توربوماشین (Turbomachinery)1

[amir315hossein]

توربوماشین‌، ماشین‌ مکانیکی دواری است که در آن‌، انرژی بین ماشین و سیال و به دلیل حرکت دینامیکی ماشین منتقل می‌شود و کاربرد بسیار زیادی در علم مکانیک وآیرودینامیک[url=https://blog.faradars.org/aerodynamics/][/url] دارد. در این ماشین‌ها ممکن است انرژی از سیال کاری گرفته (مانند توربین‌ها) و یا به سیال کاری داده (مانند پمپها) شود. طراحی و ساخت این ماشین‌ها برای کاربردهای صنعتی بسیار پیچیده است ولی همه‌ی آن‌ها از اصول ساده و پایه‌ حاکم بر توربوماشین‌ها پیروی می‌کنند. در این مبحث به صورت ساده، به تعریف توربوماشین‌ها، معرفی انواع آن‌ها و بررسی مفاهیم اولیه حاکم بر آن‌ها پرداخته می‌شود.

توربوماشین چیست؟
همانطور که اشاره شد توربوماشین به ماشینی گفته می‌شود که انرژی مکانیکی بین سیال کاری و پره‌های چرخان آن از طریق حرکت دینامیکی این پره‌ها منتقل می‌شود. واژه توربو در نام گذاری توربوماشین‌ها حرکت چرخان این ماشین‌ها را نشان می‌دهد و همانطور که اشاره شد اصول پایه حاکم بر تمام توربوماشین‌ها یکسان است.

نکته 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 مانند کمپرسورها به سیال کاری، داده و یا مانند توربین‌ها از سیال کاری، دریافت می‌شود. در شکل زیر نمایی از یک موتور جت شامل توربین (بخشی که از سیال کاری، انرژی دریافت می‌کند) و کمپرسور (بخشی که به سیال کاری، انرژی می‌دهد) نشان داده شده است.
توربین گاز
در واقع به صورت خلاصه می‌توان توربوماشین‌ها را از نظر انتقال انرژی بین سیال کاری و ماشین به دو دسته انرژی دهنده و انرژی گیرنده تقسیم‌بندی کرد. این موضوع به صورت خلاصه در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.

نکته دیگر این است که بر هم کنش بین سیال و پره‌های توروبوماشین نیرویی به نام «نیروی برآ» (Lift Force) را تولید می‌کند و این نیرو در برخی از توربوماشین‌ها مانند توربین‌های باد به عنوان یکی از پارامترهای اصلی برای طراحی نیروگاه‌های بادی در نظر گرفته می‌شود.
انواع توربوماشین
توربوماشین‌ها را می‌توان بر اساس سیال کاری، ساختار پوشش و جهت حرکت سیال کاری تقسیم‌بندی کرد. در ادامه به بررسی انواع مختلف این توربوماشین‌ها پرداخته می‌شود.
انواع توربوماشین‌ از نظر سیال کاری
سیال کاری در توربوماشین‌ها می‌تواند گاز (مانند توربین‌های گاز) و یا مایع (مانند توربین در یک نیروگاه آبی) باشد. همانطور که توضیح داده شد، اصول اولیه در توربوماشین‌ها یکسان و مستقل از سیال کاری است ولی متفاوت بودن سیال کاری می‌تواند باعث ایجاد تفاوت در طراحی و عملکرد توربوماشین‌ها شود.

فرض کنید که سیال کاری در یک توربوماشین‌، مایع باشد. در این حالت یکی از ملاحظات بسیار مهم در طراحی این توربوماشین‌ بررسی پدیده «کاویتاسون» (Cavitation) است. کاویتاسیون در توربوماشین‌ها زمانی رخ می‌دهد که فشار مایع کاهش پیدا کند و به فشار بخار خود برسد. فشار بخار فشاری است که در آن مایع شروع به جوشیدن می‌کند و با بخار خود به تعادل می‌رسد.
پمپ‌ها و توربین‌های نیروگاه‌های آبی از جمله توربوماشین‌هایی هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است. شکل زیر توربین‌هایی را نشان می‌دهد که از آن‌ها برای گرفتن انرژی از آب و تبدیل آن به انرژی مکانیکی استفاه می‌شود.

پمپ ها نیز انواع دیگری از توربوماشین‌ها هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است و انرژی مکانیکی از ماشین به مایع منتقل می‌شود و در نتیجه آنتالپی سیال کاری افزایش می‌یابد. در شکل‌های زیر برخی از انواع این پمپ‌ها به تصویر کشیده شده است.