التوربين: جهاز يحوّل حركة السوائل إلى طاقة

• ذات صلة
• الصندوق الأسود في الطائرات، ما هو؟
• مبدأ عمل محرك السيارة

ما هو التوربين؟ وما آلية عمله؟

لا بد أن تعلم بأن التوربين Turbine هو جهاز يحوّل الطاقة الحركية لبعض السوائل مثل الماء والبخار والهواء وغازات الاحتراق إلى حركة دورانية تنتج طاقة للجهاز نفسه، وتُستخدم هذه التوربينات عمومًا في توليد الكهرباء وفي المحركات وأنظمة الدفع وتصنف على أنها نوع من المحركات وذلك بسبب آلية عملها، فهي تقبل مدخلات وتعالجها لإخراجها كطاقة. ويتكون التوربين البسيط من مجموعة من الشفرات المتسلسلة، وغالبًا ما تكون مصنوعة من الفولاذ، أمّا آلية عمله فتقوم على السماح لمختلف السوائل بدخول التوربين ودفع شفراته الفولاذية، فتبدأ هذه الشفرات بالدوران وتُخرج السائل بطاقة أقل مما كان عليه عندما دخل التوربين وبالتالي فإن الطاقة المفقودة من السائل تكون قد تحوّلت لجهاز التوربين نفسه ليستخدمها في عمله، ويُعد الماء من أهم هذه السوائل التي تُنتج طاقة بفعل حركتها داخل التوربين، فتُطلَق المياه المحتجزة خلف السد وتسقط على التوربينات، فتتولّد الكهرباء عند توصيلها بمولد.

وعمومًا، تعتمد التوربينات الكهرومائية على صف من الشفرات المثبتة على عمود أو لوحة دوارة، يمرّ الماء من خلال التوربين فوق الشفرات، مما يتسبب في دوران العمود الداخلي، وبعد ذلك تُنقل الحركة الدورانية إلى مولد لتنتج الكهرباء، وتختلف أنواع التوربينات المستخدمة حسب نوعية الطاقة المتولدة، بالإضافة إلى عدة عوامل تُؤخذ بعين الاعتبار لتحديد التوربين الذي يجب استخدامه، وتشمل العوامل الرأس الهيدروليكي والتفريغ الكهرومائي والتكلفة.^[١]

تعرف على أهم استخدامات التوربينات

تعتمد محطات توليد الطاقة التي تستخدم الغاز والفحم والمصادر المائية وحتى محطات توليد الطاقة النووية على التوربينات لتشغيل المولدات، وللتوربينات على اختلاف أنواعها وظيفة أساسية تلخص استخداماتها لتكون كالآتي:^[٢]

• تحوّل التوربينات البخارية الطاقة من بخار الضغط العالي إلى طاقة ميكانيكية، وذلك من خلال حركات دوران عمود الدوران نفسه فيتحوّل لمولّد.
• تُجرى عمليات توليد الطاقة والتحوّلات على مرحلتين، في الأولى يُستخدم توربين ذي ضغط عالٍ وحجم صغير، وفي الثاني توكل المهمة لتوربين ضغطه منخفض وحجمه أكبر.
• يتحكم التوربين في كمية البخار الداخلة إلى التوربين الأساسي نفسه خلال توليد الطاقة.
• وجود التوربين يضمن تنظيم المليّنات التي تساهم في تزييت المولدات.
• يحتفظ التوربين بمعدل رطوبة وكميات بخار متوازنة.
• تُستخدَم توربينات المياه لتحويل الماء إلى طاقة كهربائية.^[١]
• تُستخدَم توربينات الغاز في مجال الطيران، فتوفّر القوة للمحركات النفاثة، وتُستخدم أيضًا في بعض العمليات الصناعية في صناعة القاطرات والسيارات ووسائل النقل البحرية.^[٣]

ما مكونات التوربين الغازي؟

فيما يلي أهم المكونات الرئيسية للتوربين الغازي، تعرف عليها:^[٤]

• الضاغط Compressor: الضواغط جزء أساسي من التوربين الغازي، ويكون شكلها ملتويًا ومنحنيًا للغاية، ووظيفتها توفير قوة عرضية على السائل مع الضغط على جانب واحد من الشفرة، و يساهم الضاغط بزيادة احتكاك التدفق، والتسرب أو الإنتاج داخل التوربين الغازي، بالإضافة إلى وظائفه الأخرى التي تشمل؛ الدوران الثانوي أو التدفقات الدوامية، وعند ضغط الهواء ينخفض ​​حجمه، وبالتالي يجب تحقيق التوازن بين سرعات طرف الشفرة وسرعات تدفق الهواء، لتصبح سرعة دوران الطرف الأمامي منخفض الضغط أقل من سرعة طرف الضغط العالي. ويتحقق ذلك في توربينات الغاز المستخدمة في الطائرات فتحتوي على أعمدة ملفوفة، يعمل عمود نهاية الضغط المنخفض بسرعة مختلفة داخل ضاغط الضغط العالي المجوف، وكل عمود له محامله الخاصة.
• غرفة الاحتراق Combustion chamber: تجري تفاعلات الاحتراق داخل هذه الغرفة ضمن سلسلة من العناصر الأسطوانية المتباعدة والموزعة حول محيط محرك التوربين الغازي، وفي أنواع معينة تُوزّع في ممر حلقي واحد مع فوهات حقن الوقود في مواضع محيطية مختلفة، ومن اسمها، فإن وظيفتها إمداد التوربين الغازي بالطاقة بعد حرق المصادر الأساسية للوقود وانتهاء التفاعلات.
• التوربين Turbine: يعتمد التوربين عادةً على مبدأ التفاعل مع تمدد الغازات الساخنة ضمن ثمان مراحل رئيسية، وهو مصمم لتزويد التوربين الغازي نفسه بالضغط اللازم، ويوجه المروحة للهواء الجانبي بالإضافة إلى قيادة عمليات الدوران داخل البكرات الداخلية والخارجية، وعادةً تستخدم محركات الطائرات بكرات أكثر بكثير من المُستخدمة في غيرها من التطبيقات.
• منصة التحكم والتشغيل Control and start-up: تتكون هذه المنصة من مولد كهربائي يضمن ثبات سرعة الدوران بغض النظر عن الحمل الكهربائي في التوربين، ويتحكم بكمية الوقود المحروقة، فيؤدي تقليل تدفق الوقود إلى خفض درجة الحرارة في غرفة الاحتراق، وبالتالي انخفاض المحتوى الحراري المتاح للتوربين، وعلى الرغم من أن هذه العملية تقلل من كفاءة التوربينات، إلا أنها لا تؤثر على الضاغط وتسمح له بضخ نفس كمية الهواء المطلوبة لإتمام العملية بشكل سليم.

قد يُهِمُّكَ: ما الفرق بين التوربينات الغازية والبخارية؟

إليكَ فيما يلي الفرق بين التوربينات الغازية والتوربينات البخارية:^[٥]

التوربينات الغازية

تستقبل توربينات الغاز الطاقة من تفاعلات الاحتراق نفسها، فيتفاعل الوقود الأحفوري الموجود داخلها مع الهواء المضغوط ويحترقان لإنتاج غازات عادمة شديدة السخونة، وتلامس هذه الغازات ريش التوربينات وتدور بينها لإنتاج الكهرباء، وتسمى دورة توليد الطاقة هذه من الهواء المضغوط والوقود برايتون Brayton أو دورة جويل Joule Cycle. ويُرافق الهواء المأخوذ في التوربينات الغازية للاحتراق ضوضاء كبيرة، يمكن تخفيفها بتركيب كاتمات للصوت. وتتكون توربينات الغاز من ضاغطات للهواء وأنظمة مخصصة للاحتراق تحدث التفاعلات فيها، بالإضافة إلى شفرات التوربينات التي تدور أثناء انتقال الغاز الساخن في اتجاه مجرى السوائل المستخدمة، وينتج عن تفاعلات الاحتراق هذه غازات عادمة ذات درجات حرارة عالية تُقدّر بحوالي 1500 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من درجات الحرارة اللازمة لتشغيل التوربينات البخارية.

وتعد توربينات الغاز أفضل من التوربينات البخارية من ناحية استهلاكها للماء، فتعد المياه مكوّنًا ذا مركزية أقل في هذه العملية، وبالتالي يُستبعد خطر توقف عملية توليد الطاقة بسبب التجمد الداخلي، ومن ناحية أخرى، تتطلب توربينات الغاز وقودًا أحفوريًا، لذلك فإن عمليات الاحتراق داخل هذه التوربينات تخلق ملوثات مثل أكسيد النيتروجين.

التوربينات البخارية

يكمن الاختلاف الرئيسي بين التوربينات البخارية والغازية في كون البخارية منها تعتمد على البخار كمنبع أساسي للطاقة، وبالتالي فيمكن للوقود مثل الغاز الطبيعي تسخين المياه المكثفة في المرجل، ويمكن استخدام الطاقة الحرارية المتجددة لتسخين المرجل في التوربينات البخارية فينتج البخار اللازم لتفعيلها، وبعد ذلك يتبخر الماء الساخن ويتحوّل إلى بخار، ويدوّر شفرات التوربين البخاري لتوليد الطاقة. وبالتوربينات البخارية تتراوح درجة الحرارة الداخلية من 500 إلى 650 درجة مئوية فقط، أي أقل من نصف درجة الحرارة اللازمة لإكمال تفاعلات توربينات الغاز، وتُسمى هذه الدورة المائية داخل التوربين البخاري دورة رانكين Rankine Cycle.

وعلى عكس التوربينات الغازية، لا تحتوي التوربينات البخارية على ضاغط هواء أو نظام احتراق، بل تحتوي على مرجل ودوارات وظيفتها تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية، وتحتوي أيضًا على منطقة غلاف مهمتها إيصال البخار بالشفرات تحت الضغط، وعلى عكس التوربينات الغازية فللمياه هُنا دور مركزي ومهم، وبالتالي فهي تعاني من خطر التجمّد، ولكن التوربينات البخارية تسمح بتوليد طاقة نظيفة إذا كانت الطاقة المتجددة تسخن مياه دورة التوربينات نفسها.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Turbine", energyeducation, Retrieved 27/5/2021. Edited.
2. ↑ "Turbines and Support Systems", nucleartourist, 2/4/2011, Retrieved 28/5/2021. Edited.
3. ↑ "gas turbine engine", britannica, Retrieved 29/5/2021. Edited.
4. ↑ "Major components of gas-turbine engines", britannica, Retrieved 28/5/2021. Edited.
5. ↑ Joe Lahbabi (18/3/2020), "The Difference Between Steam and Gas Turbines", sviindustrial, Retrieved 28/5/2021. Edited.