توربوماشین

کلمه توربوماشین (Turbomachine) از دو کلمه مجزای توربو و ماشین تشکیل شده است. توربوکلمه‌ای است با ریشه یونانی و به فارسی می‌توان آن را چرخ مولد ترجمه کرد. در زبان‌های آلمانی، انگلیسی و فرانسه عینا کلمه توربوماشین مصطلح بوده و در کتب عملی به کار می‌رود.

توربوماشین‌ها، ماشین‌هایی هستند که قسمت اصلی آنها از یک یا چند چرخ (به جای کلمه چرخ از پروانه و یا روتور نیز استفاده می‌شود) تشکیل شده است. چرخ و یا چرخ‌ها بر روی محوری محکم شده و با آن دوران می‌نمایند. چرخ خود دارای تعدادی پره (Blade) است که به طور متقارن نسبت به محور دوران قرار گرفته‌اند. سیال به هنگام عبور از بین پره‌ها با چرخ تبادل انرژی می‌نماید. یعنی یا انرژی مکانیکی از چرخ به سیال منتقل می‌گردد، که در این صورت انرژی سیال بالا می رود و یا بالعکس انرژی موجود در سیال به چرخ منتقل شده و چرخ دوران می‌کند.

دسته اول را “توربوماشین‌های  توانگیر” و دسته دوم را “توربوماشین‌های  توان ده” می‌نامند. منظور از توان در این نام گذاری، توان مکانیکی است. بنابراین توربوپمپ‌ها، توربو وانتیلاتورها، توربوکمپرسورها، پروانه کشتی، ملخ هواپیما و یا هلیکوپتر جز دسته اول و انواع توربین‌ها جز دسته دوم می‌باشند.

همان طور که ملاحظه می‌شود، این ماشین‌ها از نظر کاربری و ساختمان داخلی دارای تفاوت‌های اساسی می‌باشند. لیکن قسمت اصلی همگی آنها از یک یا چند چرخ دوار تشکیل می‌گردد. چنین وجه اشتراکی موجب شده است که بتوان مطالعه عمومی توربوماشین‌های مختلف را بر یک مبنا استوار کرد و سپس روابط و معادلات حاصله را از یک نوع توربوماشین به نوع دیگر تعمیم داد.

گسترش ساخت، تولید و کاربرد توربوماشین عملاً بعد از حنگ جهانی دوم و هنگامی آغاز گردید که پیشرفت‌های عملی آیرودینامیک (Aerodynamic)، در توربوماشین‌ها نیز بکار گرفته شده و به سرعت توربوماشین‌هایی با قدرت و راندمان بالا پا به عرصه صنعت گذاشتند و عملا در بسیاری موارد ماشین‌های دیگر را از دور خارج نمودند. در مقایسه با ماشین‌های رفت و برگشتی (Reciprocating)، نبودن سیلندر و پیستون و حرکت رفت و آمدی و الزام تبدیل آن به حرکت دورانی از یک طرف و از طرف دیگر پیشرفت تکنولوژی ریخته گری و ماشینکاری و علوم متالورژی باعث شد که امکانات ساخت و تولید توربوماشین‌های با دورهای زیاد و قدرت‌های قابل توجه در حجم کوچک بوجود آید و دامنه استفاده از توربوماشین‌ها در صنعت به طور چشمگیری افزایش یابد. در صنایع هواپیماسازی، توربوماشین‌های مادون و مافوق صوت به سرعت ماشین‌های سیلندر پیستونی را از رده خارج کردند و به کمک این ماشین‌ها هواپیماهای غول پیکر مسافربری و هواپیماهای جنگی با سرعت چندین برابر سرعت صوت ساخته شد. در زمینه تولید برق با ساخت توربین‌های گازی، بخار و آب و تأسیس نیروگاه‌های با ظرفیت چند صد مگاوات، شبکه‌های برق رسانی در کشورها و شهرها به سرعت گسترش یافت و امروزه موتورهای دیزلی فقط جهت تولید برق در مقیاس چند کیلووات مورد مصرف قرار می گیرند. در شبکه‌های آب رسانی شهری، آبیاری و کشاورزی عملاً فقط از توربوپمپ‌ها برای انتقال آب و یا بالا آوردن آن از چاه‌ها استفاده می‌شود. در صنایع نفت، پتروشیمی، صنایع غذایی، تأسیسات حرارتی و برودتی، سیستم‌های هوای فشرده در کارخانجات و تهویه معادن نیز توربوکمپرسورها و وانتیلاتورها و توربوپمپ‌ها به طور گسترده مورد بهره برداری قرار می‌گیرند. در صنعت حمل و نقل نیز توربوماشین توانسته‌ است در کشتی‌ها، قایق‌های موتوری و توربوترن‌ها نقش بسزایی ایفا نمایند.

به طور خلاصه کاربرد وسیع توربوماشین‌ها به دلیل مزایای اصلی زیر می‌باشد:

توربوماشین را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف تقسیم بندی نمود. چهارنوع تقسیم بندی متداول و معمول است:

متداول‌ترین روش تقسیم بندی توربوماشین‌ها از دیدگاه عملی و طراحی، تقسیم بندی بر اساس مسیر حرکت سایل در چرخ آنها است. از این نظر توربوماشین‌ها را به سه دسته اصلی زیر تقسیم می‌نمایند:

در نوع اول، مسیر ورود و خروج سیال از چرخ بر هم عمود است. این توربوماشین‌ها معمولاً برای ایجاد فشارهای بالا در دبی‌های کم به کار می‌روند.

در نوع دوم، سیال موازی با محور وارد چرخ شده و موازی با آن نیز خارج می‌شود. از این توربوماشین‌ها برای تولید دبی‌های زیاد و فشارهای کم استفاده می‌شود.

در نوع سوم مسیر ورود و خروج سیال از چرخ نسبت به یکدیگر مایل است و در رده بندی بین دو نوع اول و دوم قرار می‌گیرند. این توربوماشین‌ها برای ایجاد فشارها و دبی های متوسط به کار می‌روند.

این دسته بندی به لحاظ تفاوت بنیادی بین روش‌های مورد استفاده در طراحی چرخ‌های محوری و سانتریفیوژ حائز اهمیت است. دقت شود که این نوع تقسیم بندی در مورد توربوماشین‌های ضربه‌ای به کار نمی‌رود.

در مورد توربین‌ها تقسیم بندی دیگری نیز معمول می‌باشد. اگر سیال از تمامی سطوح چرخ وارد آن شود آن را توربینی با تغذیه کامل و بلعکس اگر فقط از یک یا چند قسمت از سطح ورودی داخل چرخ گردد آن را با تغذیه جزئی می‌نامند.

ماشین‌ها با تغذیه جزئی را توربین‌های ضربه‌ای (impulse) نیز می‌نامند. زیرا در این نوع ماشین‌ها فشار استاتیک سیال در عبور از چرخ ثابت است و معمولاً فشار اتمسفر در دور تا دور چرخ حاکم می‌باشد. بلعکس در ماشین‌هایی با تغذیه کامل، فشار استاتیک سیال از ورود تا خروج از چرخ تغییر می‌کند. به همین علت این ماشین‌ها را عکس العملی (Reaction) نیز می‌نامند. امروزه توربوماشین از نوع عکس العملی و با تغذیه کامل می‌باشد. یکی از توربوماشین‌های ضربه‌ای که به عنوان یک آلترناتیو مناسب کارایی بالایی دارد، توربین پلتن است.

قدیمی‌ترین نوع توربوماشین‌های ضربه‌ای، چرخ آبی است که در مسیر رودخانه‌ها جهت تأمین انرژی قرار می‌گرفت و با جریان آب دوران می‌نمود. که امروزه از دور خارج شده و عملاً مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.

همان طوری که قبلاً گفته شده اگر انرژی‌های جنبشی و پتانسیل به چرخ واگذار شده و توان مکانیکی ایجاد شود، توربوماشین را توان ده و برعکس اگر انرژی مکانیکی روی محور از طریق چرخ به سیال عبوری واگذار شده و منجر به افزایش فشار و سرعت آن شود، ماشین را توان گیر گویند. کلیه توربین‌ها جزو گروه اول بوده و سایر ماشین‌ها در گروه دوم قرار می‌گیرند.

طبقه بندی‌های دیگری نیز بر اساس ساختمان داخلی توربوماشین‌ها و نوع کاربری آنها در صنعت وجود دارد. لیکن این طبقه بندی‌ها جنبه عمومی نداشته و در مورد هر ماشین خاص معمولاً عنوان می‌شود. برای وانتیلاتورها را بر اساس محل نصب در مدار، وانتیلاتور “مکشی” یا “رانشی” یا “مکشی-رانشی” می‌نامند و همین طور پمپ‌ها را نیز بر اساس نحوه بهره برداری و یا نصب آنها تقسیم بندی می‌نمایند.

به طور خلاصه هریک از این تقسیم بندی‌ها در جای خود می‌تواند مفید باشد. لیکن تقسیم بندی نوع “الف” و “ب” جنبه عمومی بیشتری داشته و بیشتر مورد تأکید قرار می‌گیرد.

برحسب این که یک توربوماشین از یک یا چند چرخ تشکیل شود، آن را یک یا چند طبقه می‌نامند. توربوماشین یک طبقه حداکثر از چهار قسمت زیر تشکیل می‌شود: