سفری به دنیای توربوماشین‌ها

گام اول؛ ماشین
ماشین در تصور عوام، تشکیلاتی شامل میل‌لنگ، گلگیر و فرمان است! اما شما مهندسین محترم که این متن را می‌خوانید، پنجم دبستان را به خوبی به‌خاطر دارید. «ماشین وسیله‌ای است که به ما کمک می‌کند تا کارها را آسان‌تر انجام دهیم.» با این تفاسیر ما همزمان هم هواپیمای مسافربری ایرباس A380 و هم پیچ M3 را ماشین می‌نامیم. در همان کتاب علوم پایه پنجم دبستان خواندیم که ماشین‌ها به دو گروه اصلی ماشین‌های ساده و ماشین‌های پیچیده تقسیم می‌شوند. سطح شیب‌دار، چرخ و محور، اهرم، قرقره، گوه و پیچ در دستۀ ماشین‌های ساده قرار می‌گیرند و سایر ماشین‌ها، همگی پیچیده و متشکل از ماشین‌های ساده اند. اما در دانشگاه شما طی دست‌و‌پنجه نرم‌کردن با ماشین‌های پیچیده، با توربوماشین‌ها آشنا می‌شوید که همان دریایی است که در ادامۀ متن با هم درون آن غرق خواهیم شد.

ایدۀ ماشین ساده، نخستین بار در حدود قرن سوم پیش از میلاد، توسط ارشمیدس مطرح شد. او در کتاب خود سه ماشین سادۀ اهرم، قرقره و پیچ را معرفی کرد و با بررسی اهرم، اصل مزیت مکانیکی را کشف کرد. ارشمیدس دریافت که باری وجود ندارد که نتوان با استفاده از اهرم، آن را حتی با کم‌ترین نیرو بلند کرد. او چنان از کشف خود مسرور و مغرور بود که پلوتارک تاریخ‌نگار یونان باستان نوشته است: «یک بار ارشمیدس به هیرون، پادشاه سیراکوس که خویشاوند و دوست وی بود، نوشت که اگر زمین دیگری وجود داشت، من به روی آن می رفتم و زمین خودمان را تکان می‌دادم!»

روی کاغذ این ادعا درست به‌نظر می‌رسد و هر وزنی روی بازوی کوتاه اهرم را می‌توان با نیروی کمی در بازوی به‌اندازه کافی بلند اهرم بلند کرد. اما این مکانیک نابغه اگر از جرم زمین (5.972 × 10^24 kg) آگاه بود، چنین ادعای غرورآمیزی نمی‌کرد. اگر ارشمیدس می‌توانست با دست خود 60 کیلوگرم را به طور مستقیم بلند کند، نیاز به اهرمی داشت که بازوی بزرگ آن 10^23 برابر بازوی کوچک آن باشد. با یک محاسبه ساده می‌فهمیم که برای بلند شدن انتهای بازوی کوتاه اهرم به‌اندازۀ قوسی یک سانتی‌متری، باید انتهای بازوی دیگر آن در فضا قوس عظیمی به طول 10^18 کیلومتر رسم کند. دست ارشمیدس که بر بازوی دراز اهرم فشار می آورده است، باید چنین راه دراز غیرقابل تصوری را بپیماید تا بتواند فقط به اندازه یک سانتی‌متر، زمین را بلند کند. اگر ارشمیدس می‌توانست انتهای اهرم را با سرعت نور حرکت دهد، بازهم 106 هزارسال طول می‌کشید تا بتواند زمین را به اندازه یک سانتی‌متر بلند کند.

گام دوم؛ توربو

واژۀ «توربو» در نام‌گذاری توربوماشین‌ها حرکت چرخان این ماشین‌ها را نشان می‌دهد.
 یعنی توربوماشین‌، ماشین‌ مکانیکی دواری است که در آن‌ به دلیل حرکت دینامیکی ماشین، انرژی بین پره‌های چرخان ماشین و سیال کاری منتقل می‌شود. طراحی و ساخت این ماشین‌ها برای کاربردهای صنعتی، بسیار پیچیده است ولی همۀ‌ آن‌ها از اصول ساده و پایۀ‌ حاکم بر توربوماشین‌ها پیروی می‌کنند. برای مثال می‌دانیم که وقتی پنکه را روشن می‌کنیم، هوا شروع به وزیدن می‌کند! حال تصور کنید که این پنکه خیلی بزرگتر شود، اکنون حتی می‌تواند یک هواپیما را به آسمان بفرستد یا برق خانه‌تان را تامین کند!

توربوماشین‌ها از دو بخش دوار و ساکن تشکیل می‌شوند. بخش دوار این ماشین‌آلات شامل یک یا چند پروانه (چرخ یا ایمپلر) و هر پروانه شامل یک یا چند پره (بلید) است که به صورت متقارن نسبت به محور دوران قرار گرفته‌اند. پروانه‌ها بر روی محور توربوماشین قرار گرفته‌اند و با سرعتی معادل سرعت دورانی محور دوران می‌کنند. نکتۀ مهمی که باید به آن توجه کرد این است که انتقال انرژی در توربوماشین‌ها از طریق تغییر در آنتالپی سیال کاری توربوماشین صورت می‌گیرد. در نهایت این انرژی در مسائل مکانیک سیالات به عنوان کار شفت شناخته می‌شود که یا به سیال داده (مانند کمپرسورها و پمپ‌ها) و یا از آن دریافت (مانند توربین‌ها) می‌شود.

توربین ها در مقابل کمپرسورها و پمپ‌ها قرار می‌گیرند و اساساً در عملکرد خود متضاد هستند. در حالی که یک کمپرسور یا پمپ انرژی را به سیال منتقل می کند و فشار آن را افزایش می دهد، یک توربین برعکس عمل می‌کند. انرژی را از جریان سیال استخراج می‌کند و فشار آن را کاهش می‌دهد. به عبارت ساده، توان باید به کمپرسورها وارد شود و توان از توربین ها تولید می‌شود. در ادامه به بررسی اجمالی هر یک می‌پردازیم.

گام سوم؛ توربین‌ها

توربین‎ها دستگاه‌هایی هستند که انرژی را از سیال کاری می‌گیرند و به کار مفید تبدیل می‌کنند. به عنوان مثال، پره‌های یک توربین بادی بزرگ به یک محور مرکزی متصل می‌شوند، که سپس نیروی باد را به جعبه‌دنده و در نهایت به یک ژنراتور الکتریکی منتقل می‌کند. یعنی یک توربین بادی با تبدیل انرژی مکانیکی از پره‌های دوار به انرژی الکتریکی در ژنراتور الکتریکی خود، نیرو را از باد استخراج می‌کند. توربین‌ها برای استخراج موثر نیرو از منابع انرژی شیمیایی، اتمی یا محیطی (باد، آب، خورشید) ضروری هستند. در ادامه به چهار نوع رایج توربین اشاره می‌کنیم:

1. توربین‌های بخار(Steam Turbine):
به طور حتم نام توربین بخار را شنیده‌اید، توربین‌های بخار از بخار پرفشار و انرژی حرارتی آن برای ایجاد حرکت دورانی استفاده می‌کنند. بیشتر نیروگاه‌های برق از ذغا‌ل‌سنگ، گاز طبیعی، نفت یا راکتور هسته‌ای برای تولید بخار استفاده می‌کنند. بخار تولید‌شده از میان توربینی چندمرحله‌ای که با دقت بالایی طراحی شده است، عبور می‌کند و محور خروجی را می‌چرخاند. چرخش این محور، ژنراتور نیروگاه را به حرکت درمی‌آورد. به عنوان مثال، در ایالات متحده، تا سال 2023، تقریباً 60 درصد از برق تولید شده به کمک توربین‌های بخار در نیروگاه‌های هسته‌ای و حرارتی تامین شد.

. توربین‌های گازی(Gas Turbine):
توربین گازی یکی از انواع توربین است که از گاز فشرده شده برای چرخیدن به منظور تولید الکتریسیته یا تولید انرژی جنبشی برای هواپیما یا جت استفاده می‌کند. به فرایند انجام این کار «چرخه برایتون» (Brayton cycle) می‌گوییم. در تمام موتورهای توربین‌های گازی مدرن، موتور گاز فشرده خود را تولید می‌کند. این کار با سوزاندن ماده‌ای مانند پروپان، گاز طبیعی یا سوخت هواپیما انجام می‌شود. گاز فشرده که از کمپرسور حاصل می‌شود به سیستم احتراق وارد می‌شود و راندمان فرآیند احتراق را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. گرمای ایجاد شده توسط این سوخت، هوای جریان یافته در توربین را منبسط و انرژی مفید تولید می‌کند. این ماشین‌ها به دلیل سرعت بالا و قدرت زیادی که در فرآیندهای صنعتی و حمل‌ونقل دارند، در مقیاس وسیع به کار می‌روند.

. توربین‌های بادی(Wind Turbine):

توربین‌های بادی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که از انرژی جنبشی باد برای تولید برق بهره‌برداری کند. این نوع توربین‌ها جزء اساسی سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر هستند و برای کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و حفاظت از محیط‌زیست، در حال رشد هستند. باد با عبور از میان پره‌های روتور، آن‌ها را به چرخش درمی‌آورد و بخشی از انرژی جنبشی خود را به شفت مرکزی منتقل می‌کند. این انتقال باعث حرکت شفت می‌شود، اگرچه انتهای پره‌‌ها با سرعت زیادی می‌‌چرخند، اما شفت مرکزی سرعت آهسته‌‌ای دارد.

در قسمت ناسل، که قلب توربین بادی محسوب می‌شود و بالای برج قرار دارد، جعبه‌دنده وظیفه تبدیل سرعت پایین شفت محرک را به سرعت بالا برای حرکت ژنراتور بر عهده دارد. این جعبه‌دنده سرعت چرخش شفت را از حدود ۱۶ دور در دقیقه به حدود ۱۶۰۰ دور در دقیقه افزایش می‌دهد. ژنراتور، که به طور مستقیم بعد از جعبه‌دنده نصب شده است، انرژی جنبشی منتقل شده توسط شفت را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. در شرایطی که توربین با حداکثر ظرفیت خود کار کند، یک ژنراتور استاندارد ۲ مگاواتی قادر به تولید حدود ۲
میلیون وات برق در ولتاژی حدود ۷۰۰ ولت است.

. توربین‌های آبی(Water Tutbine):

توربین‌های آبی معمولاً در نیروگاه‌های آبی و سدهای هیدروالکتریکی برای تولید برق از جریان طبیعی آب در رودخانه‌ها، نهرها یا کانال‌ها استفاده می‌شوند. این توربین‌ها اغلب از پره‌ها یا سطل‌هایی تشکیل شده‌اند که بر روی یک روتور نصب شده‌اند و به یک ژنراتور متصل هستند. حرکت آب باعث چرخش روتور می‌شود و در نتیجه انرژی مکانیکی به برق تبدیل می‌شود. انواع مختلفی از توربین‌های آبی وجود دارند، از جمله توربین‌های فرانسیس، پلتون و کاپلان که هر کدام برای شرایط خاص جریان آب و نیازهای تولید برق مناسب هستند. این توربین‌ها در نیروگاه‌های آبی بزرگ و کوچک و همچنین در پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر به کار می‌روند.

گام چهارم؛ کمپرسورها و پمپ‌ها

حال که با توربین‌ها آشنا شدید و فهمیدید که این دستگاه‌ها انرژی را از سیال کاری دریافت می‌کنند، وقت آن است که با کمپرسورها و پمپ‌ها آشنا شوید؛ دستگاه‌هایی که برخلاف توربین‌ها، انرژی را به سیال کاری انتقال می‌دهند. در طراحی این ماشین‌ها، شباهت‌هایی مانند استفاده از شفت، پره‌ها و محفظه مشاهده می‌شود. کمپرسورها از این لحاظ که فشار سیال را افزایش داده و باعث حرکت سیال داخل لوله می‌شوند مشابه پمپ‌ها هستند. آنجا که گازها قابل فشرده‌سازی به شمار می‌روند، کمپرسور می‌تواند حجم گاز را کاهش دهد؛ این در حالی است که مایعات نسبتا غیر قابل تراکم هستند و از یک پمپ انرژی مورد نیاز را دریافت می‌کنند. پمپ در سیالات تراکم‌ناپذیر منجر به جریان یافتن سیال در خطوط لوله می‌گردد.

«کمپرسور گاز» (Gas Compressor) دستگاهی مکانیکی است که از طریق کاهش حجم، فشار گاز را افزایش می‌دهد. فشرده‌سازی گاز به طور طبیعی باعث افزایش دمای آن می‌گردد. کمپرسورها معمولاً انرژی بیشتری مصرف می‌کنند زیرا عملیات فشرده‌سازی نیاز به توان بیشتری دارد. کمپرسور با چرخش پره‌ها و فشرده‌سازی گاز، انرژی مکانیکی را به سیال منتقل می‌کند و گاز فشرده شده را برای استفاده در فرآیندهای صنعتی آماده می‌سازد. کمپرسورهای گاز برای طیف وسیعی از کاربردها از جمله: انتقال گاز طبیعی از طریق خط لوله، ذخیره‌سازی گازهای خالص در حجم‌های کوچک، فشرده کردن هوای ورودی در توربین‌های گاز، کابین هواپیمای تحت فشار، جابجایی حرارت در سیستم‌های تبرید، ذخیره هوا در زیردریایی‌ها و تهیه هوای فشرده برای ترمزهایی که با هوا کار می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در سوی دیگر پمپ وسیله‌ای است که به کمک عمل مکانیکی، سبب حرکت و افزایش فشار سیالات (غالباً مایعات) از یک بخش به بخشی دیگر می‌شود. پمپ‌ها از انواع ماشین‌های اولیه بشر هستند که قدمت آن‌ها به دوران مصر باستان می‌رسد که از جمله آن‌ها می‌توان به تلمبه‌های دستی اشاره کرد. این دستگاه‌ها انرژی مکانیکی را از منبعی مانند موتور دریافت کرده و آن را به سیال منتقل می‌کند تا جریان سیال برقرار شود. برای مثال در پمپ‌های گریز از مرکز، مایع وارد محفظه‌ای چرخان می‌شود که پره‌های دوار آن با سرعت بالا مایع را به سمت بیرون هدایت می‌کنند و فشار سیال را افزایش می‌دهند. یا در پمپ‌های رفت و برگشتی، حرکت پیستون یا دیافراگم باعث ایجاد تغییرات فشار می‌شود و سیال به طور مداوم جابه‌جا می‌شود. این طراحی‌ها امکان استفاده از پمپ‌ها در کاربردهای مختلف از جمله آب‌رسانی، انتقال مواد شیمیایی و فرآیندهای صنعتی را فراهم می‌کنند.

در پایان، توربوماشین‌ها را باید شاهکارهای مهندسی مکانیک دانست؛ ماشین‌هایی که با تلفیق اصول فیزیک، ترمودینامیک و مکانیک سیالات، تحولی بی‌بدیل در صنایع گوناگون پدید آورده‌اند. چه در تولید انرژی و برق، چه در حمل‌ونقل هوایی و چه در صنایع سنگین مانند نفت و گاز، این دستگاه‌ها همواره نقشی محوری و بنیادین ایفا کرده‌اند. هرچند طراحی و ساخت آن‌ها فرایندی دشوار و پیچیده است، اما به مدد پیشرفت‌های علمی و فناوری‌های نوین، توربوماشین‌ها همچنان در اوج کارآمدی، همگام با نیازهای عصر مدرن، به مسیر خود ادامه می‌دهند و بنیانی برای توسعه و پیشرفت در تمامی صنایع باقی می‌مانند.