अक्षीय टर्बाइन

त्रिज्यीय टर्बाइन अक्षीय टरबाइन है जिसमें काम कर रहे तरल पदार्थ का प्रवाह शाफ्ट के लिए त्रिज्यीय होता है। अक्षीय टर्बाइन और त्रिज्यीय टर्बाइन के बीच का अंतर घटकों (संपीडक और टर्बाइन) के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह के प्रकार में होता है। जबकि एक अक्षीय टर्बाइन के लिए घूर्णक द्रव प्रवाह द्वारा 'प्रभावित' होता है, एक त्रिज्यीय टर्बाइन के लिए, प्रवाह सुचारू रूप से परिक्रमण अक्ष के लंबवत उन्मुख होता है, और यह टर्बाइन को उसी तरह चलाता है जैसे पानी एक पनचक्की चलाता है। परिणाम कम यांत्रिक प्रतिबल (और गर्म काम करने वाले तरल पदार्थ की स्थिति में कम ऊष्मीय प्रतिबल) है जो अक्षीय टर्बाइनों की तुलना में एक त्रिज्यीय टरबाइन को सरल, अधिक मजबूत और अधिक कुशल (समान शक्ति श्रेणि में) बनाता है। जब उच्च शक्ति श्रेणि (5 मेगावाट से ऊपर) की बात आती है तो त्रिज्यीय टर्बाइन प्रतिस्पर्धी नहीं रह जाता है (इसके भारी और महंगे घूर्णक के कारण) और दक्षता अक्षीय टर्बाइनों के समान हो जाती है।



लाभ और चुनौतियां
अक्षीय प्रवाह टर्बाइन की तुलना में, एक त्रिज्यीय टर्बाइन अपेक्षाकृत उच्च दबाव अनुपात (≈4) प्रति चरण कम प्रवाह दर के साथ नियोजित कर सकता है। इस प्रकार ये यंत्र निम्न विशिष्ट गति और शक्ति श्रेणी में आती हैं। उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए त्रिज्यीय चरणों में घूर्णक ब्लेड को ठंडा करना उतना आसान नहीं है जितना कि अक्षीय टरबाइन चरणों में होता है। परिवर्तनीय कोण चंचु ब्लेड बंद-प्रारुपण-बिंदु संचालन पर भी त्रिज्यीय टर्बाइन चरण में उच्च स्तर की क्षमता प्रदान कर सकते हैं। हाइड्रो टर्बाइन के परिवार में, फ्रांसिस टर्बाइन एक बहुत प्रसिद्ध IFR टरबाइन है जो अपेक्षाकृत बड़े प्रणोदक के साथ बहुत बड़ी शक्ति उत्पन्न करता है।

त्रिज्यीय टर्बाइनों के घटक
निरपेक्ष वेग C2 के त्रिज्यीय और स्पर्शरेखीय घटक क्रमशः Cr2 और Cq2 हैं। प्रवाह के आपेक्षिक वेग और घूर्णक की परिधीय गति क्रमशः w2 और u2 हैं। घूर्णक ब्लेड प्रविष्टि पर वायु कोण निम्न द्वारा दिया जाता है
 * $$\,\tan{\beta_2} =\frac{c_{r2}}{c_{\theta 2} - u_2}$$

तापीय धारिता और एंट्रॉपी आरेख
चंचुविष्टि पर गैस की ठहराव स्थिति को बिंदु 01 द्वारा दर्शाया गया है। गैस एक दबाव p1 से p2 के दबाव से अपने वेग में c1 से c2 तक की वृद्धि के साथ चंचु में रूद्धोष्म रूप से फैलती है। चूँकि यह एक ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रिया है, ठहराव तापीय धारिता स्थिर रहता है लेकिन ठहराव दबाव कम हो जाता है (p01 > p02)।

घूर्णक में ऊर्जा परिवर्तन प्रक्रिया के साथ ऊर्जा हस्तांतरण होता है।



टोंटी वेग
संदर्भ वेग (C0) समकेंद्रिक वेग के रूप में जाना जाता है, चंचु वेग या चरण सीमांत वेग को उस वेग के रूप में परिभाषित किया जाता है, जो चरण के प्रवेश और निकास दबावों के बीच गैस के समकेंद्रिक विस्तार के बीच प्राप्त की जाएगी।


 * $$\,C_0 = \sqrt{2C_p\,T_{01}\,\left(1 - \left(\frac{p_3}{p_{01}}\right)^\frac{\gamma - 1}{\gamma}\right)}$$

चरण दक्षता
कुल-से-स्थैतिक दक्षता कार्य के इस मूल्य पर आधारित है।


 * $$\begin{align}

\eta_\text{ts} &= \frac{h_{01} - h_{03}}{h_{01} - h_{3ss}} = \frac{\psi\,u_2^2}{C_p\,T_{01}\left(1 - \left(\frac{p_3}{p_{01}}\right)^\frac{\gamma - 1}{\gamma}\right)} \end{align}$$

प्रतिक्रिया की डिग्री
चंचु और घूर्णक ब्लेड में आपेक्षिक दबाव या तापीय धारिता में गिरावट का निर्धारण चरण की प्रतिक्रिया की डिग्री द्वारा किया जाता है। इसे निम्न से परिभाषित किया गया है


 * $$R = \frac{\text{static enthalpy drop in rotor}}{\text{stagnation enthalpy drop in stage}}$$

अंश में कोष्ठक के भीतर दो मात्राएँ समान या विपरीत संकेत हो सकती हैं। यह, अन्य कारकों के अतिरिक्त, प्रतिक्रिया के मूल्य को भी नियंत्रित करेगा। जैसे-जैसे Cθ2 बढ़ता है, चरण प्रतिक्रिया घटता जाता है क्योंकि इसके परिणामस्वरूप चरण तापीय धारिता गिरावट का एक बड़ा अंश चंचु वक्र में घटित होता है।



चरण नुकसान
चरण में वायुगतिकीय हानियों के कारण चरण कार्य समएन्ट्रॉपी चरण तापीय धारिता गिरावट से ​​कम है। टर्बाइन शाफ्ट पर वास्तविक निर्गत घूर्णक डिस्क और धारुक घर्षण के कारण हुए नुकसान को घटाकर चरण कार्य के बराबर है।

1. स्क्रॉल और नोज़ल रिंग में त्वचा का घर्षण और पृथक्करण नुकसान
 * वे इन घटकों की ज्यामिति और त्वचा के घर्षण के गुणांक पर निर्भर करते हैं।

2. रोटर ब्लेड चैनलों में त्वचा का घर्षण और जुदाई का नुकसान
 * इन नुकसानों को चैनल ज्यामिति, त्वचा घर्षण के गुणांक और सापेक्ष वेगों के अनुपात w3/w2 द्वारा भी नियंत्रित किया जाता है। नब्बे डिग्री आईएफआर टर्बाइन चरण में, रोटर के रेडियल और अक्षीय वर्गों में होने वाले नुकसान को कभी-कभी अलग-अलग माना जाता है।

3. विसारक में त्वचा का घर्षण और अलगाव का नुकसान
 * ये मुख्य रूप से विसारक की ज्यामिति और प्रसार की दर से नियंत्रित होते हैं।

4. माध्यमिक नुकसान
 * ये विभिन्न प्रवाह मार्गों में विकसित होने वाले संचार प्रवाह के कारण होते हैं और मुख्य रूप से ब्लेड के वायुगतिकीय लोडिंग द्वारा नियंत्रित होते हैं। इन नुकसानों को नियंत्रित करने वाले मुख्य पैरामीटर b2/d2, d3/d2 और हब-टिप हैं रोटर निकास पर अनुपात।

5. आघात या घटना नुकसान
 * ऑफ-डिजाइन ऑपरेशन में, ब्लेड के अग्रणी किनारों पर घटना के कारण नोजल और रोटर ब्लेड के छल्ले में अतिरिक्त नुकसान होता है। इस नुकसान को पारंपरिक रूप से शॉक लॉस कहा जाता है, हालांकि इसका शॉक वेव्स से कोई लेना-देना नहीं है।

6. टिप क्लीयरेंस लॉस
 * यह रोटर ब्लेड युक्तियों पर प्रवाह के कारण होता है जो ऊर्जा हस्तांतरण में योगदान नहीं देता है।



ब्लेड से गैस की गति अनुपात
ब्लेड-से-गैस गति अनुपात को समएन्ट्रॉपी चरण सीमांत वेग c0 के रूप में व्यक्त किया जा सकता है


 * $$\,\sigma_s = \frac{u_2}{c_0} = [2 (1 + \phi_2 \cot{\beta_2})]^{-\frac{1}{2}}$$

के लिए
 * β2 = 90 हे
 * पीs ≈ 0.707



बाहरी-प्रवाह त्रिज्यीय चरण
बाहरी प्रवाह त्रिज्यीय टर्बाइन चरणों में, गैस या भाप का प्रवाह छोटे व्यास से बड़े व्यास तक होता है। चरण में स्थिर और गतिमान ब्लेडों की एक जोड़ी होती है। बड़े व्यास पर अंतः वर्ग का बढ़ता क्षेत्र विस्तारित गैस को समायोजित करता है।

यह विन्यास भाप और गैस टर्बाइनों के साथ लोकप्रिय नहीं हुआ। केवल एक ही जो अधिक सामान्यतः कार्यरत है वह फ्रेड्रिक जुंगस्ट्रॉम दोहरा परिक्रमण प्रकार टर्बाइन है। इसमें विपरीत दिशाओं में घूमने वाली दो डिस्क से प्रक्षेपित बाहुधरण ब्लेड के छल्ले होते हैं। एक दूसरे के संबंध में, दो आसन्न पंक्तियों में ब्लेड का सापेक्ष परिधीय वेग अधिक होता है। यह प्रति चरण तापीय धारिता गिरावट का उच्च मान देता है।

निकोला टेस्ला की चाकू रहित त्रिज्यीय टर्बाइन
1900 के आरंभ में, निकोला टेस्ला ने अपने चाकू रहित टेस्ला टर्बाइन का विकास और सर्वस्व अधिकार कराया। ब्लेड वाले टर्बाइनों के साथ कठिनाइयों में से एक ब्लेड वाले घूर्णक को संतुलित करने और बनाने के लिए जटिल और अत्यधिक सटीक आवश्यकताएं हैं जो बहुत अच्छी तरह से संतुलित होनी चाहिए। ब्लेड जंग और गुहिकायन के अधीन हैं। टेस्ला ने घूर्णक के ब्लेड के लिए बारीकी से दूरी वाली डिस्क की एक श्रृंखला को प्रतिस्थापित करके इस समस्या पर हमला किया। कार्यशील द्रव डिस्क के बीच बहता है और आवेग या प्रतिक्रिया के विपरीत सीमा परत प्रभाव या श्यानता और चिपचिपाहट के माध्यम से घूर्णक को अपनी ऊर्जा स्थानांतरित करता है। टेस्ला ने कहा कि उनकी टर्बाइन भाप द्वारा अविश्वसनीय रूप से उच्च दक्षता प्राप्त कर सकती है। टेस्ला द्वारा दावा की गई दक्षताओं को प्राप्त करने वाली टेस्ला टर्बाइनों का कोई प्रलेखित साक्ष्य नहीं है। उनमें टर्बाइन या स्पंदित की भूमिका में समग्र दक्षता कम पाई गई है। हाल के दशकों में चाकू रहित टर्बाइन और सर्वस्व अधिकार प्रारुपण के विकास पर और शोध किया गया है जो एथिलीन ग्लाइकॉल, राख, रक्त, चट्टानों और यहां तक ​​कि जीवित मछली जैसे संक्षारक/अपघर्षक और स्पंदित करने में कठिन सामग्री के साथ काम करता है।

संदर्भ

 * 'Turbines, Compressors and Fans 4th Edition' [Author: S M Yahya; publisher: TATA McGraw-Hill Education (2010)] ISBN 9780070707023
 * 'A review of cascade data on secondary losses in turbines' [Author: J Dunham ; J. Mech Eng Sci., 12, 1970]
 * Osterle, J.F., ‘Thermodynamic considerations in the use of gasified coal as a fuel for power conversion systems’, Frontiers of power technology conference proceedings, Oklahoma State University, Carnegie-Mellon University, Pittsburgh, Oct. 1974.
 * Starkey, N.E., ‘Long life base load service at 1600°F turbine inlet temperature’, ASME J. Eng. Power, Jan. 1967.
 * Stasa, F.L. and Osterle, F., ‘The thermodynamic performance of two combined cycle power plants integrated with two coal gasification systems’, ASME J. Eng. Power, July 1981.
 * Traenckner, K., ‘Pulverized-coal gasification Ruhrgas processes’, Trans ASME, 1953.
 * Ushiyama, I., ‘Theoretically estimating the performance of gas turbines under varying atmospheric condition’, ASME J. Eng. Power, Jan. 1976.
 * Yannone, R.A. and Reuther, J.F., ‘Ten years of digital computer control of combustion turbines ASME J. Engg. Power, 80-GT-76, Jan. 1981.
 * Hubert, F.W.L. et al., Large combined cycles for utilities’, Combustion, Vol. I, ASME gas turbine conference and products show, Brussels, May 1970.
 * Hurst, J.N. and Mottram, A.W.T., ‘Integrated Nuclear Gas turbines’, Paper No. EN-1/41, Symposium on the technology of integrated primary circuits for power reactors, ENEA, Paris, May 1968.
 * Jackson, A.J.B., ‘Some future trends in aeroengine design for subsonic transport aircraft’,-ASME J. Eng. Power, April 1976.
 * Kehlhofer, R., ‘Calculation for part-load operation of combined gas/steam turbine plants’, Brown Boveri Rev., 65, 10, pp 672–679, Oct. 1978.
 * Kingcombe, R.C. and Dunning, S.W., ‘Design study for a fuel efficient turbofan engine’, ASME paper No. 80-GT-141, New Orleans, March 1980.
 * Mayers, M.A. et al., ‘Combination gas turbine and steam turbine cycles’, ASME paper No. 55-A-184, 1955.
 * Mcdonald, C.F. and Smith, M.J., ‘Turbomachinery design considerations for nuclear HTGR-GT power plant’, ASME J. Eng. Power, 80-GT-80, Jan. 1981.
 * Mcdonald, C.F. and Boland, C.R., ‘The nuclear closed-cycle gas turbine (HTGR-GT) dry cooled commercial power plant studies’, ASME J. Eng. Power, 80-GT-82, Jan. 1981.
 * Nabors, W.M. et al., ‘Bureau of mine progress in developing the coal burning gas turbine power plant’, ASME J. Eng. Power, April 1965.