✕
انتقل إلى المحتوى

عنفة غازية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
عنفة غازية
Image
معلومات عامة
التصنيف
المخترع
  • John Barber تعديل على ويكي بيانات
تاريخ الاختراع
  • 1791 تعديل على ويكي بيانات

العنفة الغازية[1] أو التُّربينة[1] أو المحرك التوربيني الغازي، أو ما يُعرف اختصارًا بالتوربين الغازي، هو نوع من محركات الاحتراق الداخلي ذات التدفق المستمر. تتكون الأجزاء الرئيسية المشتركة بين جميع المحركات التوربينية الغازية من الجزء المسؤول عن إنتاج القدرة (المعروف باسم مولد الغاز أو القلب الأساسي للمحرك)، وهي بالترتيب وفق اتجاه التدفق:[2]

تُضاف مكونات أخرى إلى مولد الغاز بما يتناسب مع التطبيق المطلوب. ومن العناصر المشتركة بين جميع الأنواع مدخل الهواء، إلا أن تصميمه يختلف وفقًا لمتطلبات الاستخدام البحري أو البري أو الطيران بسرعات تتراوح من السكون إلى السرعات فوق الصوتية. وتُضاف فوهة دفع لإنتاج قوة الدفع اللازمة للطيران. كما يُضاف توربين إضافي لتشغيل مروحة دافعة أو مروحة مغلفة (توربوفان) بهدف تقليل استهلاك الوقود من خلال زيادة الكفاءة الدفعية عند السرعات دون الصوتية. يُستخدم توربين إضافي أيضًا لتشغيل دوار المروحية أو ناقل حركة المركبات البرية، أو مروحة السفن أو المولدات الكهربائية. ويمكن تحقيق نسبة دفع إلى وزن أكبر في الطيران من خلال إضافة الحارق اللاحق..[3]

يعتمد التشغيل الأساسي للتوربين الغازي على دورة برايتون، حيث يكون الهواء هو المائع العامل. يتدفق الهواء الجوي عبر الضاغط الذي يرفع ضغطه، ثم تُضاف الطاقة عن طريق حقن الوقود في الهواء وإشعاله، مما يؤدي إلى توليد تيار من الغازات ذات درجة الحرارة المرتفعة. يدخل هذا الغاز الساخن والمضغوط إلى التوربين، منتجًا قدرة ميكانيكية على العمود تُستخدم لتشغيل الضاغط. أما الطاقة المتبقية فتخرج مع غازات العادم، ويمكن الاستفادة منها في أداء عمل خارجي، مثل إنتاج قوة دفع مباشرة في المحرك النفاث، أو تدوير توربين ثانٍ مستقل (يُعرف باسم توربين القدرة) يمكن وصله بمروحة أو دافع أو مولد كهربائي. ويحدد الغرض من التوربين الغازي تصميمه بحيث يتم تحقيق أفضل توزيع ممكن للطاقة بين قوة الدفع والقدرة الميكانيكية على العمود. أما المرحلة الرابعة من دورة برايتون، وهي تبريد المائع العامل، فلا تُطبَّق في التوربينات الغازية لأنها أنظمة مفتوحة لا تعيد استخدام الهواء نفسه.[4]

تُستخدم التوربينات الغازية في تشغيل العديد من التطبيقات، من بينها الطائرات، والقطارات، والسفن، والمولدات الكهربائية، والمضخات، وضواغط الغاز، والدبابات.[5]

التسلسل الزمني لتطور التوربينات الغازية

[عدل | عدل المصدر]
  • 50م: العثور على أقدم السجلات المعروفة لمحرك هيرون (الإيوليبيل). والذي على الأرجح لم يكن له أي استخدام عملي، بل كان يُعد نوعًا من الأجهزة الاستعراضية أو العلمية، إلا أنه أظهر مبدأً فيزيائيًا مهمًا تعتمد عليه جميع المحركات التوربينية الحديثة.[6]
  • 1000م: استُخدم «فانوس الحصان الدوّار» في معارض الفوانيس في الصين منذ عهد أسرة سونغ الشمالية. فعند إشعال الفانوس يرتفع الهواء الساخن إلى أعلى ويُدير دافعًا (مروحة) مثبتة عليه أشكال لفرسان يمتطون الخيول، فتُسقط ظلالهم على الشاشة الخارجية للفانوس.[7]
  • 1500م: اخترع ليوناردو دا فينشي شواية تعمل بالدخان، حيث يرتفع الهواء الساخن من نار المدفأة إلى الأعلى ويمر عبر مروحة (توربين) مثبتة داخل المدخنة، فتدور المروحة وتُحرّك سيخ الشواء تلقائياً بواسطة تروس وسلاسل.
  • 1791م: مُنح الإنجليزي جون باربر أول براءة اختراع لتوربين غازي حقيقي. احتوى اختراعه على معظم العناصر الموجودة في التوربينات الغازية الحديثة، وكان مصممًا لتشغيل عربة تسير دون خيول.[8][9]
  • 1894م: حصل السير تشارلز بارسونز على براءة اختراع لفكرة دفع السفن بواسطة توربين بخاري، وقام ببناء السفينة التجريبية «توربينيا»، التي كانت أسرع سفينة عائمة في ذلك الوقت.
  • 1899م: سجّل تشارلز غوردون كيرتس أول براءة اختراع لمحرك توربيني غازي في الولايات المتحدة.[10]
  • 1900م: قدّم سانفورد ألكسندر موس رسالة علمية حول التوربينات الغازية. وفي عام 1903 أصبح مهندسًا في قسم التوربينات البخارية بشركة جنرال إلكتريك في مدينة لين بولاية ماساتشوستس، حيث طبّق بعض أفكاره في تطوير الشاحن التوربيني.[11]
  • 1903م: بنى النرويجي إيجيديوس إلينغ أول توربين غازي قادر على إنتاج قدرة أكبر من القدرة اللازمة لتشغيل مكوناته الذاتية، وهو إنجاز مهم في زمن كانت فيه المعرفة بالديناميكا الهوائية محدودة. وقد ولّد هذا التوربين قدرة بلغت 8 كيلوواط (11 حصانًا) باستخدام ضواغط وتوربينات دوّارة.[11]
  • 1904م: تم بناء واختبار توربين غازي صممه فرانز شتولتسه في برلين استنادًا إلى طلب براءة اختراع كان قد تقدّم به عام 1873. إلا أن كفاءته كانت منخفضة جدًا بحيث لم يتمكن من الاستمرار في العمل ذاتيًا.[6]
  • 1906م: تم اختبار توربين أرمينغود–ليمال في فرنسا. وكانت هذه آلة كبيرة نسبيًا تضمنت ضاغطًا طاردًا مركزيًا مكوّنًا من 25 مرحلة، صممه أوغست راتو وصنعته شركة براون بوفيري. ورغم أن التوربين استطاع تشغيل عملية ضغط الهواء الخاصة به، فإنه لم يكن كفؤًا بما يكفي لإنتاج قدرة مفيدة.[6]
  • 1910م: حقق أول توربين غازي عامل من نوع هولزفارت (ذو الاحتراق النبضي) قدرة خرج بلغت 150 كيلوواط (200 حصان). وكانت القدرة المستهدفة 750 كيلوواط (1000 حصان)، إلا أن كفاءته كانت أقل من كفاءة المحركات الترددية السائدة آنذاك.[12]
  • عشرينيات القرن العشرين: تم تطوير النظرية العملية لتدفق الغازات داخل الممرات إلى نظرية أكثر شمولًا لتدفق الغاز حول المقاطع الهوائية بواسطة أ. أ. غريفيث، مما أدى إلى نشر كتاب «النظرية الديناميكية الهوائية لتصميم التوربينات» عام 1926.[13] كما طورت المؤسسة الملكية للطيران نماذج تجريبية عملية لتوربينات محورية مناسبة لقيادة المراوح.[14]
  • 1930م: سجّل فرانك ويتل براءة اختراع لتصميم محرك نفاث يعتمد على توربين غازي ذي ضاغط طارد مركزي، وذلك بعد عدم حصول مشروعه على الدعم المطلوب من سلاح الجو الملكي البريطاني. تُوّجت جهوده بإجراء أول تشغيل ناجح للمحرك في إنجلترا في أبريل 1937.[15]
  • 1932م: بدأت شركة براون بوفيري السويسرية ببيع مجموعات ضاغط وتوربين محورية ضمن غلايات «فيلوكس» البخارية المشحونة توربينيًا. ووفقًا لمبدأ التوربين الغازي، وُضعت أنابيب تبخير البخار داخل غرفة احتراق التوربين الغازي، وتم إنشاء أول محطة فيلوكس في مصنع للصلب بمدينة موندوفيل الفرنسية.[16]
  • 1936م: تم تشغيل أول توربين غازي صناعي ذي تدفق مستمر من إنتاج شركة براون بوفيري، ودخل الخدمة في مصفاة ماركوس هوك التابعة لشركة صن أويل في ولاية بنسلفانيا الأمريكية.[17]
  • 1937م: تم تشغيل أول نموذج عملي تجريبي لمحرك توربيني نفاث في كل من المملكة المتحدة (فرانك ويتل) وألمانيا (هانس فون أوهاين – هاينكل HeS 1). كما نجح هنري تيزارد في تأمين تمويل حكومي بريطاني لمواصلة تطوير محرك شركة باور جيتس.[18]
  • 1939م: قامت شركة براون بوفيري ببناء أول توربين غازي لإنتاج الكهرباء بقدرة 4 ميغاواط لمحطة طوارئ في نوشاتيل بسويسرا. وفي العام نفسه قامت الطائرة «هاينكل He 178»، أول طائرة نفاثة في العالم، بأول رحلة طيران لها.[19]
  • 1940م: أُجري أول اختبار أرضي لمحرك التوربوبروب «جندراسيك Cs-1»، الذي صممه المهندس المجري جيورجي جندراسيك لتشغيل مقاتلة مجرية ثقيلة ثنائية المحرك. وتوقف العمل على المشروع عام 1941 قبل استخدام المحرك في أي طائرة.[20]
  • 1944م: دخل محرك «يونكرز Jumo 004» مرحلة الإنتاج الكامل، وشغّل أول الطائرات النفاثة العسكرية الألمانية مثل «ميسرشميت Me 262». ويمثل ذلك بداية عصر التوربينات الغازية في مجال الطيران.
  • 1946م: تأسست المؤسسة الوطنية للتوربينات الغازية في بريطانيا من دمج شركة باور جيتس وقسم التوربينات التابع للمؤسسة الملكية للطيران، بهدف توحيد أعمال فرانك ويتل وهاين كونستانت. وفي مدينة بيزناو السويسرية تم تشغيل أول وحدة تجارية تعمل بإعادة التسخين واسترجاع الحرارة بقدرة 27 ميغاواط.[21]
  • 1947م:شهد هذا العام نجاح أول توربين غازي بحري، وهو محرك ميتروبوليتان فيكرز G1 (غاتريك)، بعد إتمامه التجارب التشغيلية البحرية على متن السفينة M.G.B 2009 التابعة للبحرية الملكية البريطانية. وقد طُوِّر هذا المحرك انطلاقًا من المحرك النفاث ميتروبوليتان فيكرز F2.[22][23]
  • 1995م: أصبحت شركة سيمنس أول شركة مصنّعة للتوربينات الغازية الكبيرة المخصصة لإنتاج الكهرباء تستخدم تقنية ريش التوربين أحادية البلورة في منتجاتها، مما أتاح درجات تشغيل أعلى وكفاءة أكبر.[24]
  • 2011م: اختبرت شركة ميتسوبيشي للصناعات الثقيلة أول توربين غازي يعمل ضمن دورة مركبة بكفاءة تتجاوز 60% (الطراز M501J) في منشآتها بمدينة تاكاساغو في محافظة هيوغو اليابانية.[25][26]

مكونات العنفة الغازية

[عدل | عدل المصدر]
Image
محرك توربيني في الطائرة :
A المروحة - B صندوق التروس - C كابس - D غرفة الاحتراق - E عنفة تمديد الهواء - F العادم. ويتكون التوربين الغازي من الأجزاء C إلى E.

يتكون التوربين الغازي من الأجزاء الرئيسية التالية:

  • الضاغط C-A يقوم بأخذ الهواء من الجو المحيط ويرفع ضغطه إلى عشرات الضغوط الجوية.
  • غرفة الاحتراق D فيها يختلط الهواء المضغوط الآتي من ضاغطة الهواء مع الوقود ويحترقان معا بواسطة وسائل خاصة بالاشتعال، وتكون نواتج الاحتراق من غازات مختلفة وعلى درجات حرارة عالية تصل إلى 1000 درجه فهرنهايت وضغط مرتفع.
  • العنفة E ويكون محورها أفقي مربوط مع محور ضاغطة الهواء مباشرة من ناحية ومن الأخرى مع الحمل الميكانيكي المراد تدويره (كأن يكون مولد كهربائي مثلا) ومن خلال مناول ترسي لخفض السرعة لأن سرعة دوران العنفة تكون عالية جدا.
  • المولد الكهربائي باستخدام صندوق التروس يتصل بالعنفة وفي بعض الاحيان تفسم إلى عنفتين واحدة تدور بسرعة عالية لاتصالها بالغازات الناتجة عن الاحتراق والثانية تسمى عنفة القدرة لاتصالها بمحور المولد.

المعدات المساعدة

[عدل | عدل المصدر]

تحتاج التوربينات الغازية لتشغيلها بأمان وسلامة إلى بعض المعدات والآلات المساعدة على النحو التالي:

  • مرشح هواء عند نقطة دخوله إلى الضاغط.
  • كبديل للمناول الترسي، مُمكن استعمال مساعد التشغيل الأولي (static starter أو SFC أو load commutated inverter) وهو بادئ تشغيل، وفكرته نفس فكرة عمل دينامو السيارة، إما محرك كهربائي أو محرك ديزل أو توربين بخاري (starting steam turbine).
  • منظومة زيوت تشحيم (للتزليق) وبها خزان يستعمل زيت بموصافات قياسية ووظيفتها تبريد العمود الدوار باستمرار على كراسي التحميل (محملات) وذلك لحماية العمود الدوار وتتكون هذه المنظومة من «مضخة رافعة للزيت» (Lifting oil pump) وهي مضخة رفع يصل ضغطها إلي 165 بار لرفع العمود في بداية التشغيل ومضختين للتزييت رئيسة وفرعية ومضخة الطواري تشتغل بالتيار المستمر وتستمر نحو 45 دقيقة عند أنقطاع التيار علي المحطة
  • منظومة إشعال[الإنجليزية].
  • منظومة تبريد الزيت وهو مبادل حراري يُبرّد الزيت من خلال نقل حرارته إلى الهواء القصري، يعمل عادةً بمساعدة مراوح.
  • منظومة سيطرة أو نظام تحكم وهي معدات قياس الحرارة والضغط في كل مرحلة من مراحل العمل، ونظام تشغيل متكامل مثل (mark4 ،mark5 ،mark6) أنظمة في محطات توليد الكهرباء [مبهم] يحتوي على معالج إشارة أو أكثر.
  • منظومة تبريد ماء المولد وهي عبارة عن مبادي حراري ما بين الهواء والماء

وقود العنفة الغازية

[عدل | عدل المصدر]

يعمل التوربين الغازي على أنواع كثيرة من الوقود، فهو يعمل على الغاز الطبيعي وعلى الديزل والجازولين وحتى على النفط الخام (مع بعض الإضافات الكيمياوية والترتيبات). ووظيفة هذه الإضافات الكيميائية هي تكوين طبقة رقيقة على ريش التوربينة حتى تحميها من بعض المواد الموجودة في النفط الخام التي لا تتحول بعد الاحتراق.

عيوب العنفة الغازية

[عدل | عدل المصدر]

من عيوب التوربين الغازي هو انخفاض كفاءته حيث تتراوح بين 15 و 25% وتتأثر كثيرا بدرجة حرارة المحيط (درجة حرارة الجو), كما أن عمرها التشغيلي قصير نسبيا وتستهلك كمية أكبر من الوقود (بالمقارنة مع محطات البخارية).

اقرأ أيضا

[عدل | عدل المصدر]

مراجع

[عدل | عدل المصدر]
  1. 1 2 منير البعلبكي؛ رمزي البعلبكي (2008). المورد الحديث: قاموس إنكليزي عربي (بالعربية والإنجليزية) (ط. 1). بيروت: دار العلم للملايين. ص. 484. ISBN:978-9953-63-541-5. OCLC:405515532. OL:50197876M. QID:Q112315598.
  2. ↑ Introduction to Engineering Thermodynamics, Richard E. Sonntag, Claus Borrgnakke 2007. Retrieved 2013-03-13. نسخة محفوظة 7 يوليو 2017 على موقع واي باك مشين
  3. ↑ Kellner، Tomas (17 يونيو 2016). "Here's Why The Latest Guinness World Record Will Keep France Lit Up Long After Soccer Fans Leave" (Press release). جنرال إلكتريك. مؤرشف من الأصل في 2017-06-16. اطلع عليه بتاريخ 2016-06-21. "نسخة مؤرشفة". مؤرشف من الأصل في . اطلع عليه بتاريخ 2017-12-24.{{استشهاد بويب}}: صيانة الاستشهاد: BOT: original URL status unknown (link)
  4. ↑ Dick، Erik (2015). "Thrust Gas Turbines". Fundamentals of Turbomachines. Dordrecht: Springer. ج. 109.
  5. ↑ SATOSHI HADA؛ وآخرون. "Test Results of the World's First 1,600C J-series Gas Turbine" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2015-10-16. اطلع عليه بتاريخ 2015-10-15.
  6. 1 2 3 Eckardt, Dietrich (2014). "3.2 Early Attempts with the Gas Turbine Principle". Gas Turbine Powerhouse (بالإنجليزية). Oldenbourg Verlag Munchen. ISBN:9783486735710.
  7. ↑ Zhang، B. (14 ديسمبر 2014). Lu، Yongxiang (المحرر). A History of Chinese Science and Technology: Volume 3. Springer Berlin Heidelberg. ص. 308–310. ISBN:978-3662441626. مؤرشف من الأصل في 2023-08-12.
  8. ↑ "Massachusetts Institute of Technology Gas Turbine Lab". Web.mit.edu. 27 أغسطس 1939. مؤرشف من الأصل في 2021-04-11. اطلع عليه بتاريخ 2012-08-13.
  9. ↑ UK patent no. 1833 – Obtaining and Applying Motive Power, & c. A Method of Rising Inflammable Air for the Purposes of Procuring Motion, and Facilitating Metallurgical Operations
  10. ↑ "History – Biographies, Landmarks, Patents". ASME. 10 مارس 1905. مؤرشف من الأصل في 2010-12-25. اطلع عليه بتاريخ 2012-08-13.
  11. 1 2 Leyes, p.231-232.
  12. ↑ Eckardt، Dietrich (2022). Jet Web. Springer. ص. 27. ISBN:9783658385309.
  13. ↑ Armstrong، F.W (2020). "Farnborough and the Beginnings of Gas Turbine Propulsion" (PDF). Journal of Aeronautical History. Royal Aeronautical Society. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2026-02-09.
  14. ↑ "Welcome to the Frank Whittle Website". www.frankwhittle.co.uk. مؤرشف من الأصل في 2012-02-13. اطلع عليه بتاريخ 2016-10-22.
  15. ↑ Kreith، Frank، المحرر (1998). The CRC Handbook of Mechanical Engineering (ط. Second). US: CRC Press. ص. 222. ISBN:978-0-8493-9418-8.
  16. ↑ "University of Bochum "In Touch Magazine 2005", p. 5" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2012-03-13. اطلع عليه بتاريخ 2012-08-13.
  17. ↑ Brun, Klaus; Kurz, Rainer (2019). Introduction to Gas Turbine Theory (بالإنجليزية) (4 ed.). Solar Turbines Incorporated. p. 15. ISBN:978-0-578-48386-3.
  18. ↑ John Golley. 1996. "Jet: Frank Whittle and the invention of the jet engine". (ردمك 978-1-907472-00-8)
  19. ↑ Eckardt, D. and Rufli, P. "Advanced Gas Turbine Technology – ABB/ BBC Historical Firsts", ASME J. Eng. Gas Turb. Power, 2002, p. 124, 542–549
  20. ↑ Eckardt، Dietrich (2022). "Early Turbojet Developments in the USA and Other Countries". Jet Web. Wiesbaden, Germany: Springer. ص. 399. ISBN:978-3-658-38531-6.
  21. ↑ Eckardt, D. "Gas Turbine Powerhouse". 2014. (ردمك 978-3-11-035962-6)
  22. ↑ "Post War Advances in Propulsion". ذا تايمز. 15 يونيو 1953. ص. 20. اطلع عليه بتاريخ 2021-01-08.
  23. ↑ Nunn، Robert H (25 فبراير 1977). The Marine Gas Turbine-The UK Provides a Case Study in Technological Development (PDF) (Report). US Office of Naval Research. ص. 5. مؤرشف (PDF) من الأصل في 2021-04-19.
  24. ↑ Langston، Lee S. (6 فبراير 2017). "Each Blade a Single Crystal". American Scientist. مؤرشف من الأصل في 2026-05-03. اطلع عليه بتاريخ 2019-01-25.
  25. ↑ Hada، Satoshi؛ وآخرون. "Test Results of the World's First 1,600C J-series Gas Turbine" (PDF). مؤرشف من الأصل (PDF) في 2015-10-16. اطلع عليه بتاريخ 2015-10-15.
  26. ↑ "Gas Turbines breaking the 60% efficiency barrier". Cogeneration & On-Site Power Production. 5 يناير 2010. مؤرشف من الأصل في 2013-09-30.
مجلوبة من «https://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=عنفة_غازية&oldid=75817513»