تويت
ما هو التوربين وما أنواع التوربينات
غالبًا ما نسمع كلمة "توربين" عندما يدور حديث حول منطقة صناعية ضخمة أو أي شيء يحتاج إلى طاقة كبيرة لتحريكه وبالتالي إمداد آلة أخرى غيره بالطاقة. ولكن أعتقد أن الكثير منكم يظنّ أن التوربين هو مجرد آلة واحدة فقط، تُستعمل مع مختلف المحركات أو الآليات الأخرى لتشغيلها، إنما في الواقع، هناك أنواع مختلفة من التوربينات بناءً على عدّة اعتبارات، تجدونها في هذا المقال. لنتعرّف بدايةً بشكل مفصّل أكثر عن التوربين أو ما نسميه أحيانًا "عنفة".
تعريف التوربين
التوربين (Turbine) جهاز يَستخدم الطاقة الحركية لبعض الموائع، مثل الماء، أو البخار، أو الهواء، أو غازات الاحتراق المختلفة، بغرض تحويلها إلى طاقة ميكانيكية على شكل حركة دورانية تحرّك التوربين نفسه، حيث تمرّ المادة المائعة عبر نظام متداخل من الممرات الثابتة، وممرات أخرى تكون على شكل رِيَش مُتّصلة بجزء يسمى الدوّار (Rotor)، وبتطبيق قوة الدفع من المائع المُطبّق على الشفرات، وبتأثير عزم الدوران على الجزء الدوّار، يدور هذا الجزء وبالتالي يعمل التوربين والأجهزة المرتبطة به.
تُستخدم التوربينات عمومًا للاستفادة من طاقة الرياح والطاقة المائية لتوليد الكهرباء، وفي أنظمة الدفع وفي المحركات الحرارية، فهي في الأصل تُصنف كنوع من أنواع المحركات. تعود الاستخدامات الأولية للطاقة التوربينية إلى اليونان القديمة، استُخدمت في الطواحين وعجلات المياه، وحتى هذا اليوم، تتعدد تطبيقات التوربين في التقنيات الحديثة، لذا لا تزال البحوث جارية لتحسين كفاءة عمل الأنواع المختلفة من التوربينات، حيث يعتمد نوع التوربين على المائع الذي يُستخدم لتشغيله.
أنواع التوربينات
التوربينات المائية (Water Turbines)
أنواع التوربينات المُستَخدمة في محطات توليد الطاقة الكهرومائية، ويمكنك استنتاج أن العامل المائع المُستخدم في هذا النوع هو الماء. توضع توربينات الماء إلى جانب السدود، بحيث يكون السد ممتلئًا، فكلما زاد ارتفاع السد زاد الضغط، وبعد ذلك، يتدفق الماء عالي الضغط عبر أنبوب يسمى البنستوك (Penstock)، حيث توصل أنابيب البنستوك بالتوربين، يصطدم الماء المتدفق برِيَش التوربين بسرعة عالية ما يجعلها تدور، يسبب دوران التوربين توليد الكهرباء، وذلك عن طريق المولد الكهربائي الموصول به.
يختلف تصميم شفرات العنفات المائية بحسب ضغط وسرعة الماء، وعلى ذلك، يمكننا تصنيف التوربينات المائية إلى:
التوربين الدافع (Impulse)
في هذا النوع، تُركّب الشفرات المعقوفة أو الملتوية، بشكل دائري، بحيث تدور العجلة (القسم الدّوار من الآلة) إهليلجيًا، وعندما يضرب الماء الشفرات بسرعة عالية، يتم تحويل الطاقة الحركية للماء إلى طاقة ميكانيكية دورانية، وكالسابق، يتم توليد الكهرباء بوصل التوربين بمولّد. أفضل مثال على هذا النوع هو عجلة بيلتون الموضحة في الصورة.
عجلة بيلتون
التوربين التفاعلي (Reaction)
هنا يتم توليد قوى الدفع من جانب واحد، هو الجانب الذي تتدفق المياه فيه، ويكون شكل الشفرات كالجناح الحامل (Airfoil)، على شكل المقطع العرضي للأجنحة، والقوة التي ينتجها هذا الجناح هي التي تجعل التوربين يدور منتجًا الطاقة، وتُعدّ عنفة كابلان خيرُ مثال على التوربينات التفاعلية المائية.
عنفة كابلان
التوربين البخاري (Steam Turbines)
وهي التوربينات المُستَخدمة في محطات توليد الطاقة الحرارية والنووية، حيث تتضمن العملية باختصار تسخين المياه لتكوين بخار، ثم تدفُق هذا البخار عبر التوربين، وتشغيله لإنتاج الكهرباء، والتوربينات البخارية عمومًا تدور بسرعات مذهلة، ذلك لأن البخار ينتج تحت ظروف ضغط عالٍ. أيضًا تُصنف التوربينات البخارية إلى نوعين: الدافعة والتفاعلية، ولكن الأنواع المُصنّعة حديثًا تشمل في تركيبها مزيجًا من الاثنين.
يتميز هذا النوع بنوعين من الشفرات، شفرات دوّارة على الجزء الدوّار، وشفرات ثابتة على جزء آخر يسمى الجزء الثابت (Stator)، يعمل هذان الجزآن بالتناوب لتوليد الطاقة. انظر إلى الصورة في الأسفل، الفرق بين التوربينات البخارية الدافعة والأخرى التفاعلية يكمن في تصميم الشفرات. صُممت الشفرات الخاصة بالجزأين الدوار والثابت في تلك الدافعة بحيث يمكن للبخار أن يدفعها للتحرك، بينما تكون في التفاعلية تصنع شكلًا كالجناح بحيث تسمح للبخار بالحفاظ على سرعته.
مقارنة بين شفرات التوربينات البخارية الدافعة والتفاعلية
التوربينات الغازيّة (Gas Turbines)
توربينات الغاز أو المحركات النفاثة هي محركات احتراق داخلي، ولا يتوقف عملها على توليد الكهرباء، بل تُستخدم في الطائرات ذات الدفع النفاث والمروحيات. يعتمد نظام عنفة الغاز بالكامل على ضاغط محوري يضغط الغاز باستمرار بمساعدة مجموعة من الشفرات الدوارة، التي تمتص كميات كبيرة من الهواء وتضغطه مما يزيد من درجة الحرارة أيضًا، ثم يتم تسريب هذا الهواء إلى حجرة الاحتراق وتزويد هذه الحجرة بالوقود، ثم يتم حرق الوقود، وإنتاج كميات كبيرة من غازات العادم اللازمة لتحريك التوربين.
التوربين الغازي
هناك أنواع مختلفة من التوربينات الغازية أيضًا؛ المحرك النفاث العنفي (Turbojet)، والمحرك العنفي المروحي (Turbofan)، ومحرك عمود الدوران التوربيني (Turboshaft)، ومحرك النفاث التضاغطي (Ramjet). تلك الأنواع سالفة الذّكر من التوربينات الغازية، يمكننا تصنيفها في لائحة "التوربينات الغازية ذات الدورة المفتوحة"، ويعني ذلك أن الغازات العادمة الداخلة في العملية تُطلَق في الغلاف الجوي مباشرةً، أما في أنواع أخرى، يُعاد استخدام غازات العادم مرة أخرى لإعادة التسخين، لذا تُسمى توربينات ذلك النوع "التوربينات الغازية ذات الدورة المغلقة".
عنفات الرياح (Wind Turbines)
لعلّ هذا النوع من التوربين هو المألوف بشكل أكبر بالنسبة للأغلبية. في توربينات الرياح، يحتوي الجزء الدوار على 3 شفرات تمامًا، مصممة بطريقة يمكن للرياح التدفق من خلالها بسهولة، وعندها تبدأ بالدوران، ولكن تكمن مشكلة هذا النوع في أن الرياح قد تهبّ بشكل خفيف في بعض الأحيان، لذا تدور التوربينات بسرعات منخفضة، ولا تكفي عدد الدورات في الدقيقة إنتاج كهرباء بالتردد المطلوب، ولذا تحتاج هذه التوربينات دائمًا إلى علبة تروس لزيادة السرعة.
طبعًا قد يثير فضولك، لما تحتوي توربينات الرياح 3 شفرات فقط؟ ألا يمكننا زيادة عدد الشفرات لتحريك أفضل؟ أو خفضها إلى 2، فربما يقل الضغط بدلًا من 3، ما يجعلها تعمل بشكل أفضل. هل هذا صحيح؟
عمليًا لا، يجب ألّا تحتوي عنفات الرياح أكثر أو أقل من 3 شفرات، فزيادة عدد الشفرات سيؤدي إلى زيادة عزم الدوران، وهو أمر لا يفيدنا هنا، لأن بزيادة عزم الدوران تقل عدد الدورات في الدقيقة، وهو عكس ما نريده، بالإضافة إلى زيادة التكلفة. أما خفض عدد الشفرات إلى 2، فيؤدي إلى ما يسمى "عدم استقرار جيروسكوبي (Gyroscopic Instability)" أي عدم استقرار القرص الدوار، وضغوط دورية تجعل التوربينة غير آمنة إطلاقًا.
عمومًا، هناك 3 أنواع مميزة من توربينات الرياح:
غالبًا ما نسمع كلمة "توربين" عندما يدور حديث حول منطقة صناعية ضخمة أو أي شيء يحتاج إلى طاقة كبيرة لتحريكه وبالتالي إمداد آلة أخرى غيره بالطاقة. ولكن أعتقد أن الكثير منكم يظنّ أن التوربين هو مجرد آلة واحدة فقط، تُستعمل مع مختلف المحركات أو الآليات الأخرى لتشغيلها، إنما في الواقع، هناك أنواع مختلفة من التوربينات بناءً على عدّة اعتبارات، تجدونها في هذا المقال. لنتعرّف بدايةً بشكل مفصّل أكثر عن التوربين أو ما نسميه أحيانًا "عنفة".
تعريف التوربين
التوربين (Turbine) جهاز يَستخدم الطاقة الحركية لبعض الموائع، مثل الماء، أو البخار، أو الهواء، أو غازات الاحتراق المختلفة، بغرض تحويلها إلى طاقة ميكانيكية على شكل حركة دورانية تحرّك التوربين نفسه، حيث تمرّ المادة المائعة عبر نظام متداخل من الممرات الثابتة، وممرات أخرى تكون على شكل رِيَش مُتّصلة بجزء يسمى الدوّار (Rotor)، وبتطبيق قوة الدفع من المائع المُطبّق على الشفرات، وبتأثير عزم الدوران على الجزء الدوّار، يدور هذا الجزء وبالتالي يعمل التوربين والأجهزة المرتبطة به.
تُستخدم التوربينات عمومًا للاستفادة من طاقة الرياح والطاقة المائية لتوليد الكهرباء، وفي أنظمة الدفع وفي المحركات الحرارية، فهي في الأصل تُصنف كنوع من أنواع المحركات. تعود الاستخدامات الأولية للطاقة التوربينية إلى اليونان القديمة، استُخدمت في الطواحين وعجلات المياه، وحتى هذا اليوم، تتعدد تطبيقات التوربين في التقنيات الحديثة، لذا لا تزال البحوث جارية لتحسين كفاءة عمل الأنواع المختلفة من التوربينات، حيث يعتمد نوع التوربين على المائع الذي يُستخدم لتشغيله.
أنواع التوربينات
التوربينات المائية (Water Turbines)
أنواع التوربينات المُستَخدمة في محطات توليد الطاقة الكهرومائية، ويمكنك استنتاج أن العامل المائع المُستخدم في هذا النوع هو الماء. توضع توربينات الماء إلى جانب السدود، بحيث يكون السد ممتلئًا، فكلما زاد ارتفاع السد زاد الضغط، وبعد ذلك، يتدفق الماء عالي الضغط عبر أنبوب يسمى البنستوك (Penstock)، حيث توصل أنابيب البنستوك بالتوربين، يصطدم الماء المتدفق برِيَش التوربين بسرعة عالية ما يجعلها تدور، يسبب دوران التوربين توليد الكهرباء، وذلك عن طريق المولد الكهربائي الموصول به.
يختلف تصميم شفرات العنفات المائية بحسب ضغط وسرعة الماء، وعلى ذلك، يمكننا تصنيف التوربينات المائية إلى:
التوربين الدافع (Impulse)
في هذا النوع، تُركّب الشفرات المعقوفة أو الملتوية، بشكل دائري، بحيث تدور العجلة (القسم الدّوار من الآلة) إهليلجيًا، وعندما يضرب الماء الشفرات بسرعة عالية، يتم تحويل الطاقة الحركية للماء إلى طاقة ميكانيكية دورانية، وكالسابق، يتم توليد الكهرباء بوصل التوربين بمولّد. أفضل مثال على هذا النوع هو عجلة بيلتون الموضحة في الصورة.
التوربين التفاعلي (Reaction)
هنا يتم توليد قوى الدفع من جانب واحد، هو الجانب الذي تتدفق المياه فيه، ويكون شكل الشفرات كالجناح الحامل (Airfoil)، على شكل المقطع العرضي للأجنحة، والقوة التي ينتجها هذا الجناح هي التي تجعل التوربين يدور منتجًا الطاقة، وتُعدّ عنفة كابلان خيرُ مثال على التوربينات التفاعلية المائية.
التوربين البخاري (Steam Turbines)
وهي التوربينات المُستَخدمة في محطات توليد الطاقة الحرارية والنووية، حيث تتضمن العملية باختصار تسخين المياه لتكوين بخار، ثم تدفُق هذا البخار عبر التوربين، وتشغيله لإنتاج الكهرباء، والتوربينات البخارية عمومًا تدور بسرعات مذهلة، ذلك لأن البخار ينتج تحت ظروف ضغط عالٍ. أيضًا تُصنف التوربينات البخارية إلى نوعين: الدافعة والتفاعلية، ولكن الأنواع المُصنّعة حديثًا تشمل في تركيبها مزيجًا من الاثنين.
يتميز هذا النوع بنوعين من الشفرات، شفرات دوّارة على الجزء الدوّار، وشفرات ثابتة على جزء آخر يسمى الجزء الثابت (Stator)، يعمل هذان الجزآن بالتناوب لتوليد الطاقة. انظر إلى الصورة في الأسفل، الفرق بين التوربينات البخارية الدافعة والأخرى التفاعلية يكمن في تصميم الشفرات. صُممت الشفرات الخاصة بالجزأين الدوار والثابت في تلك الدافعة بحيث يمكن للبخار أن يدفعها للتحرك، بينما تكون في التفاعلية تصنع شكلًا كالجناح بحيث تسمح للبخار بالحفاظ على سرعته.
التوربينات الغازيّة (Gas Turbines)
توربينات الغاز أو المحركات النفاثة هي محركات احتراق داخلي، ولا يتوقف عملها على توليد الكهرباء، بل تُستخدم في الطائرات ذات الدفع النفاث والمروحيات. يعتمد نظام عنفة الغاز بالكامل على ضاغط محوري يضغط الغاز باستمرار بمساعدة مجموعة من الشفرات الدوارة، التي تمتص كميات كبيرة من الهواء وتضغطه مما يزيد من درجة الحرارة أيضًا، ثم يتم تسريب هذا الهواء إلى حجرة الاحتراق وتزويد هذه الحجرة بالوقود، ثم يتم حرق الوقود، وإنتاج كميات كبيرة من غازات العادم اللازمة لتحريك التوربين.
هناك أنواع مختلفة من التوربينات الغازية أيضًا؛ المحرك النفاث العنفي (Turbojet)، والمحرك العنفي المروحي (Turbofan)، ومحرك عمود الدوران التوربيني (Turboshaft)، ومحرك النفاث التضاغطي (Ramjet). تلك الأنواع سالفة الذّكر من التوربينات الغازية، يمكننا تصنيفها في لائحة "التوربينات الغازية ذات الدورة المفتوحة"، ويعني ذلك أن الغازات العادمة الداخلة في العملية تُطلَق في الغلاف الجوي مباشرةً، أما في أنواع أخرى، يُعاد استخدام غازات العادم مرة أخرى لإعادة التسخين، لذا تُسمى توربينات ذلك النوع "التوربينات الغازية ذات الدورة المغلقة".
عنفات الرياح (Wind Turbines)
لعلّ هذا النوع من التوربين هو المألوف بشكل أكبر بالنسبة للأغلبية. في توربينات الرياح، يحتوي الجزء الدوار على 3 شفرات تمامًا، مصممة بطريقة يمكن للرياح التدفق من خلالها بسهولة، وعندها تبدأ بالدوران، ولكن تكمن مشكلة هذا النوع في أن الرياح قد تهبّ بشكل خفيف في بعض الأحيان، لذا تدور التوربينات بسرعات منخفضة، ولا تكفي عدد الدورات في الدقيقة إنتاج كهرباء بالتردد المطلوب، ولذا تحتاج هذه التوربينات دائمًا إلى علبة تروس لزيادة السرعة.
طبعًا قد يثير فضولك، لما تحتوي توربينات الرياح 3 شفرات فقط؟ ألا يمكننا زيادة عدد الشفرات لتحريك أفضل؟ أو خفضها إلى 2، فربما يقل الضغط بدلًا من 3، ما يجعلها تعمل بشكل أفضل. هل هذا صحيح؟
عمليًا لا، يجب ألّا تحتوي عنفات الرياح أكثر أو أقل من 3 شفرات، فزيادة عدد الشفرات سيؤدي إلى زيادة عزم الدوران، وهو أمر لا يفيدنا هنا، لأن بزيادة عزم الدوران تقل عدد الدورات في الدقيقة، وهو عكس ما نريده، بالإضافة إلى زيادة التكلفة. أما خفض عدد الشفرات إلى 2، فيؤدي إلى ما يسمى "عدم استقرار جيروسكوبي (Gyroscopic Instability)" أي عدم استقرار القرص الدوار، وضغوط دورية تجعل التوربينة غير آمنة إطلاقًا.
عمومًا، هناك 3 أنواع مميزة من توربينات الرياح:
- التوربينات ذات المحور الأفقي (Horizontal-Axis Wind Turbine)، واختصارًا (HAWT).
- التوربينات ذات المحور الرأسي من نوع سافونيوس (Savonius Vertical-Axis Wind Turbine)، واختصارًا (Savonius VAWT).
- التوربينات ذات المحور الرأسي من نوع داريوس (Darrieus Vertical-Axis Wind Turbine)، واختصارًا (Darrieus VAWT).