. همانگونه که قبلاً ذکر شد در توربین مورد بررسی در شرایط ذکر شده توان توربین 885KW یا به عبارتی 885kj/s می باشد. این توان همان توان واقعی توربین می باشد. از اینرو راندمان آیزنتروپیک این دوربین برابر است با:

توربین بخار در واقعیت به صورت آیزنتروپیک عمل نمی کند. و بخار خروجی از توربین را انتروپی بیشتری نسبت به بخار ورودی می باشد. این تولید انتروپی در توربین بخار ناشی از اصطکاک بین بخار آب و دیواره تیغه ها و نازل ها می باشد. در توربین بخار همچنین مقداری از کار تولیدی توسط سیال صرف غلبه بر اصطکاک موجود در یاتاقان ها و قطعات متحرک توربین میشود. رودولف کلازیوس (1888-1822) نخستین کسی بود که در علم ترمودینامیک مبحث آنتروپی را وارد کرد.

آنتروپی از تقسیم گرمایی که سیستم می گیرد بر دمای کل سیستم بدست می آید. وی بیان کرد که ماشین در حالت آرمانی آنتروپی برابر صفر دارد. و در مورد ماشین های غیر آرمانی آنتروپی با گذشت زمان افزایش می یابد. او قانون دوم ترمودینامیک را با مبحث آنتروپی فرمولبندی کرد و دو قانون را در سال 1850 با این عبارت بیان کرد. که انرژی جهان ثابت می ماند اما آنتروپی آن مایل است که به حداکثر برسد ابداع کرد.

تحلیل به کمک کامپیوتر

حال همین محاسبات را از طریق نرم افزار EES انجام می دهیم. نرم افزار Engineering Equation Solver یکی از مهمترین نرم افزارهای رشته مکانیک در حال معادلات غیر خطی. همچنین جدول خوانی خواص ترمودینامیکی گازهای متفاوت و جداول سایکومتری است. که برای مهندسان مکانیک شاخه حرارت و سیالات بسیار حائز اهمیت است. نرم افزار EES یک نرم افزار برنامه نویسی قوی در زمینه علوم حرارت و سیالات است. که در سال های اخیر مورد توجه مجامع علمی معتبر قرار گرفته است.

این نرم افزار در سال 1992 توسط یک محقق آمریکایی به نام کلین و تحت پوشش شرکت اف چارت نوشته شد. انگیزه نویسنده برای ایجاد نرم افزار، پس از سالها تدریس دروس ترمودینامیک و انتقال حرارت مهندسی مکانیک ایجاد گردید. چرا که در این علوم برای حل مسایل لازم است همزمان با تنظیم معادلات از خواص ترموفیزیکی مواد نیز استفاده گردد. و گاه لازم است یک مسأله چندین بار با داده های مختلف حل شود. کار عمده ای که نرم افزار انجام می دهد. حل مجموعه معادلات جبری می باشد. همچنین این نرم افزار، قادر به حل معادلات دیفرانسیل، معادلات دارای متغیرهای مختلف، معادلات انتگرالی بوده. و امکان حل مسایل بهینه سازی رگرسیون خطی و غیر خطی و ترسیم نمودارها و جداول در آن وجود دارد. ابتدا معادلات را به صورت ریاضی طرح می کنیم.

ترمودینامیک توربین بخار

برای ارائه نتایج نمودار تعدادی کمیت های وابسته را توسط نرم افزار رسم می کنیم. نمودار تغییرات دبی جرمی نسبت توان خروجی توسط سازنده ارایه گردیده است. این منحنی در محدوده توان 640 تا 970 کیلو وات به صورت خطی می باشد. از اینرو با محاسبه شیب خط، نمودار را در نرم افزار رسم می کنیم تا مقدار دقیق دبی جرمی را در توان نامی بدست بیاوریم. شکل 2-4 نمودار ترسیمی توسط نرم افزار در محدوده توان خالص 640 تا 970 کیلو وات را. نسبت به تغییرات دبی جرمی بخار ورودی به توربین بخار را نمایش می دهد.

ترمودینامیک توربین بخار

در دومین قدم نمودار T-s سیکل را توسط نرم افزار ترسیم می کنیم. این نمودار آشناترین نمودار در بررسی یک سیکل رانکین می باشد. در کلیه نمودارها صرفا سیکل را در مسیری که ابتدای آن ورودی توربین (1) و انتهای آن خروجی توربین (2_S) می باشد. ترسیم کرده ایم چون هدف ما صرفاً آنالیز توربین می باشد. در این نمودار خطوط فشار ثابت 39bar و 2/5bar ترسیم گردید. همانطور که مشاهده می شود بخار پیش از ورود به توربین در ناحیه بخار مافوق گرم قرار دارد. و طی یک فرآیند آیزنتروپیک به نقطه 2s می رسد. این نقطه در ناحیه دوفازی قرار دارد. همینطور در ادامه نمودارهای دیگری آورده شده که نام و شکل نمودار خود گویای کامل نمودار می باشد. در کلیه نمودارها نقطه 1 نقطه ورود بخار به توربین و نقطه 2s نقطه خروجی بخار از توربین در شرایط آیزنتروپیک می باشد.

شکل 2-5 نمودار T-s چرخه ای که توربین مذکور در آن قرار دارد را نمایش می دهد. شکل های بعدی نمودارهای P-v وT-v،P-h،h-s می باشد. هدف ما از نمایش این نمودارها نشان دادن توان محاسباتی نرم افزار EES و قدرت این نرم افزار در تفهیم شرائط ترمودینامیکی توربین های بخار .یا هر سیستم نرم افزار EES و قدرت این نرم افزار در تفهیم شرائط ترمودینامیکی توربین های بخار یا هر سیستم ترمودینامیکی دیگر می باشد. در واقع هر چه ما به سمت کامپیوترایز کردن محاسبات پیش برویم درک صحیح تری از مسائل پیدا می کنیم.

همانگونه که قبلاً اشاره شد با استفاده از نرم افزار ما قادر به استخراج نمودار و جداول مختلفی هستیم. که به ما در درک ماشین کمک فراوانی می کند. در ادامه سه نمودار مفید ارائه شده که تغییرات کار خروجی آیزونتروپیک توربین را. نسبت به تغییرات دما و فشار سیال ورودی و فشار سیال خروجی را نمایش می دهد. به کمک این سه نمودار تأثیرات سه کمیت مستقل توربین بخار روی کار خروجی توربین را مشاهده می کنیم. شکل2-10 نمودار تغییرات کار آیزونتروپیک خروجی توربین نسبت به تغییرات فشار بخار ورودی به توربین را نمایش می دهد.

همانگونه که مشاهده می شود با افزایش این فشار خار کار منفی. که همان کار خروجی از چرخه توسط توربین می باشد افزایش پیدا می کند. همچنین طبق نمودار 2-11 همزمان با افزایش دمای بخار ورودی به توربین مقدار کار خروجی توربین بخار افزایش پیدا می کند. و نهایتاً طبق نمودار 2-12 همزمان با افزایش فشار بخار خروجی کار خروجی از توربین بخار کاهش می یابد. بوسیله این نمودارها و آگاهی از مقدار بازده که قبلاً محاسبه شد می توان مقدار تغییرات کار خالص خروجی توربین را. نسبت به تغییر یکی از سه عامل موجود در نمودار نیز محاسبه کرد.

بهینه سازی راندمان توربین بخار

در یک توربین بخار با فرآیند آیزونتروپیک تبدیل انرژی سیال به کار مکانیکی به صورت یک توربین بخار ایده آل و آرمانی میباشد. که در آن انتروپی بخار ورودی به توربین با انتروپی بخار خروجی از توربین برابر است. اما در عمل هیچ توربین بخار واقعاً آیزونتروپیک نیست و راندمان آیزنتروپیک. بر حسب نوع و چیدمان مراحل و کاربرد توربین معمولاً در بازه 20 تا 90 درصد تغییر می کند.

برای به حداکثر رسانی راندمان توربین، می بایست بخار در چند مرحله منبسط شود و تبدیل انرژی بخار به کار صورت پذیرد. این مراحل بر حسب اینکه چکونه انرژی از آنها استخراج میشود دسته بندی می شوند. و به عنوان توربین های ضربه ای و واکنشی معروف هستند. معمولاً توربین های بخار از ترکیبی از طرح واکنشی و ضربه ای استفاده می کنند. هر مرحله از توربین می تواند صرفاً ضربه ای یا صرفاً واکنشی باشد. ولی کل توربین از هر دو استفاده می کند در صورتی که توربین های بخار از نوع چند مرحله ای باشند. شرائط انبساط بخار به شرایط آیزنتروپیک نزدیکتر می شود. روش های ترکیب و چیدمان مراحل یک توربین چند مرحله ای را روش های ترکیب کردن می نامیم که در ادامه شرح داده خواهد شد.

انرژی های سیال

یک سیال جاری از سه حالت مختلف از انرژی را دارد که عبارتند از

انرژی جنبشی (ناشی از سرعت سیال)- انرژی هیدرواستاتیکی (ناشی از فشار سیال)-انرژی درونی (ناشی از دمای سیال)

انرژی هیدرواستاتیکی و درونی سیال را آنتالپی می نامیم از اینرو این طبقه بندی را می توان. به دو طبقه انرژی جنبشی و آنتالپی تقسیم بندی کرد. زمانی که سیال از میان تیغه های روتور توربین عبور می کند. مقداری از انرژی خود را از دست می دهد (به تیغه ها منتقل می کند). زمانیکه انرژی جنبشی سیال کاهش پیدا می کند. سرعت سیال کاهش پیدا می کند.

اگر سیال خروجی از مرحله اول را مستقیماً وارد مرحله دوم کنیم این سیال بخاطر سرعت کم. قادر به انتقال انرژی چندانی به تیغه های مرحله دوم نیست. جهت افزایش سرعت دوباره سیال پس از خروج از مرحله اول سیال را. از یک سری تیغه های نازل ثابت که معمولاً در بدنه توربین تعبیه می شود. عبور می دهند که به آنها استاتور می گویند.

این افزایش سرعت سیال ناشی از شکل مخصوص این تیغه هاست که موجب تبدیل آنتالپی به انرژی جنبشی می شود. بنابراین در استاتور آنتالپی کاهش و انرژی جنبشی افزایش می یابد. باید به این نکته توجه کرد که انرژی از بین نمی رود. تنها از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود. این فرآیند برای هر تعداد مرحله می تواند تکرار شود. تا زمانیکه سیال آنتالپی قابل استفاده و مقرون به صرفه ای را دارا باشد.

درجه انتقال انرژی

مقدار کل انرژی منتقل شده به تیغه های روتر عبارت است. از جمع اختلاف انرژی جنبشی ΔK.E و آنتالپی ΔH سیال قبل و بعد از ورود به توربین. در ماشین های محوری یک پارامتر مهم به نام درجه واکنش وجود دارد که به صورت زیر تعریف می شود.

توربین ضربه ای (D.O.R=0)

زمانی که تغییر آنتالپی در طول روتور نداشته باشیم درجه عکس العمل صفر میشود. به این توربین ها توربین ضربه ای می گویند. تیغه های این توربین ها شبیه شکل 2-13 می باشد. در این شکل طرح کلی این نوع توربین ها مشخص و قابل بررسی است.

توربین واکنشی (D.O.R=100%)

زمانیکه درجه عکس العمل برابر یک شود. در واقع تغییرات انرژی جنبشی برابر صفر می باشد. که در واقع انتقال انرژی صرفاً از طریق کاهش آنتالپی سیال صورت می گیرد. در این توربین ها سرعت سیال ثابت می ماند. شکل 2-14 نمونه ای از این تیغه ها را نمایش می دهد.

نازل

بخار تولیدی در واحد تولید بخار به سمت توربین هدایت می شود. این بخار قبل از ورود به توربین توسط یک سیستم کنترل که بعداً بررسی خواهد شد. وارد یک یا چند نازل (شیپوره) بسته به نوع و طراحی توربین می شود. شکل 2-15 طرح کلی یک نازل را نشان می دهد.

ترمودینامیک توربین بخار

قطر گلوگاه و طول نازل بر اساس راتیو بخار و شرایط استفاده نازل طراحی می شود. دمای گلوگاه و دمای بحرانی از بررسی جداول بخار بر اساس فشار بحرانی قابل دستیابی است.و سرعت بحرانی نیز از فرمول زیر قابل محاسبه است.

فرآیندی که در نازل اتفاق می افتد یک فرآیند بازگشت ناپذیر اما آدیاباتیک می باشد. بازگشت ناپذیری نازل به علت اصطکاک بین سیال و دیواره نازل و اصطکاک بین مولکول های سیال می باشد. شکل 2-16 نمودار T-s یک نازل را نشان می دهد. فرآیند 1-2 فرآیند آدیاباتیک نازل و فرآیند 1-S2 فرآیند آیزنتروپیک نازل می باشد. همانطور که مشاهده می شود بخار خروجی از نازل دارای انتروپی بیشتری نسبت به بخار ورودی به نازل می باشد. ابتدا باید آنتالپی خروجی در حالت واقعی (h2) و سپس آنتالپی. در حالت نازل آیزنتروپیک را محاسبه سپس راندمان نازل را بوسیله فرمول صفحه بعد محاسبه کنیم.

ضریب بازگرمایی

توربین بخاری که بوسیله دیاگرام مولیر در شکل 2-17 مشخص و نمایان است را در نظر بگیرید. توربین از نوع سه مرحله ای می باشد. و بخار خروجی از هر مرحله پیش از ورود به مرحله قبل باز گرمایش میشود. نقطه 1 نقطه ورود بخار به مرحله اول توربین بخار می باشد. و نقاط ^, 2 ،^, 3 ،^, 4 به ترتیب نقاط خروج بخار از مرحله یک و دو سه توربین بخار در حال آیزنتروپیک و نقاط 2،3و 4. به ترتیب نقاط خروجی بخار از مراحل یک و دو و سه در حالت واقعی می باشند.

حالت ضریب باز گرمایی را به صورت زیر تعریف می کنیم:

ضریب بازگرمایی معمولاً بین 1/03 تا 1/04 می باشد. این امر باعث عمر بیشتر طبقات آخر توربین های بخار از طریق تبخیر قطرات آب موجود در بخار می شود.

ترکیب کردن توربین

همانطور که قبلاً بیان گردید ترکیب کردن توربین های بخار روشی است. که در آن انرژی بخار در یک توربین به جای یک مرحله در چند مرحله تبدیل به انرژی مکانیکی شود. یک توربین بخار ترکیبی دارای تعدادی مراحل مختلف که به صورت تعدادی نازل و روتور روی یک شافت و بدنه نصبی می باشد. به طوری که آنتالپی و یا سرعت بخار در چند مرحله توسط توربین جذب می شود.

ترمودینامیک توربین بخار

بخار تولیدی در بویلر دارای آنتالپی بسیار بالایی است. در تمام توربین ها سرعت پره ها به صورت مستقیم با سرعت بخار عبوری از پره متناسب است. حال اگر تمام انرژی بخار در یک مرحله استخراج شود. و یا به عبارتی بخار در یک مرحله از فشار بویلر به فشار کندانسور منبسط شود. سرعت آن بسیار بالا خواهد شد. از این رو سرعت روتور که پره ها به آن متصل هستند. می تواند به حدود 30 هزار دور در دقیقه برسد که برای استفاده عملی بسیار بالا است.

علاوه بر این در چنین سرعت های بالایی نیروی گریز از مرکز بسیار زیاد است. که می تواند به سازه آسیب وارد کند. همچنین سرعت های بالایی که در توربین ضربه ای با یک رینگ روتور استفاده می شود. باعث می شود که اتلاف بخار در بازه 10 تا 12 درصد قرار گیرد. برای غلبه بر اتلاف بخار، ترکیب کردن توربین بخار انجام می شود. از اینرو ترکیب کردن توربین دارای فواید زیر می باشد.

کنترل سرعت توربین و حذف نیروهای گریز از مرکز-کاهش اتلاف بخار در توربین

انواع ترکیب

در یک توربین بخار ضربه ای، ترکیب را می توان با سه راه زیر به دست آورد:

1. ترکیب سرعتی
2. ترکیب فشاری
3. و ترکیب فشاری – سرعتی

ترمودینامیک توربین بخار

همچنین توربین های واکنشی با ترکیب فشار تولید می شوند.

ترکیب سرعتی توربین ضربه ای

توربین ضربه ای با ترکیب سرعتی برای اولین بار توسط کورتیس پیشنهاد گردید. که هدف آن حال مشکل توربین ضربه ای تک مرحله ای در استفاده از بخار با فشار و دمای بالا بود. رینگ پره ها متحرک توسط رینگ های پره های ثابت از هم جدا شده اند. پره ها متحرک به وسیله خار به محورتوربین و پره های ثابت به بدنه ثابت متصل شده اند.

بخار پرفشار ورودی به توربین، ابتدا در نازل منبسط میشود. نازل انرژی فشار بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. افت آنتالپی کل و در نتیجه افت فشار در نازل رخ می دهد. از اینرو پس از خروج از نازل، فشار تا انتهای توربین ثابت می ماند. این بخار پر سرعت به سمت اولین مجموعه یا رینگ پره های متحرک هدایت می شود.

بین خروجی نازل و تیغه های رینگ متحرک فاصله بسیار کمی وجود دارد. زمانی که بخار بر روی پره ها جریان می یابد. به دلیل شکل پره ها بخشی از مومنتوم خود را به پره ها داده و بخشی از سرعت خود را از دست می دهد. تنها بخشی از میزان بالای انرژی جنبشی توسط پره ها جذب و باقیمانده آن به سمت رینگ بعدی پره های ثابت تخلیه می شود.

وظیفه پره های ثابت تغییر مسیر بخار خروجی از رینگ اول پره های متحرک به رینگ دوم پره های متحرک است. در زمان عبور بخار از پره های ثابت، هیچ تغییری در سرعت بخار ایجاد نمی شود. سپس بخار وارد رینگ بعدی پره های متحرک می شود و این فرآیند تکرار می شود تا تمام انرژی قابل استفاده بخار جذب گردد. در شکل 2-18 یک طرح شماتیک از مرحله کورتیس توربین ضربه ای یا دو رینگ پره متحرک. و یک رینگ پره ثابت نشان داده شده است. این شکل همچنین تغییرات در فشار و سرعت مطلق بخار را درزمان عبور از مراحل مختلف نشان می دهد.

در نمودار 2-18 Pi و Vi به ترتیب فشار و بخار ورودی به Po و Vo فشار و سرعت بخار خروجی از توربین می باشند. افت سرعت در پره های متحرک رخ می دهد و نه پره های ثابت. همانطور که در نمودار 2-18 مشخص و نمایان است. و رینگ پره های متحرک به وسیله یک رینگ از پره های ثابت از هم جدا هستند. دیاگرام سرعت شکل 2-19 نشان دهنده مولفه های مختلف سرعت بخار و سرعت پره های متحرک است.

ترمودینامیک توربین بخار

اینک به بررسی دیاگرام سرعت بالا می پردازیم. ابتدا بخار از نازل با زاویه ɵ و سرعت مطلق Va1 خارج می شود. این بخار وارد تیغه های مرحل اول می شود. سمت ورودی این تیغه ها نسبت به محور افقی عمود بر خط مرکزی محور دارای زاویه ø₁ می باشند. و بخار با سرعت نسبی V_r1 با زاویه ø₁ به مسیر خود ادامه می دهد. و مقداری از انرژی جنبشی خود را در این مسیر. با برخورد به دیواره تیغه به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. این انرژی مکانیکی به شکل ایجاد چرخش در محور روتور و تولید گشتاور می باشد. سرعت نسبی بخار V_r1 عبارت است از سرعت بخار نسبت به سرعت تیغه ها و از فرمول زیر محاسبه می شود.

𝑣𝑎̅𝑥 مشخصه افقی (موازی با 𝑣𝑏̅) سرعت مطلق بخار ورودی می باشد. سرعت رینگ پره های متحرک برابر Vb می باشد. بخار در ادامه مسیر خود با تغییر زاویه ادامه تیغه مواجه می شود. که متعاقبا بخار با سرعت مطلق Va2 و زاویه δ 1 و سرعت نسبی Vr2 با زاویه γ1. از تیغه های پره متحرک مرحله اول خارج می شود. و واردتیغه های ثابت می شود. این مسیر مطابق شکل ادامه پیدا می کند تا در نهایت بخار با سرعت مطلق Va4. و سرعت نسبی Vr4 از آخرین مرحله توربین بخار خارج میشود. در این دیاگرام دو نامعادله زیر برقرار می باشد.

Vr4 < Vr3 < Vr2 <Vr و 1 Va4 < Va3 < Va2 < Va1

ترمودینامیک توربین بخار

همانگونه که مشاهده می شود سرعت های مطلق و نسبی در طول تیغه های متحرک تواماً در حال کاهش هستند. از اینرو انتقال انرژی به صورت تغییر سرعت مطلق و نسبی در طول روتور می باشد.

مهمترین عیب این نوع ترکیب وجود تلفات اصطکاکی بالا به دلیل سرعت زیاد بخار می باشد. و کار تولید شده در مراحل کم فشار بسیار کمتر است. شکل 2-20 طرح کلی یک نمونه توربین بخار کورتیس را نمایش می دهد.

ترکیب فشاری توربین ضربه ای

توربین ضربه ای با ترکیب فشاری به افتخار مخترع آن به عنوان توربین راتیو نیز شناخته می شود. که برای حل مشکلات سرعت بالای پره در توربین ضربه ای تک مرحله ای استفاده می شود. شکل 2-21 یک توربین راتیو سه مرحله ای را نشان می دهد. این توربین به صورت یک در میان از رینگ های نازل و پره تشکیل شده است. نازل ها بر روی بدنه و پره ها محور توربین نصب شده اند. در این نوع از ترکیب، بخار به جای یک مرحله یا نازل در ترکیب سرعتی، در چند مرحله منبسط می شود. این کار به وسیله پره های ثابت که به عنوان نازل عمل می کنند، انجام می شود.

بخار در تمام ردیف پره های ثابت به اندازه برابر منبسط می شود. بخاری که وارد توربین میشود. به اولین مجموعه از پره های ثابت یا رینگ نازل تغذیه شود. بخار تا حدی در رینگ نازل منبسط می شود. از این رو در فشار بخار ورودی کاهش اندکی ایجاد می شود که این امر منجر به افزایش سرعت بخار می گردد. بنابراین در نازل اندکی کاهش فشار و افزایش سرعت خواهیم داشت.

بخار سپس از مجموعه ای از پره های متحرک عبور می کند. زمانی که بخار در پره های متحرکت جریان می یابد. تقریباً تمام سرعت آن جذب می شود. با این حال در طول این فرایند فشار ثابت می ماند. پس از آن، بخار از رینگ نازل می گذرد و دوباره تا حدی منبسط می شود. سپس به مجموعه ای بعدی پره های متحرک تغذیه شده و این روند تا زمانی تکرار می شود که به فشار کندانسور برسد.

شکل 2-22 دیاگرام سرعت های بخار و پره را در یک توربین سه مرحله ای راتیو می باشد. همانگونه که در شکل مشاهده میشود. در این نوع ترکیب تساوی های زیر برقرار می باشد.

Vr4 = Vr3 = Vr2 = Vr و 1 Va4 = Va3 = Va2 = Va1

ترمودینامیک توربین بخار

افت سرعت در انتهای هر مرحله با وارد شدن به تیغه های ثابت مرحله بعد بوسیله تبدیل انتالپی به انرژی جنبشی. در این تیغه ها که به صورت نازل عمل می کنند جبران می شود سپس وارد تیغه های متحرک می شود.

ترکیب فشاری در توربین واکنشی

توربین واکنشی، توربینی است که در آن افت فشار و سرعت در پره های متحرک رخ می دهد. در کنار پره های متحرک، نازل های همگرای بخار قرار دارند. هنگامی که بخار از پره های ثابت عبور می کند. با کاهش در فشار بخار و افزایش در انرژی جنبشی منبسط می شود. این نوع توربین دارای تعدادی رینگ پره متحرک متصل به روتور و تعداد مساوی پره های ثابت متصل به بدنه می باشد.

در این نوع توربین افت فشار در چند مرحله انجام می شود. بخار از بیش از یک سری پره های ثابت و متحرک یک در میان می گذرد. پره های ثابت به عنوان نازل عمل می کنند. یعنی آنها جهت بخار را تغییر می دهند و آن را منبسط می کنند. سپس بخار به پره های متحرک می رسد و در آن جا بیش تر منبسط شده و سرعتت آن جذب می شود. این نوع توربین در شکل زیر نشان داده شده است.

همانگونه که مشاهده میشود توربین به صورت کاملاً عکس العمل یعنی با درجه انتقال انرژی 100 درصد نمی باشد. و مقداری خاصیت توربین های ضربه ای به معنی انتقال مقداری از انرژی جنبشی بخار به روتور می باشد.

ترمودینامیک توربین بخار

شکل2-24 دیاگرام سرعت بخار و تیغه ها را در مراحل مختلف یک توربین عکس العملی با ترکیب فشاری با سه مرحله نمایش داده شده است. همانگونه که مشاهده می شود سرعت های مطلق و نبسی بخار در هر مرحله با هم یکسان می باشند. و این یکسان سازی بوسیله تیغه های ثابت که در نقش نازل عمل می کنند با تبدیل آنتالپی به انرژی جنبشی انجام میشود.

توربین ضربه ای ترکیب فشاری – سرعتی

ترکیبی از دو نوع ترکیب بالا است. کل افت فشار بخار در چند مرحله تقسیم شده است. هر مرحله شامل رینگ های پره های ثابت و متحرک است. هر مجموعه از رینگ پره های متحرک توسط یک رینگ از پره های ثابت جدا شده است. و در هر مرحله به عنوان یک توربین ترکیب سرعتی عمل می کند. که درابتدای مراحل یک ردیف نازل قرار دارد. پره هاهی ثابت به عنوان نازل عمل می کنند.

بخار ورودی از بویلر از رینگ اول از پره های ثابت می گذرد و در آن تا حدی منبسط می شود. فشار تا حدی کاهش و سرعت متناسب با آن افزایش می یابد. سرعت توسط رینگ بعدی پره های متحرک جذب می شود. تا زمانی که به رینگ بعدی از پره های ثابت برسد و کل فرآیند یک بار دیگر تکرار شود. در واقع در این نوع ترکیب مرحله اول توربین کورتیس می باشد. معمولاً در توربین های بخار ترکیبی از ترکیب فشاری و سرعتی بسته به شرائط کاری توربین و نوع طراحی استفاده می شود.

دیاگرام ها صفحات دایره ای شکلی هستند که نیمی از آنها در بدنه بالائی و نیمه دیگر آنها. در بدنه پایینی در بین مراحل مختلف توربین های چند مرحله ای نصب می شود. و چندین عمل مهم را انجام می دهند.

جدا کردن مراحل مختلف توربین از یکدیگر – محل قرار گیری پره های هدایت کننده. به منظور جهت دادن به بخار- محل قرار پیری آب بندهای داخلی برای جلوگیری از نشتی های داخلی.

تلفات در توربین بخار

کل محتوای انرژی موجود در بخار ورودی به توربین بخار به صورت انرژی مکانیکی بازیافت نمی شود. مقداری از انرژی بخار در داخل یک توربین تلف می شود .تلفات را می توان به صورت زیر دسته بندی کنیم.

1- تلفات بخار خروجی

کل انرژی بخار ورودی به توربین به طور کامل در توربین مورد استفاده قرار نمی گیرد. این انرژی باقیمانده در بخار خروجی از دسترس توربین خارج می شود و می توان آنرا نوعی اتلاف بخار دانست. همچنین مقدار بخار از آب بندها و ولوها به محیط تخلیه می شود که نوعی اتلاف می باشد.

2- تلفات اصطکاکی

این تلفات ناشی از اصطکاک موجود بین بخار با جداره های تیغه ها و نازل ها. یا بطور کلی بین بخار و مسیری که بخار طی می کند می باشد. همچنین در بیشتر توربین ها، چرخ های پره در یک فضای پر از بخار می چرخند که خود موجب افزایش اصطکاک می شود. و با ورود مقدار جزئی بخار به تیغه ها هنگام ورود بخار از نازل به تیغه ها. باعث ایجاد گردابه هایی در کانال های تیغه ها می شود. گردابه ها همچنین در تیغه های ثابت نیز به وجود می آیند. با افزایش زبری سطح پره و سرعت نسبی بین بخار و پره متحرک، مقدار اصطکاک افزایش می یابد.

ترمودینامیک توربین بخار

3-تلفات انتقال حرارت

این تلفات ناشی از انتقال حرارت بین توربین و محیط بیرون می باشد. که با عایق کاری مناسب می توان این تلفات را به حداقل رساند.

4- تلفات مربوط به رطوبت

بخار عبوری از آخرین مرحله توربین دارای سرعت و رطوبت بالایی است. ذرات مایع دارای سرعت کمتری نسبت به ذرات بخار هستند و در نتیجه ذرات مایع از جریان ذرات بخار در آخرین مرحله توربین می شوند. و در نتیجه این امر بخشی از انرژی جنبشی بخار از بین می رود.

اگر کسر خشکی بخار به زیر 0/88 برسد، فرسایش و خوردگی پره نیز می توان رخ بدهد.

نمودار زیر سهم کلیه تلفات را در یک توربین بخار LP نمایش می دهد.

ترمودینامیک توربین بخار

استیل دی –Steel day

02166396590– 09922704358

آدرس دفتر مرکزی: تهران – جاده قدیم کرج – بعد از کارخانه شیرپاستوریزه – فتح سیزدهم – مجتمع پایتخت- واحد C9

ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی (با کلیک بر روی لینک های زیر به ما بپیوندید)

https://t.me/steel_day تلگرام

https://www.instagram.com/steel_day.ir اینستاگرام

https://twitter.com/MDlakan توییتر