تعمیر توربین

توربین (/ˈtɜːrbaɪn/ یا /ˈtɜːrbɪn/) (از یونانی τύρβη، tyrbē یا لاتین turbo به معنی گرداب) یک وسیله مکانیکی چرخشی است که انرژی را از جریان سیال استخراج می کند و آن را به کار مفید تبدیل می کند. . کار تولید شده توسط یک توربین می تواند برای تولید نیروی الکتریکی در صورت ترکیب با یک ژنراتور استفاده شود.

توربین یک توربوماشین با حداقل یک قسمت متحرک به نام مجموعه روتور است که یک شفت یا درام با پره های متصل است. سیال متحرک بر روی تیغه ها عمل می کند به طوری که آنها حرکت می کنند و انرژی دورانی را به روتور می دهند. نمونه‌های اولیه توربین‌ها آسیاب‌های بادی و چرخ‌های آبی هستند.

توربین های گاز، بخار و آب دارای پوششی در اطراف پره ها هستند که سیال عامل را در خود جای داده و کنترل می کند. اعتبار اختراع توربین بخار هم به مهندس انگلیسی-ایرلندی سر چارلز پارسونز (1854-1931) برای اختراع توربین واکنش و هم به مهندس سوئدی گوستاف د لاوال (1845-1913) برای اختراع توربین ضربه ای داده شده است.

توربین‌های بخار مدرن اغلب از هر دو واکنش و ضربه در یک واحد استفاده می‌کنند، که معمولاً درجه واکنش و ضربه را از ریشه تیغه تا حاشیه آن تغییر می‌دهند. قهرمان اسکندریه در قرن اول پس از میلاد، اصل توربین را در یک باله نشان داد و ویتروویوس در حدود 70 قبل از میلاد از آنها یاد کرد.

کلمه توربین در سال 1822 توسط مهندس معدن فرانسوی کلود بوردین از یونانی τύρβη tyrbē به معنی گرداب یا چرخان در یادداشتی با عنوان “Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse” ابداع شد. به Académie Royale des Sciences در پاریس ارائه شد.[4] بنوا فورنیرون، شاگرد سابق کلود بوردین، اولین توربین آبی عملی را ساخت.
یک سیال کار حاوی انرژی پتانسیل (سر فشار) و انرژی جنبشی (سرعت) است. سیال ممکن است تراکم پذیر یا غیر قابل تراکم باشد. چندین اصل فیزیکی توسط توربین ها برای جمع آوری این انرژی استفاده می شود:

توربین های ضربه ای جهت جریان یک سیال یا جت گاز با سرعت بالا را تغییر می دهند. تکانه حاصل توربین را می چرخاند و جریان سیال را با انرژی جنبشی کاهش یافته ترک می کند. هیچ تغییر فشار سیال یا گاز در پره های توربین (پره های متحرک) وجود ندارد، همانطور که در مورد توربین بخار یا گاز، تمام افت فشار در پره های ثابت (نازل ها) اتفاق می افتد. قبل از رسیدن به توربین، هد فشار سیال با شتاب دادن به سیال با یک نازل به سر سرعت تبدیل می شود.

چرخ های پلتون و توربین های د لاوال به طور انحصاری از این فرآیند استفاده می کنند. توربین های ضربه ای نیازی به محفظه فشاری در اطراف روتور ندارند زیرا جت سیال قبل از رسیدن به پره های روتور توسط نازل ایجاد می شود. قانون دوم نیوتن انتقال انرژی برای توربین های ضربه ای را توصیف می کند. توربین های ضربه ای برای استفاده در مواردی که دبی کم و فشار ورودی زیاد است کارآمدتر هستند.

توربین های واکنشی با واکنش به فشار یا جرم گاز یا سیال، گشتاور تولید می کنند. فشار گاز یا سیال با عبور از پره های روتور توربین تغییر می کند.یک محفظه فشاری برای محتوی سیال کار مورد نیاز است زیرا روی مرحله (های) توربین عمل می کند یا توربین باید به طور کامل در جریان سیال غوطه ور شود (مانند توربین های بادی).

محفظه حاوی سیال کار است و آن را هدایت می کند و برای توربین های آبی، مکش وارد شده توسط لوله کشش را حفظ می کند. توربین های فرانسیس و بیشتر توربین های بخار از این مفهوم استفاده می کنند.

برای سیالات کاری تراکم پذیر، معمولاً از چند مرحله توربین برای مهار گاز در حال انبساط به طور مؤثر استفاده می شود. قانون سوم نیوتن انتقال انرژی برای توربین های واکنش را توصیف می کند. توربین‌های واکنش برای سرعت‌های جریان بالاتر یا کاربردهایی که سر سیال (فشار بالادست) پایین است، مناسب‌تر هستند.
در مورد توربین‌های بخار، مانند مورد استفاده در کاربردهای دریایی یا تولید برق در زمین، یک توربین واکنشی از نوع پارسونز به تعداد ردیف‌های پره‌ای تقریباً دو برابر توربین ضربه‌ای نوع de Laval نیاز دارد. درجه تبدیل انرژی حرارتی در حالی که این باعث می شود که توربین پارسونز بسیار طولانی تر و سنگین تر شود، بازده کلی یک توربین واکنش کمی بالاتر از توربین ضربه ای معادل برای همان تبدیل انرژی حرارتی است.

در عمل، طراحی های مدرن توربین از هر دو مفهوم واکنش و ضربه به درجات مختلف تا حد امکان استفاده می کنند. توربین‌های بادی از یک ایرفویل برای تولید واکنش بالابر از سیال متحرک و انتقال آن به روتور استفاده می‌کنند. توربین‌های بادی نیز با انحراف آن در یک زاویه، مقداری انرژی از ضربه باد به دست می‌آورند.

توربین های دارای مراحل چندگانه ممکن است از پره های واکنشی یا ضربه ای در فشار بالا استفاده کنند. توربین های بخار به طور سنتی ضربه ای تر بودند اما همچنان به سمت طرح های واکنشی مشابه آنچه در توربین های گاز استفاده می شود حرکت می کنند.

در فشار کم، محیط سیال عامل برای کاهش اندک فشار، حجم خود را افزایش می دهد. تحت این شرایط، تیغه به طور دقیق به یک طراحی نوع واکنش تبدیل می شود که پایه تیغه صرفاً ضربه ای است. دلیل آن به دلیل تأثیر سرعت چرخش برای هر تیغه است. با افزایش حجم، ارتفاع تیغه افزایش می یابد و پایه تیغه با سرعت کمتری نسبت به نوک می چرخد. این تغییر در سرعت، طراح را مجبور می‌کند که از ضربه در پایه، به نوک سبک واکنش بالا تغییر کند.

روش های کلاسیک طراحی توربین در اواسط قرن 19 توسعه یافت. تحلیل برداری جریان سیال را با شکل و چرخش توربین مرتبط کرد. در ابتدا از روش های محاسبه گرافیکی استفاده شد. فرمول‌های ابعاد اصلی قطعات توربین به خوبی مستند شده‌اند و یک ماشین بسیار کارآمد را می‌توان به طور قابل اعتماد برای هر شرایط جریان سیال طراحی کرد. برخی از محاسبات فرمول های تجربی یا “قاعده سرانگشتی” هستند و برخی دیگر بر اساس مکانیک کلاسیک هستند. همانند بسیاری از محاسبات مهندسی، مفروضات ساده‌سازی انجام شد.

از مثلث های سرعت می توان برای محاسبه عملکرد پایه یک مرحله توربین استفاده کرد. گاز با سرعت مطلق Va1 از پره های راهنمای نازل توربین ثابت خارج می شود. روتور با سرعت U می چرخد. نسبت به روتور، سرعت گاز در برخورد با ورودی روتور Vr1 است. گاز توسط روتور چرخانده شده و نسبت به روتور با سرعت Vr2 خارج می شود.

با این حال، به صورت مطلق، سرعت خروجی روتور Va2 است. مثلث های سرعت با استفاده از این بردارهای سرعت مختلف ساخته می شوند. مثلث های سرعت را می توان در هر مقطعی از طریق تیغه ها ساخت (به عنوان مثال: توپی، نوک، قسمت میانی و غیره) اما معمولاً در شعاع مرحله متوسط ​​نشان داده می شوند.
انواع
توربین های بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی در نیروگاه های حرارتی که از زغال سنگ، نفت کوره یا سوخت هسته ای استفاده می کنند استفاده می شود. زمانی از آنها برای به حرکت درآوردن مستقیم دستگاه‌های مکانیکی مانند پروانه‌های کشتی استفاده می‌شد (به عنوان مثال توربینیا، اولین پرتاب بخار با موتور توربین) اما اکثر این برنامه‌ها اکنون از چرخ دنده‌های کاهش یا یک پله الکتریکی میانی استفاده می‌کنند، جایی که توربین در آن قرار دارد.

برای تولید الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرد، که سپس موتور الکتریکی متصل به بار مکانیکی را تغذیه می کند. ماشین‌آلات کشتی‌های برقی توربو به‌ویژه در دوره قبل و در طول جنگ جهانی دوم محبوبیت داشتند، عمدتاً به دلیل نبود امکانات کافی برای برش دنده در کارخانه‌های کشتی‌سازی ایالات متحده و بریتانیا.
موتورهای توربین گازی هواپیما گاهی اوقات به عنوان موتورهای توربین برای تمایز بین موتورهای پیستونی شناخته می شوند.
توربین ترانسونیک جریان گاز در بیشتر توربین‌های مورد استفاده در موتورهای توربین گازی در طول فرآیند انبساط مادون صوت باقی می‌ماند. در یک توربین فراصوت، جریان گاز با خروج از پره‌های راهنمای نازل، مافوق صوت می‌شود، اگرچه سرعت‌های پایین دست معمولاً مافوق صوت می‌شوند. توربین های ترانسونیک با نسبت فشار بالاتری نسبت به حالت عادی کار می کنند، اما معمولا کارایی کمتری دارند و غیر معمول هستند.
توربین های ضد چرخش با توربین های محوری، اگر یک توربین پایین دست در جهت مخالف یک واحد بالادست بچرخد، می توان برخی از مزیت های بازده را به دست آورد. با این حال، این عارضه می تواند معکوس باشد.

یک توربین بخار ضد چرخش که معمولاً به عنوان توربین لیونگستروم شناخته می شود، در ابتدا توسط مهندس سوئدی فردریک لیونگستروم (1875-1964) در استکهلم اختراع شد و با همکاری برادرش بیرگر لیونگستروم در سال 1894 حق امتیازی را به دست آورد. توربین شعاعی چند مرحله‌ای (یا جفت روتور توربین تودرتو) با راندمان بالا، چهار برابر افت گرما در هر مرحله بیشتر از توربین واکنش (پارسونز)، طراحی بسیار فشرده و نوع موفقیت خاصی در نیروگاه‌های فشار برگشتی داشت.

با این حال، برخلاف طرح‌های دیگر، حجم‌های بخار بزرگ به سختی مدیریت می‌شوند و تنها ترکیبی با توربین‌های جریان محوری (DUREX) اجازه می‌دهد که توربین برای توان بیش از حدود 50 مگاوات ساخته شود. در کاربردهای دریایی تنها حدود 50 واحد توربو-الکتریک سفارش داده شد (که مقدار قابل توجهی در نهایت به کارخانه های زمینی فروخته شد) در طول 1917-1919، و در طول 1920-1922 تعداد کمی از واحدهای توربو-مکانیکی نه چندان موفق فروخته شد.

تنها چند نیروگاه دریایی توربو الکتریک در اواخر دهه 1960 هنوز در حال استفاده بودند (ss Ragne، ss Regin) در حالی که بیشتر نیروگاه های زمینی در سال 2010 همچنان مورد استفاده قرار می گیرند.
توربین بدون استاتور توربین های چند مرحله ای دارای مجموعه ای از پره های راهنمای ورودی استاتیک (به معنای ثابت) هستند که جریان گاز را به سمت پره های چرخان روتور هدایت می کنند. در یک توربین بدون استاتور، جریان گاز خروجی از روتور بالادست به روتور پایین دست برخورد می‌کند، بدون اینکه با مجموعه‌ای میانی از پره‌های استاتور (که سطوح انرژی فشار/سرعت جریان را بازآرایی می‌کنند) برخورد کند.
توربین سرامیکی. پره‌های توربین فشار بالا (و پره‌ها) از آلیاژهای مبتنی بر نیکل ساخته می‌شوند و اغلب از گذرگاه‌های خنک‌کننده هوای داخلی برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد فلز استفاده می‌کنند. در سال‌های اخیر، تیغه‌های سرامیکی آزمایشی در توربین‌های گازی با هدف افزایش دمای ورودی روتور و/یا احتمالاً حذف خنک‌کننده هوا، تولید و آزمایش شده‌اند. تیغه های سرامیکی شکننده تر از همتایان فلزی خود هستند و خطر خرابی فاجعه بار تیغه ها را به همراه دارند. این باعث شده است که استفاده از آنها در موتورهای جت و توربین های گاز به پره های استاتور (ایستا) محدود شود.
توربین روکش دار. بسیاری از پره‌های روتور توربین دارای پوششی در بالا هستند که با تیغه‌های مجاور قفل می‌شود تا میرایی را افزایش داده و در نتیجه لرزش پره‌ها را کاهش دهد. در توربین‌های بخار بزرگ تولید برق زمینی، پوشش اغلب تکمیل می‌شود، به‌ویژه در پره‌های بلند توربین‌های کم فشار، با سیم‌های توری.

این سیم ها از سوراخ هایی که در تیغه ها حفر شده اند با فواصل مناسب از ریشه تیغه عبور می کنند و معمولاً در نقطه عبور به تیغه ها لحیم می شوند. سیم های توری باعث کاهش لرزش تیغه ها در قسمت مرکزی تیغه ها می شود. معرفی سیم های توری به طور قابل ملاحظه ای موارد خرابی تیغه ها را در توربین های بزرگ یا کم فشار کاهش می دهد.
توربین بدون کفن. روش مدرن، تا حد امکان، حذف پوشش روتور است، بنابراین بار گریز از مرکز روی تیغه و نیازهای خنک کننده کاهش می یابد.

توربین بدون پره از اثر لایه مرزی استفاده می کند و نه سیالی که مانند یک توربین معمولی به پره ها برخورد می کند.

توربین های آبی
توربین پلتون، نوعی توربین آبی ضربه ای است.
توربین فرانسیس، نوعی توربین آبی پرکاربرد.
توربین کاپلان، نوعی از توربین فرانسیس.
توربین تورگو، شکل اصلاح شده چرخ پلتون.
توربین جریان متقاطع که به توربین بانکی میشل یا توربین اوسبرگ نیز معروف است.
توربین بادی. اینها معمولاً به صورت تک مرحله ای بدون نازل و پره های راهنمای بین مرحله ای عمل می کنند. یک استثنا Éolienne Bollée است که دارای یک استاتور و یک روتور است.

ترکیب سرعت “کورتیس”. کورتیس توربین د لاوال و پارسونز را با استفاده از مجموعه‌ای از نازل‌های ثابت در مرحله اول یا استاتور و سپس ردیفی از ردیف‌های تیغه‌های ثابت و چرخان، مانند پارسونز یا د لاوال، ترکیب کرد، که معمولاً تا ده در مقایسه با صد. مراحل طراحی پارسونز راندمان کلی طرح کرتیس کمتر از طرح‌های پارسونز یا د لاوال است، اما می‌توان آن را در طیف وسیع‌تری از سرعت‌ها، از جمله عملکرد موفقیت‌آمیز در سرعت‌های پایین و فشارهای پایین‌تر، به‌طور رضایت‌بخشی به کار برد.

استفاده در نیروگاه کشتی در آرایش کورتیس، کل افت گرما در بخار در ردیف نازل اولیه اتفاق می افتد و هر دو ردیف تیغه متحرک بعدی و ردیف تیغه های ثابت صرفا جهت بخار را تغییر می دهند. استفاده از بخش کوچکی از چیدمان کورتیس، معمولاً یک بخش نازل و دو یا سه ردیف تیغه متحرک، معمولاً «چرخ» نامیده می‌شود و در این شکل، کورتیس در دریا به‌عنوان «مرحله حاکم» کاربرد گسترده‌ای پیدا کرد. بسیاری از توربین های واکنشی و ضربه ای و مجموعه های توربین. این عمل هنوز هم امروزه در کارخانه بخار دریایی رایج است.
ضربان چند مرحله ای ترکیب فشار یا “Rateau” به نام مخترع فرانسوی آن آگوست راتو. Rateau از روتورهای ضربه ای ساده استفاده می کند که توسط یک دیافراگم نازل جدا شده اند. دیافراگم اساساً یک دیوار جداکننده در توربین است که مجموعه‌ای از تونل‌ها در آن بریده شده‌اند، به شکل قیف با انتهای پهن رو به مرحله قبل و باریک بعدی نیز زاویه دارند تا جت‌های بخار را به سمت روتور ضربه‌ای هدایت کنند.
توربین های بخار جیوه از جیوه به عنوان سیال عامل برای بهبود کارایی ایستگاه های تولید سوخت فسیلی استفاده می کردند. اگرچه چند نیروگاه با بخار جیوه ترکیبی و توربین های بخار معمولی ساخته شدند، سمیت جیوه فلزی به سرعت آشکار شد.
توربین پیچی یک توربین آبی است که از اصل پیچ ارشمیدسی برای تبدیل انرژی پتانسیل آب در سطح بالادست به انرژی جنبشی استفاده می کند.
یافتن راه حلی که عمر شفت های اصلی را افزایش می دهد
شفت های اصلی توربین بادی از نظر خواص متالورژیکی متفاوت هستند و مواد پایه اغلب به طور قابل توجهی با تولیدکنندگان تجهیزات اصلی، OEM متفاوت است. به دلیل تفاوت در مواد، از نظر تاریخی تعمیر موثر محورهای اصلی و افزایش طول عمر قطعه دشوار بود. مهندسان L&H از طریق آزمایش و تجزیه و تحلیل، دو پیشنهاد تعمیر اولیه را ایجاد کرده‌اند که بر اساس متالورژی و هندسه شفت‌های اصلی توربین بادی طبقه‌بندی می‌شوند.

تعمیرات تخصصی را به متخصصین بخش توربین و تعمیرات آن بسپارید.