مقالات
در حال خواندن
توربو ماشین چیست
0

توربو ماشین چیست

توسط حمید رضا غلامزاد۴ فروردین, ۱۳۹۶

توربو ماشین (Turbo-machinery) از دو کلمه توربو و ماشین تشکیل شده است که توربو با ریشه لاتین می باشد که به فارسی می توان آن را “چرخدنده” ترجمه کرد.

توربو ماشین ها، ماشین هایی هستند که قسمت اصلی آن ها از یک چرخ تشکیل شده است که این چرخ یا چرخ ها، روی محوری محکم شده و با آن دوران می کنند. چرخ نیز خود دارای تعدادی پره است که به صورت متقارن نسبت به محور دوران قرار گرفته اند. سیال با عبور از بین پره ها با چرخ تبادل انرژی می کند.

نمایی برش خورده از یک توربو ماشین

نمایی برش خورده از یک توربو ماشین

تعریفی دیگر برای توربو ماشین را می توان اینگونه بیان کرد که توربوماشین (turbomachinery) ماشینی است که انرژی را بین یک سیال و یک روتور (rotor) انتقال می‌دهد؛ از جمله توربین (turbine) و کمپرسور (compressor) در حالی که توربین انرژی را از یک سیال به روتور انتقال می‌دهد، کمپرسور انرژی را از یک روتور به یک سیال انتقال می‌دهد. این دو نوع ماشین تحت روابط پایه یکسان از جمله قانون دوم حرکت نیوتن و معادله انرژی اویلر برای سیالات تراکم‌پذیر کار می‌کنند. پمپ‌های سانتریفوژ (centrifugal pumps)  نیز توربوماشین‌هایی هستند که انرژی را از یک روتور به یک سیال مایع منتقل می‌کند، در حالی که توربین و کمپرسور معمولا با گاز کار می‌کنند.

در مقایسه با ماشین‌های جابه‌جایی مثبت (positive displacement machines) به ویژه از نوع رفت و برگشتی (reciprocating) که ماشین‌های با سرعت کم بر اساس ملاحظات راندمان مکانیکی و حجمی می‌باشند، اکثر توربوماشین‌ها در سرعت‌های نسبتا بالاتر کار می‌کنند بدون این که مشکل مکانیکی ایجاد شود و راندمان حجمی آن‌ها نزدیک به صد در صد می‌باشد.

دسته‌بندی توربوماشین‌ها

دو نوع توربوماشینی که در عمل وجود دارند، توربوماشین‌های باز و بسته می‌باشند. ماشین‌های باز مانند ملخ هواپیما، توربین‌های بادی و فن‌های بدون محفظه، در یک فضای سیال بی‌نهایت کار می‌کنند، در حالی که ماشین آلات بسته در مقدار محدود سیالی کار می‌کنند که از محفظه یا پوشش عبور می‌کند.

همچنین توربوماشین‌ها بر حسب نوع جریان دسته‌بندی می‌شوند. هنگامی که جریان موازی با محور چرخش است، به آن‌ها ماشین‌های جریان محوری (axial flow machines) و هنگامی که جریان عمود بر محور چرخش است به آن‌ها ماشین‌های جریان شعاعی (radial flow machines) یا سانتریفوژ (centrifugal machines) گفته می‌شود. همچنین یک دسته سوم به نام ماشین‌های جریان مختلط (mixed flow machines) وجود دارد که در آن هر دو مولفه سرعت جریان شعاعی و محوری وجود دارند.

توربوماشین‌ها را می‌توان به دو دسته دیگر نیز تقسیم کرد: آن‌هایی که برای افزایش فشار سیال انرژی جذب می‌کنند که شامل پمپ‌ها (pumps)، فن‌ها (fans) و کمپرسورها (compressors)؛ و آن‌هایی که تولید انرژی می کنند، از قبیل توربین‌ها (turbines) که با انبساط جریان فشار را کاهش می‌دهند.

تصویری از یک توربین بخار

تصویری از یک توربین بخار

کاربرد و مزایای توربو ماشین

همواره انتقال سیالات و تولید انرژی یکی از نیاز های بشر بوده است، توربو ماشین ها توانایی انجام هر دوی آن ها را دارند.پمپ ها که از انواع توربو ماشین ها می باشند، در انواع مختلف ساخته می شوند که برای انتقال سیالات و ایجاد دبی و هد کافی برای مصارف خانگی و صنعتی و بالاخص در صنعت نفت مورد استفاده قرار می گیرند.

توربین ها نیز در تولید برق نیرو گاه آبی، نیروگاه بادی، نیروگاه خورشیدی و ….. کاربرد دارند و سیال عامل که چه بخار آب باشد چه آب و چه باد، توربین را به حرکت در آورده و برق تولید می کند.

در چند عامل می توان استفاده ی وسیع از توربو ماشین ها را توضیح داد:

  • انتقال قدرت بالا در حجم و وزن کم در مقایسه با سایر ماشین ها (برای مثال ماشین های پیستونی)
  • داشتن بازده بالا
  • عدم نیاز به تبدیل حرکت رفت و برگشتی به حرکت دورانی
  • قیمت ارزان ماشین نسبت به قدرت مفید تولیدی
  • دایمی بودن تبادل انرژی بین ماشین و سیال
  • کاربرد توربو ماشین ها

ساخت ,تولید و کاربرد توربوماشین ها عملا بعد از جنگ جهانی دوم و هنگامی گسترش یافت که پیشرفت های علم آیرودینامیک, در این نوع ماشین ها نیز بکار گرفته شد و به سرعت توربوماشین های با قدرت و بازده (راندمان) بالا پا به عرصه صنعت گذاشتند و در بسیاری موارد ماشین های دیگر را از رده خارج نمودند.

در مقایسه با ماشین های رفت و برگشتی ,نبودن سیلندر و پیستون و حرکت رفت و برگشتی و نیاز به تبدیل آن به حرکت دورانی از یک طرف و پیشرفت تکنولوژی ریخته گری ,ماشینکاری و علم متالورژی از طرف دیگر باعث شد که امکانات ساخت و تولید توربوماشین های با دورهای زیاد و قدرتهای قابل توجه در حجم کوچک بوجود آید و دامنه استفاده از توربوماشین ها در صنعت بصورت چشمگیری افزایش یابد.

در صنایع هواپیماسازی ,توربوماشین های مادون صوت و مافوق صوت بسرعت ماشین های سیلندر پیستونی را از رده خارج کردند و با استفاده از از این ماشین ها هواپیما های غول پیکر مسافربری و هواپیماهای جنگی با سرعت چندین برابر سرعت صوت ساخته شد. در زمینه تولید برق با ساخت توربین های گازی, بخار و آبی و تاسیس نیروگاه های با ظرفیت چند صد مگاوات , شبکه های برق رسانی در کشورها و شهرها بسرعت گسترش یافت. امروزه موتورهای دیزلی فقط جهت تولید برق در مقیاس چند کیلووات بکار می روند. در شبکه های آبرسانی شهری, آبیاری و کشاورزی عملا فقط از توربو پمپ ها برای انتقال آب یا بالا آوردن آن از چاه ها استفاده می شود. در صنایع نفت و پتروشیمی, صنایع غذایی ,تاسیسات حرارتی و برودتی, سیستم های هوای فشرده در کارخانجات و تهویه معادن نیز کمپرسورها, ونتیلاتورها و توربو پمپ ها بطور گسترده مورد بهره برداری قرار می گیرند. در صنعت حمل و نقل نیز توربوماشین ها توانسته اند در کشتی ها, قایقهای موتوری و توربو ترن ها نقش بسزایی ایفا نمایند.

موتور جت ، یکی از رایج ترین توربو ماشین ها

موتور جت ، یکی از رایج ترین توربو ماشین ها

انواع توربو ماشین ها

توربو ماشین ها را می توان از دیدگاه های مختلف تقسیم بندی نمود. چهار نوع تقسیم بندی در توربوماشین ها متداول تر است :
۱- مسیر حرکت سیال در چرخ

متداول ترین روش تقسیم بندی توربوماشین ها از دیدگاه علمی و طراحی , تقسیم بندی بر اساس جهت حرکت سیال در چرخ است. از این نظر توربوماشین ها را به سه دسته اصلی زیر تقسیم می کنند :

  • توربوماشین های سانتریفیوژ یا جریان شعاعی
  • توربوماشین های جریان محوری
  • توربوماشین های جریان مختلط

 در نوع اول , امتداد ورود و خروج سیال در چرخ بر همدیگر عمود است. این نوع توربوماشین ها معمولا برای ایجاد فشارهای زیاد در دبی های کم بکار می روند.

در نوع دوم ,سیال موازی با محور توربوماشین وارد چرخ شده و موازی با آن نیز خارج می شود. از این نوع توربوماشین ها برای تولید دبی های زیاد و فشارهای کم استفاده می شود.

در نوع سوم, امتداد ورود و خروج سیال در چرخ نسبت به یکدیگر مایل بوده و در رده بندی بین نوع اول و دوم قرار می گیرند. این نوع توربوماشین ها برای ایجاد فشارها و دبی های متوسط بکار می روند.

۲- تراکم پذیری سیال

توربوماشین ها را از نظر تراکم پذیری سیال به دو دسته توربوماشین های با سیال قابل تراکم و غیر قابل تراکم تقسیم می کنند. این تقسیم بندی از لحاظ مطالعه جریان سیال در این گونه ماشین ها حائز اهمیت است. برای توربوماشین های با سیال غیرقابل تراکم , می توان پدیده های مختلف را به کمک قوانین اصلی مکانیک سیالات , مورد بررسی قرار داد. درحالیکه برای توربوماشین های با سیال قابل تراکم ,بدون استفاده از مبانی ترمودینامیک و انتقال حرارت, امکان مطالعه و حل مسائل مربوطه ,وجود ندارد. توربوماشین های با سیال غیرقابل تراکم را به نام “توربوماشین های آبی” نیز نامیده اند, گرچه ممکن است سیال همیشه آب نباشد. در مقابل توربوماشین های با جریان تراکم پذیر را “توربوماشین های گازی” و در برخی موارد “توربوماشین های حرارتی” نیز خوانده اند.

لازم به تذکر است که ونتیلاتورهای با فشار کم باوجود انتقال سیال قابل تراکم در زمره توربوماشینهای با جریان تراکم ناپذیر محسوب می شوند زیرا تغییرات جرم مخصوص در آنها عملا ناچیز است. از این نظر در این تقسیم بندی بجای نوع سیال بهتر است “جریان سیال” را معیار قرار داد.

۳- طرز تغذیه چرخ

در مورد توربینها تقسیم بندی دیگری نیز معمول می باشد. اگر سیال از تمامی سطح چرخ وارد شود آنرا توربین با “تغذیه کامل” و بعکس اگر فقط از یک یا چند قسمت از سطح ورودی داخل چرخ گردد آنرا توربین با “تغذیه جزئی” می نامند.

ماشین های با تغذیه جزئی را توربینهای ضربه ای  (Impulse) نیز می نامند. زیرا در این نوع ماشین ها فشار استاتیک سیال در عبور از چرخ ثابت است و معمولا فشار اتمسفر در دور تا دور چرخ حاکم می باشد. بعکس در ماشین های با تغذیه کامل فشار استاتیک سیال از ورود تا خروج از چرخ تغییر می کند. به همین علت این ماشین ها را توربوماشین های عکس العملی (Reaction) نیز می نامند. امروزه اغلب توربوماشین های صنعتی از نوع عکس العملی و با تغذیه کامل می باشند. یکی از توربوماشین های ضربه ای که بعنوان یک گزینه مناسب در نیروگاه های آبی بکار می رود و کارایی بالایی دارد, توربین پلتن است.

۴- جهت تبادل انرژی

همانطور که گفته شد اگر انرژی های جنبشی و پتانسیل به چرخ داده شود و توان مکانیکی تولید گردد , ماشین را “توان ده” و برعکس اگر انرژی مکانیکی اعمال شده به محور از طریق چرخ به سیال داده شود و منجر به افزایش فشار و سرعت سیال گردد آن ماشین را “توان گیر” می نامند. کلیه توربوماشینها جزء گروه اول بوده و سایر ماشینها در گروه دوم قرار می گیرند.

بررسی نحوه عبور سیال از میان پره های یک توربو ماشین

بررسی نحوه عبور سیال از میان پره های یک توربو ماشین

واکنش شما چیست؟
I like it
50%
interested
0%
Hate it
0%
What
50%
درباره نویسنده
حمید رضا غلامزاد

دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید