توربین بخار Steam Turbine

در یک توربین بخار Steam Turbine ، از نیروی بخار که در دیگ بخار تولید می‌شود، جهت به حرکت در آوردن توربین استفاده می‌شود. بخار گرم با فشاری بیش از فشار اتمسفر در یک نازل منبسط شده و در نتیجه قسمتی از انرژی حرارتی آن تبدیل به انرژی سنیتیکی می‌شود و براساس اصل ضربه‌ای یا واکنشی باعث تبدیل آن به انرژی مکانیکی می‌گردد.
















از کاربردهای توربین بخار Steam Turbine می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

•       محرک پمپ‌های خوراک واحدهای عملیاتی
•       محرک کمپرسورهای رفت و برگشتی و گریز از مرکز
•       محرک ژنراتورهای برق
•       محرک دستگاه‌های یدک

مزایای استفاده از توربین بخار Steam Turbine عبارتند از:
•       دارای راندمان بالا
•       دارای قابلیت اعتماد بالا
•       دارای ساختمان ساده
•       دارای هزینه تعمیر و نگه داری پایین
•       دارای قابلیت تغییر دور و همچنین تولید دورهای بالا

معایب استفاده از توربین بخار Steam Turbine عبارتند از:
·      نیازمند به دیگ بخار و سایر تجهیزات مربوطه
·      دارای هزینه زیاد تولید و نقل و انتقال بخار و تجهیزات مربوطه
·      دارای تلفات بخار زیاد
·      بستن و راه اندازی نسبتا مشکل
·      دارای هزینه تعمیرات و نگهداری زیاد
·      دارای محدودیت استفاده، صرفا در مکان‌هایی که بخار در دسترس باشد نظیر نیروگاه‌ها یا پالایشگاه‌ها

انواع توربین‌ بخار Steam Turbine 

این نام گذاری بر اساس شمای هندسی تجهیز و یا به عبارتی دیگر بر اساس تعداد سیلندر می‌باشد:

•       توربین بخار Steam Turbine بخار تک سیلندر
•       توربین بخار Steam Turbine بخار ترکیبی

توربین بخار Steam Turbine با ظرفیت ۶۰ – ۴۰ مگاوات به طور کلی ماشینهای تک سیلندر هستند و واحدهای بزرگتر معمولا از نوع ترکیبی بوده و بخار در اولین سیلندر و به طور جزئی منبسط شده و سپس با عبور از یک یا چند سیلندر دیگر انبساط کامل می‌شود.
برای به حداکثر رساندن راندمان توربین، در چند مرحله بخار منبسط شده و کار صورت می‌گیرد. این مراحل برحسب اینکه چگونه انرژی از آنها استخراج می‌شود دسته بندی می‌شوند.

 توربین‌ بخار Steam Turbine تک سیلندر

این نوع توربین بخار Steam Turbine معمولا از نوع متراکم کننده با فشار برگشتی می‌باشند. این توربین‌ها اگر قرار باشد در طرح‌های صنعتی استفاده شوند، با توجه به اینکه طرح‌های صنعتی نیز به بخار با فشار کم نیاز دارد، می‌بایست بخاری با فشار کم بوسیله روش تولید مشترک ایجاد شود.















​​​​​​​ بدین صورت که بخار در فشار بالا تولید شده و پس از انبساط در یک توربین بخار Steam Turbine و رسیدن به یک فشار مطلوب به نقاط مورد استفاده فرستاده می‌شوند. این کار اجازه می‌دهد که هم قدرت لازم بوسیله توربین تولید شود و هم بخار برای مصارف صنعتی مورد نظر تهیه گردد.

توربین‌های بخار تک سیلندر دارای تقسیم بندی‌های مختلفی می‌باشند که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

- توربین بخار Steam Turbine جدا کننده اتوماتیک (Automatic Extraction Turbine)
- توربین بخار Steam Turbine حرارت مجدد (Single Raheat Turbine)
- توربین بخار Steam Turbine فشار بالا (High Pressure Turbine )
- توربین بخار Steam Turbine فشار مخلوط (Mix Pressure Turbine)

در توربین جداکننده اتوماتیک، قسمتی از بخار در مراحل میانیتوربین بخار Steam Turbine برای استفاده در فرآیند جدا شده و بقیه بخار به یک مبدل حرارتی تخلیه می‌شود. این نوع توربین‌ها به گاوریرها و شیرهای مخصوصی برای ثابت نگه داشتن فشار بخار جدا شده و سرعت توربین، که تحت تاثیر تغییرات بار و بخار مورد تقاضا می‌باشد، نیاز دارد.
در توربین حرارت مجدد، بخار بعد از انبساط به دیگ بخار برگردانده می‌شود و مجددا تا درجه حرارت اولیه گرم می‌شود سپس این بخار برای انبساط در مرحله نهایی توربین، به توربین برگردانده میشود. این عمل سبب بدست آوردن کارایی بیشتر می‌شود.
توربین فشار بالا، برای افزایش ظرفیت و بهبود کارایی به بسیاری از تاسیسات با فشار متوسط اضافه میشود. در این تاسیسات دیگهای بخار، توربین‌های اصلی فشار متوسط و توربین‌های فشار بالا، از اجزاء مهم آن بشمار می‌روند. توربین بخار Steam Turbine فشار بالا طوری طراحی شده است که بخار با فشار لازم را به توربین‌های اصلی تخلیه می‌کند. توربین فشار بالا با نام‌های Topping Turbine و یا Super Posed Turbine نیز شناخته می‌شود.
از توربین فشار مخلوط، در مواردی که بخار با فشار کم از فرآیند قابل دسترسی باشد استفاده می‌شود. در توربین بخار Steam Turbine فشار مخلوط، تولید نیرو بوسیله وارد نمودن بخار به مرحله میانی توربین و انبساط آن تا فشار کندانسور انجام می‌گیرد.

توربین بخار ترکیبی

توربین‌ بخار ترکیبی حداقل دارای دو سیلندر محفظه که یکی با فشار بالا و دیگری با فشار پایین است می‌باشند. در این نوع توربین بخار Steam Turbine سیلندر کم فشار از نوع جریان دو گانه می‌باشد که منظور حمل یک حجم زیاد از بخار کم فشار استفاده می‌گردد.
















تعداد بسیاری از توربین‌های بزرگ ممکن است دارای یک سیلندر با فشار متوسط، به همراه دو، سه و یا حتی چهار سیلندر دوگانه برای فشارهای پایین تر باشند. سیلندرها ممکن است در یک خط بوده و از یک محور استفاده کنند که به آنها ترکیبی خطی (Tandem Compound) می‌گویند و یا در گروه‌های موازی با دو محور یا بیشتر می‌باشند که آنها را ترکیبی ضربدری (Cross Compound) می‌نامند.
در توربین بخار Steam Turbine ممکن است گرم کردن مجدد بین مراحل فشار بالا و متوسط صورت پذیرد و بخار ممکن است جهت گرم کردن مجدد دوباره به دیگ بخار فرستاده شود. این نوع از توربین‌ها دارای تنوع زیادی می‌باشند.

 سایر تقسیم بندی‌های توربین بخار Steam Turbine

در توربین‌ها با توجه به نحوه ی کارکرد دستگاه، اسامی و عناوین خاصی جهت شناسایی بهتر تجهیز و اصول کاری آن، به آنها تعلق می‌گیرد. این نامگذاری‌ها می‌تواند بر مبنای افت فشار، طریقه استفاده از بخار و همچنین استفاده از کندانسور، به توربین بخار Steam Turbine داده شود.

• تقسیم بندی بر مبنای افت فشار

- توربین یک مرحله‌ای: در این توربین، افت فشار فقط در یک مرحله انجام می‌گیرد.
- توربین چند مرحله‌ای: در این توربین، افت فشار در چند مرحله انجام می‌گیرد.
- توربین Implus: در این توربین، افت فشار بخار آب در پره‌های ثابت توربین بوجود می‌آید.
- توربین Reaction: در این توربین، افت فشار بخار آب در پره‌های چرخان توربین بوجود می‌آید.













​​​​​​​

افت فشار در توربین‌ها بیشتر جهت تولید کار ایجاد می‌شود. توربینهای Impulse در اصل توربین‌هایی هستند که از اصل ضربه استفاده می‌کنند و پره‌های ثابت آنها توسط ضربه‌های وارده از طرف ذرات بخار به حرکت در می‌آیند.

• تقسیم بندی بر مبنای طریقه استفاده از بخار در توربین بخارSteam Turbine

- توربین چند مرحله‌ای Extraction: در این توربین، بخار از مرحله وسط، و قبل از اینکه به مرحله آخر برسد از توربين خارج می‌شود و در قسمت‌های دیگر کارخانه استفاده می‌گردد.
- توربین چند مرحله‌ای Induction: در این توربین، بخار به مرحله میانی توربین وارد می‌شود. بخار مصرفی ممکن است بخار مازاد در قسمتهای دیگر کارخانه باشد.

• تقسیم بندی برمبنای استفاده از کندانسور

- توربین بخار کندانسوری (Condensering Steam Turbines): فشار بخار خروجی توربین بخار Steam Turbine از فشار بخار ورودی توربین به مراتب خیلی پایین تر می‌باشد، حال هر چه قدر این اختلاف فشار زیادتر باشد بدین معنی است که انرژی بیشتری از بخار گرفته شده و صرف تبدیل به کار مفید شده است. برای حصول این عمل و رسیدن به اختلاف فشار زیاد و بدست آوردن کار بیشتر، در توربین‌هایی که دارای دور بالا هستند، روی خروجی توربین یک سرد کننده تحت نام کندانسور یا چگالنده قرار می‌دهند.
در این توربین‌ها سیستم سرد کننده را تحت خلاء نگه می‌دارند و با به حداقل رسانیدن فشار خروجی، اختلاف فشار را زیاد می‌کنند. بخار خروجی توربین که بوسیله سیستم خلاء به داخل سردکننده مکیده میشود، توسط آب خنک شده و تبدیل به آب مقطر گردد و برای ساختن بخار دوباره از آن استفاده می‌گردد. به این نوع توربینهای توربین نوع کندانسوری (Condensering Steam Turbines) گفته می‌شود.
از این نوع توربین بخار Steam Turbine بیشتر در پالایشگاه‌ها استفاده می‌شود. توربین‌های ژنراتورهای واحد آب، برق و بخار و کمپرسورهای واحدهای تبدیلی کاتالیستی از این نوع می‌باشند. در این نوع توربین‌ها، جهت استفاده هر چه بیشتر از انرژی بخار آب، پرههای توربین در مرحله خروجی ابعاد بزرگتری دارند این حالت به این علت است که نیاز به انبساط بخار آب بیشتر در فشارهای کم است.

یکی از مسائل مهم در این توربین‌ها احتمال سائیدگی میباشد. که معمولا به علت تشکیل قطرات آب در پرههای توربین و در فشارهای پایین می‌باشد.
لازم به ذکر است اگر در توربین‌های چند مرحله‌ای از کندانسور (چگالنده) استفاده نشود، راندمان توربین بخار Steam Turbine کاهش می‌یابد.

 اجزاء و قطعات توربین‌ بخار Steam Turbine

بطور کلی ساختمان توربین بخار Steam Turbine از دو جزء اصلی شامل قطعات ثابت و قطعات متحرک تشکیل شده است. قطعات ثابت شامل: نازل، یاتاقان، هوزینگ برینگها، دیافراگم ها، پره‌های هدایت کننده، محفظه بخار، تروتل ولو، استاپ ولو، شیر اطمینان، گاورنر، آببندها، سیستم روغنکاری و ... می‌باشد و قطعات متحرک شامل: روتور و متعلقاتی نظیر پرههای متحرک، رینگ‌های روغنکاری، کاپلینگ، سیستم دور بیشینه، سیستم‌های حفاظتی و ... است. در ادامه تعدادی از این اجزاء به اختصار معرفی می‌گردد.

• چرخان (Rotor ): روتور شامل چر‌خ‌ها، پره‌ها و یک محور می‌باشد. چرخ و محور در روتور‌ها بصورت جدا از هم و یا بصورت یکپارچه ساخته می‌شوند. در روتورها معمولا با توجه به قدرت توربین ممکن است به جای یک چرخ گردنده از چند چرخ گردیده استفاده شود و با توجه به ساختمان چرخ‌های گردنده، معمولا از دو نوع پره در آنها استفاده می‌شود که پره‌های گردنده و پره‌های هادی یا ثابت نام گرفته اند.

• نازل (Nozzle): نازل‌ها قطعاتی هستند که در مجاورت چرخ‌های گردان یا پره‌های گردنده قرار می‌گیرد و باعث افزایش شدت برخورد و جهت دهی بخار آب در توربین می‌گردند.

• پوسته (Casing): پوسته توربین در برگیرنده روتور است و شامل دو قسمت تحتانی و فوقانی می‌باشد. قسمت‌هایی نظیر محفظه بخار، ورودی بخار، خروجی بخار، دیافراگم‌ها و بست‌‌های یاتاقان‌های محور توربین، درون پوسته قرار دارند.
چون محفظه بخار باید فشار زیادی را تحمل نماید جنس محفظه از پوسته محکم تر می‌باشد. این محفظه برای مقاومت در مقابل تنش‌های حلقه‌ای در صفحات متقاطع طراحی می‌شود که برای ثابت نگه داشتن دقيق فاصله آزاد در جهت طولی، بین اجزای متحرک و اجزای ثابت توربین است.
اگر فشار بخار در پوسته به همان اندازه که در محفظه بخار است برسد، پوسته می‌ترکد. لذا نباید توربین را با خروجی بسته راه اندازی کرد. جهت جلوگیری از بالا رفتن فشار در پوسته، روی خروجی بخار یک شیر اطمینان تحت عنوان شیر نگهبان (Sentinel Valve) وجود دارد که در موقع بالا رفتن فشار، اعلام خطر می‌نماید.

• آب بندهای مارپیچی و دیافراگم (Diaphragm & Labyrinth): از آنجایی که در توربین بخار Steam Turbine چند مرحله‌ای فشار مرحله‌ها با هم متفاوت است، بین هر دو مرحله یک دیافراگم وجود دارد که علاوه بر جدا نمودن مرحله‌ها باعث نگهداری نازل‌ها نیز می‌گردد.














​​​​​​​

زمانی که بخار توسط نازل‌ها به پرههای توربین برخورد می‌کند و خارج می‌شود، مقداری از آن، نازل را دور زده و در طول محور حرکت می‌کند. حال اگر از نشت این مقدار بخار جلوگیری نشود مقداری انرژی تلف شده و خوردگی در طول محور ایجاد می‌گردد. برای این منظور در انتهای دیافراگم‌ها که نزدیک محور قرار دارند آب بندهایی به صورت مارپیچی تعبیه شده که فاصله محور و دیافراگم را کم کرده و مانع عبور بخار و نشت آن می‌گردد. جنس این آب بندها خیلی نرم تر از جنس محور بوده و در صورت تماس آب بندها با محور، خود آب۔ بندها سائیده می‌شوند که عوض نمودن آنها ارزانتر و ساده تر می‌باشد.

• اجکتور (Ejector): اجكتور دستگاهی است که تولید خلاء نموده و بیشتر در توربین بخار Steam Turbine نوع کندانسور استفاده می‌شود.

• جعبه لایی (Paking Box): در توربین‌های بدون مایع کننده خروجی، فشار بخار خروجی از توربین بیشتر از فشار هوا است. لذا بخار می‌تواند از فضای بین محور و پوسته به خارج نشت نماید. برای جلوگیری از این نشت از جعبه لایی‌ها استفاده می‌شود. این جعبه بین محور و پوسته قرار میگیرد و شامل تعدادی آب بندهای مارپیچی بوده و فضای بین محور و پوسته را کم می‌کند و مانع نشت بخار به خارج می‌شود.

مقداری از بخار نیز که هنوز درون جعبه لائی به بیرون نشت می‌کند توسط اجکتور مکیده شده و به خارج فرستاده می‌شود. جعبه لایی‌ها را می‌توان روی ورودی هر نوع توربینی قرار داد زیرا فشار بخار ورودی همیشه از فشار هوا بیشتر است.

• ياتاقان‌ها (Bearings ): یک محور در حال چرخش علاوه بر اینکه نباید اصطحکاک داشته باشد، در جهات مختلف نیز نباید دارای حرکت اضافه باشد. بطور کلی یک محور در حال چرخش دارای سه نوع حرکت زیر می‌باشد:
- حرکت محوری (Axial)
- حرکت شعاعی (Radial )
- حرکت دورانی (Rotation)
حرکت محوری در اثر نیروی برخورد ملکول‌های بخار به پرههای توربین بوجود می‌آید و حرکت شعاعی در اثر نیروی گریز از مرکز حاصل از چرخش محور توربین تولید می‌شود.
برای جلوگیری از حرکت محوری و شعاعی از یاتاقان‌ها استفاده می‌شود، یاتاقان‌ها محور را حمایت نموده و با حداقل اصطکاک از این دو حرکت ممانعت می‌کند.
برای جلوگیری از حرکت محوری از یاتاقان‌های اتکائی (Thrust Bearing) استفاده می‌شود. اما در زمانی که نیرو کم است بجای یاتاقان‌های اتکائی از یاتاقان‌های ساچمه‌ای استفاده می‌شود. برای جلوگیری از حرکت شعاعی، از یاتاقان‌های شعاعی (Radial Bearing) استفاده می‌گردد.

​​​​​​​• تنظیم کننده‌ها (Governor): تنظیم کننده دستگاهی است که سرعت توربین را در حداقل و حداکثر بار ثابت نگه می‌دارد. مقصود از کلمه "بار" در این تعریف، مقدار کاری است که توربین انجام می‌دهد.
تنظیم کننده‌ها انواع مختلفی دارند که شرح تمامی آنها در این مجال مقدور نمی‌باشد اما دو نوع مهم آن عبارتند از: تنظیم کننده گلوله‌ای که در توربین‌های کوچک و متوسط کاربرد دارد. و تنظیم کننده روغنی که در توربین‌های بزرگ مثل محرک مولد برق کاربرد دارد.
یک تنظیم کننده خوب باید دقیق، دارای عکس العمل سریع در مقابل تغییرات سرعت توربین و پایداری کافی داشته باشد. یعنی در مقابل تغییرات کاری که از توربین کشیده می‌شود خیلی سریع عمل نماید زیرا با کم و زیاد شدن بار توربین، دور آن نیز کم و زیاد می‌شود.
• کندانسور یا چگالنده (Condensor ): بیشتر توربین بخار Steam Turbine​​​​​​​ بزرگ که در صنعت مورد استفاده قرار می‌گیرند در خروجی آنها یک کندانسور یا چگالنده که تحت خلاء کار می‌کند قرار دارد. وجود این چگالنده باعث می‌شود که اختلاف فشار ورودی و خروجی زیاد شود و توربین بتواند کار بیشتری انجام دهد.
• جعبه دنده (Gear Box): بعلت بالا بودن تعداد دور توربین‌های بخار می‌بایست به طریقی دور توربین را پایین آورد. برای این کار از جعبه دنده استفاده می‌شود.