كيفية عمل التوربين

[أحمد اسماعيل]

التُّـوربِيــن Turbine جهاز ذو عضو دوّار، يديره سائل أو غاز متحرّك، مثل الماء والبخار والغاز والهواء، ويسمى أيضًا العنَفَة. يغير التوربين الطاقة الحركيّة (طاقة الحركة) لسائل إلى نوع خاص من الطّاقة الحركيّة وهي طاقة الدّوران التي تُستخدم لتحريك الآلات. يوصّل التوربين الطّاقة الميكانيكية إلى الآلات الأخرى عن طريق دوران المحور الدّوار.
يوفّر التوربين الطّاقة لآلات مختلفة، منها المولّدات الكهربائيّة ومضخات الماء. وفي الواقع، تنتج المولّدات التي تحرّكها توربينات معظم الكهرباء المستخدمة في إضاءة المنازل وتشغيل المصانع. وتؤدي التوربينات التي تُشغّل مضخّات الماء دورًًًا مهمًًًّا في مشاريع الرّي في جميع أنحاء العالم. وتستخدم التوربينات كذلك لتدوير مراوح السّفن، وتُعدُّ جزءًا مهمًّا في محّرك الطّائرة الّنفّاثة.



نبذة تاريخية

عجلات الماء هي أقدم أنواع التوربينات المعروفة. فلقد استخدمها الإغريق القدامى منذ عام 100 تقريبًا ق.م لطحن الحبوب وعصر الزيتون. وبحلول القرن الرابع الميلادي، أدخل الرّومان العجلة المائيّة (الساقية) إلى أنحاء عدة في أوروبا.
كانت أول طاحونة هوائيةقد أُنشِئَت في بلاد فارس (إيران حاليًا) في القرن السابع الميلادي، واستخدمت هذه الطواحين الهوائية لطحن الحبوب وريّ المحاصيل. وفي القرن الثاني عشر الميلادي انتشرت هذه الطواحين في أوروبا. في القرن الخامس عشر الميلادي بدأ الناس في هولندا استخدام الطّواحين الهوائيّة لصرف مياه المستنقعات والبحيرات الواقعة بالقرب من البحر.
بقيت عجلات الماء وطواحين الهواء لعدّة قرون هي التوربينات الوحيدة المفيدة. صنع العالِم هيرو الإسكندري توربين بخار صغيرًا في عام 60م ولكنه لم يسْتَخدم لتشغيل أي شيء. وفي عام 1629م أنشأ المهندس الإيطالي جيوفاني برانكا توربينًا بخاريًا يَعمل بمبدأ الدفع واستُخدِم في معمل تشكيل بالكبس.
والعجلات المائية والطواحين الهوائية أقل فعالية من التوربينات الحاليّة، لأن معظم السّائل المتحرك ينساب حول أطراف مراوح العضو الدوّار. وخلال القرن التاسع عشر الميلادي، بدأ المهندسون والمخترعون تطوير توربينات مغلقة ذات فعاليّة أكبر. ففي عام 1824م، أدخل المهندس الفرنسي، كلود بيردن، كلمة توربين عن طريق تقديم ورقة علمية. وأصل هذه الكلمة يأتي من اللفظ تيربو، وهي كلمة لاتينية تعني الجسم الذي يدور. وفي عام 1827م أنشأ المهندس الفرنسي بنوا فورنيرون أول توربين مائي مغلق ناجح، وبعد نجاح فورنيرون تغلّب المهندسون على معظم العقبات التي حالت دون إنشاء توربين
مائي فعال.





Typical velocity triangles

for a single turbine stage


كيفية عمل التوربين


Asymmetric airfoil


مبادئ تشغيل التوربين تدور عجلات التوربين بتأثير الدفع أو رد الفعل. ففي التوربين البسيط يوجد قرص أو عجلة مركّبة على محور. يوضع هذا المحور إما أفقيًًًّا أو عموديًًًّا. وتوجد على حافة العجلة ريشات منحنية أو سطول توجّه الصّنابير أو البوّابات المتحرّكة المسمّاة ريش التوجيه السائل إلى الريشات أو السّطول، وتضبط سرعتها. وفي العديد من التوربينات، هناك غلاف يحيط بالعضو الدوّار. والغلاف يحفظ السّائل على العضو الدوّار حتى لا تضيع أيّة كمية من طاقة السائل.
وعندما يمرّ السّائل عبر التوربين فإنه يرتطم أو يدفع الريشات أو السّطول ويجعل العجلة تدور. وعندما تدور العجلة، يدور محور العجلة. وهذا المحور متّصل مباشرة، أو عن طريق مسنّات متتالية، بمولّد كهربائيّ، أو ضاغط هواء، أو أيّ آلة أخرى، لذلك فدوران العضو الدوّار يُشغّل آلة ما.
بعض التوربينات يكون فيها عضو دوّار ذو عجلة واحدة فقط. ولكن، بعض الأعضاء الدوّارة الأخرى يكون فيها 50 عجلة أو أكثر. وتزيد العجلات الكثيرة من فعاليّة
التوربين، لأن كل عجلة تستخرج طاقة زائدة من السّائل المتحرّك. فالتوربين الذي فيه أكثر من عجلة، تكون جميع العجلات فيه مركبة على محور واحد، مرتبة الواحدة تلو الأخرى. وهناك طوق ريشات منحنية مثبتة في الجدار الدّاخلي للغلاف، وهذا الطوق مقابل للعجلة. وتوجِّه هذه الريشات المثبتة السّائل إلى العجلة، وتُسمى العجلة وطوق الريشات الثابتة المرحلة. والتوربينات المتعدّدة المراحل هي التوربينات التي بها مراحل عدة.
أنواع التوربينات

تُقَسّم التوربينات أحيانًا حسب طريقة تشغيلها. وتشغل جميع التوربينات بالدّفع أو بردّ الفعل، أو بهما معًا. ففي توربين الدّفع تجعل قوّة السائل سريع الحركة عند ارتطامه بالريشات، العضو الدّوار يدور. وفي توربين رد الفعل، يدور العضو الدّوار نتيجة لضغط السّائل على الريشات.
يعتمد التّقسيم المعهود للتوربينات على نوع السّائل الذي يُديرها؛ وطبقًا لهذا التقسيم، هنالك أربعة أنواع من التوربينات: 1- التوربين المائي 2- التوربين البخاري 3- التوربين الغازي 4- التوربين الهوائي.
التوربين المائي

يديره الماء السّاقط من مكان مرتفع عبر أنبوب أو أي قناة أخرى. توربين بلتون المبين في الشكل يدير مولدًا كهربائيًا في مصنع للورق. التوربين المائي. يسمّى كذلك التوربين الهيدرولي. معظم التوربينات المائية تديرها شلاّلات مائية أو مياه مخزّنة خلف سدود. وتستخدم هذه التوربينات في تشغيل مولّدات كهربائية في محطّات القدرة الكهرومائية.
وهناك ثلاثة أنواع رئيسيّة من التوربينات المائية: 1- عجلة بلتون 2- توربين فرانسيس 3- توربين كابلن. ويعتمد نوع التوربين المستخدم في أي مصنع على ارتفاع الضّغط الموجود. وارتفاع الضّغط هو المسافة التي تسقطها المياه قبل أن ترتطم بالتوربين. ويتدرج ارتفاع الضغط من حوالي مترين ونصف المتر إلى أكثر من 300م.
عجلة بلتون

هي التوربين الذي يعمل بالدّفع ويُستخدم عندما يكون ارتفاع الضّغط أكثر من 300م. يتكوّن العضو الدّوار في عجلة بلتون من عجلة واحدة فقط مركّبة على محور أفقي. وهذه العجلة فيها سطول على شكل أكواب على حافتها الخارجيّة. ويسقط الماء من بحيرة أو خزّان على التوربين من خلال أنبوب طويل يسمّى البربخ. وتزيد الصّنابير ـ وعددها من واحد إلى سِتّة ـ والموجودة في نهاية القناة، من سرعة تدفّق الماء، وتوجّه الماء إلى السّطول، فتدير قوة هذه النوافير المائية عالية السّرعة العجلة.
توربين فرانسيس

يُستخدم هذا التوربين عندما يكون ارتفاع الضغط بين 30م و 300م. ويحيط غلاف بالدوّار في توربين فرانسيس، وتوجد في عجلته 24 ريشة منحنية، ويكون محور العجلة عموديًا. وتعمل عجلة توربين فرانسيس تحت الماء. ويحيط بهذه العجلة طوق من ريشات التوجيه التي تُفتََحُ وتُغلَقُ للتحكم في كمية الماء الداخلة على العجلة. وتعمل الفراغات بين الريش كصنابير لتوجيه الماء إلى مركز العجلة، ويدور العضو الدّوار أساسًا بفعل ضغط الماء المندفع.
توربين كابلن

يستخدم هذا التوربين لارتفاع ضغط أقل من 30م. وخير مثال على العضو الدّوار في توربين كابلن هو مروحة السّفينة. وتوجد في توربين كابلن من ثلاث إلى ثماني ريشات مثبّتة في محور عمودي. وتشبه طريقة عمل توربين كابلن إلى حد كبير طريقة عمل توربين فرانسيس، فكلاهما يعمل بردّ الفعل.

[طارق سرور]

طرح رائع ومعلومات قيمة جدااااااااا

شكرى وتقديرى أخى أحمد إسماعيل

[نور]

طرح اكثر من قيم
سلمت احمد
طرح رائع ومفيد
دمت بخير

[SOHER]

تسلم أحمد على المعلومات القيمة

تحيتى وتقديرى .