التوربين ( Turbine )
☰ جدول المحتويات
التُّـوربِيــن جهاز ذو عضو دوّار، يديره سائل أو غاز متحرّك، مثل الماء والبخار والغاز والهواء، ويسمى أيضًا العنَفَة. يغير التوربين الطاقة الحركيّة (طاقة الحركة) لسائل إلى نوع خاص من الطّاقة الحركيّة وهي طاقة الدّوران التي تُستخدم لتحريك الآلات. يوصّل التوربين الطّاقة الميكانيكية إلى الآلات الأخرى عن طريق دوران المحور الدّوار.
يوفّر التوربين الطّاقة لآلات مختلفة، منها المولّدات الكهربائيّة ومضخات الماء. وفي الواقع، تنتج المولّدات التي تحرّكها توربينات معظم الكهرباء المستخدمة في إضاءة المنازل وتشغيل المصانع. وتؤدي التوربينات التي تُشغّل مضخّات الماء دورًًًا مهمًًًّا في مشاريع الرّي في جميع أنحاء العالم. وتستخدم التوربينات كذلك لتدوير مراوح السّفن، وتُعدُّ جزءًا مهمًّا في محّرك الطّائرة الّنفّاثة.
ويرجع تاريخ أقدم توربين معروف إلى نحو 2,000 عام، وهي عجلات مائيّة بسيطة استخدمها الإغريق القدامى. أمّا اليوم، فتختلف التوربينات في الحجم والطّاقة، استنادًا إلى غرض الاستخدام. فقد ينتج توربين ضخم يشغّل مولّدًًًا كهربائيًّا، على سبيل المثال، طاقة مقدارها نحو 750 مليون واط، بينما يصل قطر توربين صغير يستخدم لتشغيل آلات ورشة إلى حوالي سنتيمترين ونصف السنتيمتر وينتج نحو 750 واطًا.
كيف يعمل التوربين
 |
مبادئ تشغيل التوربين تدور عجلات التوربين بتأثير الدفع أو رد الفعل. فلعبة الفرارة في الرسم، التي تبين توربين دفع بسيط، تدور بالنفخ عندما يهب الهواء على الشفرات. ورشاشة الماء في الحديقة مثال بسيط لتوربين رد الفعل. فالماء المندفع منها إلى الخارج تح |
وعندما يمرّ السّائل عبر التوربين فإنه يرتطم أو يدفع الريشات أو السّطول ويجعل العجلة تدور. وعندما تدور العجلة، يدور محور العجلة. وهذا المحور متّصل مباشرة، أو عن طريق مسنّات متتالية، بمولّد كهربائيّ، أو ضاغط هواء، أو أيّ آلة أخرى، لذلك فدوران العضو الدوّار يُشغّل آلة ما.
بعض التوربينات يكون فيها عضو دوّار ذو عجلة واحدة فقط. ولكن، بعض الأعضاء الدوّارة الأخرى يكون فيها 50 عجلة أو أكثر. وتزيد العجلات الكثيرة من فعاليّة
التوربين، لأن كل عجلة تستخرج طاقة زائدة من السّائل المتحرّك. فالتوربين الذي فيه أكثر من عجلة، تكون جميع العجلات فيه مركبة على محور واحد، مرتبة الواحدة تلو الأخرى. وهناك طوق ريشات منحنية مثبتة في الجدار الدّاخلي للغلاف، وهذا الطوق مقابل للعجلة. وتوجِّه هذه الريشات المثبتة السّائل إلى العجلة، وتُسمى العجلة وطوق الريشات الثابتة المرحلة. والتوربينات المتعدّدة المراحل هي التوربينات التي بها مراحل عدة.
أنواع التوربينات (العنفات)
تُقَسّم التوربينات أحيانًا حسب طريقة تشغيلها. وتشغل جميع التوربينات بالدّفع أو بردّ الفعل، أو بهما معًا. ففي توربين الدّفع تجعل قوّة السائل سريع الحركة عند ارتطامه بالريشات، العضو الدّوار يدور. وفي توربين رد الفعل، يدور العضو الدّوار نتيجة لضغط السّائل على الريشات.
يعتمد التّقسيم المعهود للتوربينات على نوع السّائل الذي يُديرها ؛ وطبقًا لهذا التقسيم، هنالك أربعة أنواع من التوربينات: 1- التوربين المائي 2- التوربين البخاري 3- التوربين الغازي 4- التوربين الهوائي.
 |
التوربين المائي يديره الماء السّاقط من مكان مرتفع عبر أنبوب أو أي قناة أخرى. توربين بلتون المبين في الشكل يدير مولدًا كهربائيًا في مصنع للورق. |
التوربين المائي:
يسمّى كذلك التوربين الهيدرولي. معظم التوربينات المائية تديرها شلاّلات مائية أو مياه مخزّنة خلف سدود. وتستخدم هذه التوربينات في تشغيل مولّدات كهربائية في محطّات القدرة الكهرومائية. وهناك ثلاثة أنواع رئيسيّة من التوربينات المائية: 1- عجلة بلتون 3- توربين فرانسيس 3- توربين كابلن. ويعتمد نوع التوربين المستخدم في أي مصنع على ارتفاع الضّغط الموجود. وارتفاع الضّغط هو المسافة التي تسقطها المياه قبل أن ترتطم بالتوربين. ويتدرج ارتفاع الضغط من حوالي مترين ونصف المتر إلى أكثر من 300م.عجلة بلتون. هي التوربين الذي يعمل بالدّفع ويُستخدم عندما يكون ارتفاع الضّغط أكثر من 300م. يتكوّن العضو الدّوار في عجلة بلتون من عجلة واحدة فقط مركّبة على محور أفقي. وهذه العجلة فيها سطول على شكل أكواب على حافتها الخارجيّة. ويسقط الماء من بحيرة أو خزّان على التوربين من خلال أنبوب طويل يسمّى البربخ. وتزيد الصّنابير ـ وعددها من واحد إلى سِتّة ـ والموجودة في نهاية القناة، من سرعة تدفّق الماء، وتوجّه الماء إلى السّطول، فتدير قوة هذه النوافير المائية عالية السّرعة العجلة.
 |  |
عجلة بلتون المبينة في الشكل توربين مائي يعمل بالدفع. قوة ضرب الماء على عجلة التوربين تجعلها تدور. تتساقط المياه إلى جهة التوربين عبر أنبوب يسمىقناة ضبط جريان الماء وتضرب المياه السطول . | توربين كابلن المبين في الشكل توربين مائي يعمل برد الفعل ؛ فعجلة التوربين، المغمورة تحت الماء كليًا، تدور من جراء ضغط الماء على مراوحها. وتتحكم ريشات التوجيه وبوابة التحكم في كمية الماء الداخلة إلى التوربين. |
توربين كابلن. يستخدم هذا التوربين لارتفاع ضغط أقل من 30م. وخير مثال على العضو الدّوار في توربين كابلن هو مروحة السّفينة. وتوجد في توربين كابلن من ثلاث إلى ثماني ريشات مثبّتة في محور عمودي. وتشبه طريقة عمل توربين كابلن إلى حد كبير طريقة عمل توربين فرانسيس، فكلاهما يعمل بردّ الفعل.
 |
كيف يعمل التوربين البخاري يندفع البخار عبر التوربين البخاري، محركًا مجموعة من العجلات ذات الريشات على محور واحد. وبعد أن يخرج البخار من التوربين، يحوله المكثف إلى ماء كما في الشكل الأيمن. أما الشكل الأيسر فيبين وضع مجموعة من الريشات الثابتة بين كل عجلة متحركة، وتوجه كل من الريشات الثابتة وريشات العجلة البخار وتزيد من سرعته. |
التوربينات البخارية:
وهي تشغِّل المولدات الكهربائيّة في معظم محطّات القدرة، وتشغّل كذلك السّفن والآلات الثّقيلة. وتُعدُّ التوربينات البخارية ذات المراحل المتعدّدة من أقوى المحرّكات في العالم، حيث تنتج بعض التوربينات البخاريّة طاقة مقدارها حوالي 750 مليون واط.تعمل التوربينات البخارية بالبخار. وفي معظم الحالات، ينتج البخار عن طريق تسخين الماء في غلاّية وقودها من الفحم الحجري، أو الزيت أو الغاز الطبيعي. أما في محطّات القدرة النّووية فتحّول الحرارة الناتجة عن انشطار الذّرة في المفاعل النووي الماء إلى بخار.
يدخل البخار إلى التوربين ودرجة حرارته مرتفعة جدًّا تصل إلى 650°م وضغطه مرتفع يصل إلى 250كجم/سم². ويندفع هذا البخار المضغوط عبر التوربين، جاعلاً عجلات التوربين تدور بسرعة. تُصمَّم التوربينات البخارية لكي تعمل بمبدأ الدفع ومبدأ رد الفعل أو بهما معًا.
ومعظم التوربينات البخاريّة الحديثة تكون فيها 50 مرحلة أو أكثر جميعها مثبّتة على محور أفقي. وتحتوي كل مرحلة من مراحل التوربين على عجلة ومجموعة ريشات ثابتة. وتجعل أشكال الريشات المنحنية في كل من العجلات والحلقات الثابتة الفراغات بينها تعمل كأنها صنابير، وتُوجِّه هذه الصّنابير البخار وتزيد من سرعته قبل أن يدخل المرحلة التّالية. ويسلك البخار طريقًا متعرجًا بين ريشات العجلة في مرحلة، والريشات الثابتة في المرحلة التي تليها.
وعند مرور البخار عبر مراحل التوربين العديدة، يزداد حجم هذا البخار إلى 1,000 مرة عما كان عليه سابقًا، لذلك نجد أن أي مرحلة في التوربين أكبر من المرحلة التي تسبقها حتى تزداد فعاليّة استفادتها من البخار المتمدّد. ويعطي هذا التّرتيب التوربين البخاري شكله المخروطي المعتاد.
والتوربينات البخارية تكون مكثّفة أو غير مكثّفة، ويعتمد ذلك على غرض استخدام البخار عند خروجه من التوربين. فالبخار الخارج من توربين مكثّف يذهب مباشرة إلى المكثف. ويحوِّل الماء البارد ـ الذي يجري في أنابيب داخل المُكثّف ـ البخار إلى الماء. لذلك يوجِد جوًّا من الفراغ، لأن حجم الماء أقلّ بكثير من حجم البخار. ويساعد هذا الفراغ على تدفّق البخار عبر التوربين. ويُضخّ هذا الماء مرة أخرى إلى الغلاّية ليتحول إلى بخار مرة أخرى. أما البخار غير المكثّف الخارج من التوربين فلا يحوّل إلى ماء، بل يُستخدم للتّدفئة في المنازل ولأغراض صناعية أخرى.
 |
 كيف يعمل نظام التوربين الـغـازي |
التوربين الغازي:
وهو يحرق أنواعًا من الوقود مثل الزّيت والغاز الطّبيعي. فبدلاً من استخدام الحرارة لإنتاج البخار ـ كما في توربينات البخار ـ فإن توربينات الغاز تستخدم الغازات الساخنة مباشرة. وتُستخدم توربينات الغاز لتشغيل المولّدات الكهربائيّة، والسفن، وسيّارات السباق،كما تستخدم في محّركات الطائرة النفاثة.وتتكون معظم أنظمة التوربين الغازي من ثلاثة أجزاء رئيسية 1- ضاغط الهواء، 2- غرفة الاحتراق 3- التوربين. ويُسمى ضاغط الهواء مع غرفة الاحتراق، عادة، المولد الغازي. وفي معظم أنظمة توربين الغاز، يكون ضاغط الهواء والتوربين مركّبين على طرفي محور أفقي، وتقع غرفة الاحتراق بينهما. ويُشغّل جزء من طاقة التوربين ضاغط الهواء.
يمتصّ ضاغط الهواء كمّية من الهواء ويضغطها، لذلك يزداد ضغطها. وفي غرفة الاحتراق، يختلط الهواء المضغوط مع الوقود ويحترق هذا الخليط. وكلّما زاد ضغط الهواء، تحسّن احتراق خليط الوقود مع الهواء. وتتمدّد الغازات المحترقة بسرعة وتتدفّق إلى التوربين، مؤدية إلى دوران عجلات التوربين. وتتحرّك الغازات الساخنة عبر المراحل المتعددة في التوربين الغازي بالطّريقة نفسها الّتي يتدفّق بها البخار عبر التوربين البخاري. وتوجِّه الريشات الثّابتة الغاز المتحرك إلى ريشات العضو الدوار وتغيّر سرعته.
وتستفيد معظم أنظمة التوربين الغازي من الغازات الساخنة الخارجة من التوربين. ففي بعض الأنظمة تدور بعض هذه الغازات، وتذهب إلى جهاز يسمى المجدّد. وهناك تُستخدم هذه الغازات لتسخين الهواء المضغوط بعد خروجه من ضاغط الهواء. وقبل دخوله غرفة الاحتراق يقلل تسخين الهواء المضغوط بهذه الطّريقة من كمية الوقود المستخدم لعملية الاحتراق. وفي المحرّكات النّفاثة، يُستخدم معظم الغاز لإنتاج قوّة الدّفع. ★ تَصَفح: الدفع النفاث.
تعمل التوربينات الغازية عند درجة حرارة أعلى من التوربينات البخارية. وتزيد فعاليّة التوربين كلما زادت درجة حرارة تشغيلها ؛ فدرجة حرارة تشغيل معظم توربينات الغاز هي 875°م أو أكثر.
 |  |
توربين داريو الهوائي توربين هوائي ذو محور عمودي. فعالية توربين داريو الهوائي عالية جدًّا فباستطاعته أن يستفيد من حركة الريح في أي اتجاه. | الطاحونة الهوائية التقليدية وفيها ريشات متجهة من محور أفقي. فمنذ نحو 1,300 سنة وطواحين الهواء تنتج طاقة ميكانيكية لضخ الماء ولأغراض أخرى. |
التوربينات الهوائية:
وهي مشهورة باسم الطواحين الهوائية، وتشغلها الرياح. طوّرت هذه التوربينات قبل حوالي 1,300 سنة، وكان استخدامها الرئيسي في الماضي هو طحن الحبوب وضخ الماء. وفي نهاية القرن الثّامن عشر الميلادي كان استخدام الطواحين الهوائية قد انتشر في بلدان كثيرة في جميع أنحاء العالم. وفي القرن التاسع عشر الميلادي، بدأ في بعض البلدان استبدال توربينات مغلفة ذات فعاليّه أفضل. وخلال السبعينيات من القرن العشرين، أدى نقصان النفط إلى زيادة الرغبة في استخدام التوربينات الهوائية لتوليد الكهرباء.هناك نوعان رئيسيان من التوربينات الهوائية: 1- التوربين الهوائي ذو المحور الأفقي 2- التوربين الهوائي ذو المحور العمودي.
التوربينات الهوائية ذوات المحاور الأفقية. المتعارف عليه من هذا النّوع يكون فيه أعضاء دوّارة من عدة مراوح أو ريشات ويدخل ضمنها الطواحين الهوائية الهولندية والطواحين الهوائية الأمريكيّة. ★ تَصَفح: الطاحونة الهوائية. والأنواع المطوّرة من هذه الطواحين والتي تستخدم لتوليد الكهرباء تكون فيها ريشتان دافعتان. ويوضع العضو الدّوار في هذه التوربينات فوق برج مرتفع يرفع الريشتين عاليًا فوق سطح الأرض لكي تتأثرا بالرّيح. ومن أجل زيادة فعاليّة التوربين، فلا بد أن توجّه الريشتان للريح، والمحور يجب أن يكون موازيًا لمجرى الريح. وعندما تهبّ الرّيح، يدور العضو الدّوار وذلك نتيجة ارتطام الهواء بالريشتين ذواتي الشّكل الخاص. وهذا النوع من التوربينات مصمم ليتحمّل التّغيّرات في سرعة أو اتجاه الريح. ومن الممكن تغيير زاوية الريشتين لكي يعمل التوربين بسرعة ثابتة، بغضّ النّظر عن سرعة الرّيح. كذلك، من الممكن إدارة هذه التوربينات حول محور عمودي لكي تكون ريشتا التوربين دائمًا مقابلتين للريح.
التوربينات الهوائية ذوات المحاور العمودية. طوّر المخترع الفرنسي جورج داريو في العشرينيّات من القرن العشرين أفضل توربين هوائي ذي محور عمودي من ناحية الفعاليّة. يشبه توربين داريو الهوائي خافقة بيض عملاقة. ويوجد في هذا التوربين ريشتان أو ثلاث منحنية ومتّصلة عند الطرفين بعمود رأسي. ويتأثر توربين داريو بأي ريح تهبّ بغضّ النّظر عن اتجاهها.
نبذة تاريخية
عجلات الماء هي أقدم أنواع التوربينات المعروفة. فلقد استخدمها الإغريق القدامى منذ عام 100 تقريبًا ق.م لطحن الحبوب وعصر الزيتون. وبحلول القرن الرابع الميلادي، أدخل الرّومان العجلة المائيّة (الساقية) إلى أنحاء عدة في أوروبا.
كانت أول طاحونة هوائية قد أُنشِئَت في بلاد فارس (إيران حاليًا) في القرن السابع الميلادي، واستخدمت هذه الطواحين الهوائية لطحن الحبوب وريّ المحاصيل. وفي القرن الثاني عشر الميلادي انتشرت هذه الطواحين في أوروبا. في القرن الخامس عشر الميلادي بدأ الناس في هولندا استخدام الطّواحين الهوائيّة لصرف مياه المستنقعات والبحيرات الواقعة بالقرب من البحر.
بقيت عجلات الماء وطواحين الهواء لعدّة قرون هي التوربينات الوحيدة المفيدة. صنع العالِم هيرو الإسكندري توربين بخار صغيرًا في عام 60م ولكنه لم يسْتَخدم لتشغيل أي شيء. ★ تَصَفح: المحرك البخاري. وفي عام 1629م أنشأ المهندس الإيطالي جيوفاني برانكا توربينًا بخاريًا يَعمل بمبدأ الدفع واستُخدِم في معمل تشكيل بالكبس.
والعجلات المائية والطواحين الهوائية أقل فعالية من التوربينات الحاليّة، لأن معظم السّائل المتحرك ينساب حول أطراف مراوح العضو الدوّار. وخلال القرن التاسع عشر الميلادي، بدأ المهندسون والمخترعون تطوير توربينات مغلقة ذات فعاليّة أكبر. ففي عام 1824م، أدخل المهندس الفرنسي، كلود بيردن، كلمة توربين عن طريق تقديم ورقة علمية. وأصل هذه الكلمة يأتي من اللفظ تيربو، وهي كلمة لاتينية تعني الجسم الذي يدور. وفي عام 1827م أنشأ المهندس الفرنسي بنوا فورنيرون أول توربين مائي مغلق ناجح، وبعد نجاح فورنيرون تغلّب المهندسون على معظم العقبات التي حالت دون إنشاء توربين مائي فعال.