टर्बोमशीनरी

टर्बोमशीनरी यांत्रिक इंजीनियरी में, उन मशीनों का वर्णन करती है जो रोटर(टरबाइन) और तरल पदार्थ के बीच ऊर्जा स्थानांतरित करती हैं। जिसमें टर्बाइन और संपीड़क दोनों सम्मिलित हैं। जब एक टर्बाइन द्रव पदार्थ से रोटर में ऊर्जा स्थानांतरित करता है,तब  एक संपीड़क रोटर से द्रव पदार्थ में ऊर्जा स्थानांतरित करता है। इन दो प्रकार की मशीनों को न्यूटन के गति के दूसरे नियम और संपीड़ित द्रव पदार्थों के लिए ऑयलर के पंप और टर्बाइन समीकरण सहित समान मूल तत्व संबंधों द्वारा नियंत्रित किया जाता है। केन्द्रापसारक पम्प भी टर्बोमशीन हैं जो एक रोटर से द्रव पदार्थ में ऊर्जा स्थानांतरित करते हैं जो सामान्यतः एक तरल पदार्थ होती है, जबकि टर्बाइन और संपीड़क सामान्यतः गैस के साथ काम करते हैं।

इतिहास
पहली टर्बोमाचिन को पानी के पहियों के रूप में पहचाना जा सकता है, जो भूमध्यसागरीय क्षेत्र में तीसरी और पहली शताब्दी ईसा पूर्व के बीच दिखाई दिया। ये पूरे मध्ययुगीन काल में उपयोग किए गए और पहली औद्योगिक क्रांति  शुरू हुई। जब  भाप की शक्ति  का उपयोग किया जाने लगा, तो अक्षय प्राकृतिक ऊर्जा स्रोतों के बजाय ईंधन के दहन द्वारा संचालित पहले शक्ति स्रोत के रूप में, यह पारस्परिक इंजन के रूप में था। उनके लिए आदिम टर्बाइन और वैचारिक डिजाइन, जैसे  धूम्रपान जैक, रुक-रुक कर दिखाई दिए लेकिन व्यावहारिक रूप से कुशल टरबाइन के लिए आवश्यक तापमान और दबाव उस समय की निर्माण तकनीक से अधिक थे। गैस टर्बाइन के लिए पहला पेटेंट 1791 में जॉन बार्बर (इंजीनियर) द्वारा दायर किया गया था। 1880 के दशक तक व्यावहारिक जलविद्युत टर्बाइन और भाप टर्बाइन दिखाई नहीं दिए। 1930 के दशक में गैस टर्बाइन दिखाई दिए।

पहला आवेग प्रकार टर्बाइन 1883 में कार्ल गुस्ताफ डी लावल द्वारा बनाया गया था। इसके बाद 1884 में पहली व्यावहारिक प्रतिक्रिया प्रकार टर्बाइन चार्ल्स अल्गर्नन पार्सन्स  द्वारा निर्मित किया गया था। पार्सन्स का पहला डिज़ाइन एक मल्टी-स्टेज एक्सियल-फ्लो यूनिट था, जिसे  जॉर्ज वेस्टिंगहाउस  ने अधिग्रहित किया और 1895 में निर्माण शुरू किया, जबकि  जनरल इलेक्ट्रिक  ने 1897 में डे लावल के डिज़ाइनों का अधिग्रहण किया। तब से, पार्सन्स के शुरुआती डिज़ाइन से विकास आसमान छू गया है, जो 0.746 kW का उत्पादन करता है, 1500 मेगावाट से अधिक उत्पादन करने वाली आधुनिक परमाणु भाप टर्बाइनों के लिए। आज, संयुक्त राज्य अमेरिका में उत्पन्न विद्युत शक्ति का लगभग 90% भाप टर्बाइनों का है। फिर 1890 के दशक के अंत में बिजली स्ट्रीट लाइट (मेहर-होमजी, 2000) में पहली कामकाजी औद्योगिक गैस टर्बाइन का उपयोग किया गया था।

वर्गीकरण
सामान्य तौर पर, व्यवहार में आने वाली दो प्रकार की टर्बोमाचिन खुली और बंद टर्बोमाचिन हैं। खुली मशीनें जैसे प्रोपेलर, पवनचक्की, और बिना ढंके यांत्रिक पंखे अनंत मात्रा में तरल पदार्थ पर कार्य करते हैं, जबकि बंद मशीनें द्रव की एक सीमित मात्रा पर काम करती हैं क्योंकि यह एक आवास या आवरण से गुजरती है।

Turbomachines को प्रवाह के प्रकार के अनुसार भी वर्गीकृत किया जाता है। जब प्रवाह रोटेशन की धुरी के समानांतर होता है, तो उन्हें अक्ष ीय प्रवाह मशीन कहा जाता है, और जब प्रवाह रोटेशन की धुरी के लंबवत होता है, तो उन्हें रेडियल (या केन्द्रापसारक) प्रवाह मशीन कहा जाता है। एक तीसरी श्रेणी भी है, जिसे मिश्रित प्रवाह मशीन कहा जाता है, जहां रेडियल और अक्षीय प्रवाह वेग दोनों घटक मौजूद होते हैं।

Turbomachines को आगे दो अतिरिक्त श्रेणियों में वर्गीकृत किया जा सकता है: वे जो तरल पदार्थ के दबाव को बढ़ाने के लिए ऊर्जा को अवशोषित करती हैं, यानी पंप, फैन (मैकेनिकल), और गैस कंप्रेसर, और जो कम दबाव में प्रवाह का विस्तार करके  टर्बाइन  जैसी ऊर्जा का उत्पादन करती हैं। विशेष रुचि वाले अनुप्रयोग हैं जिनमें पंप, पंखे, कंप्रेशर्स और टर्बाइन शामिल हैं। ये घटक लगभग सभी यांत्रिक उपकरण प्रणालियों में आवश्यक हैं, जैसे कि बिजली और  हीट पंप और प्रशीतन चक्र ।

परिभाषा
कोई भी उपकरण जो तरल पदार्थ की निरंतर गतिमान धारा से ऊर्जा निकालता है या ऊर्जा प्रदान करता है, उसे टर्बो मशीन कहा जा सकता है। विस्तार से, एक टर्बोमाचिन एक शक्ति या सिर पैदा करने वाली मशीन है जो एक घूर्णन तत्व, रोटर की गतिशील क्रिया को नियोजित करती है; रोटर की क्रिया मशीन के माध्यम से लगातार बहने वाले द्रव के ऊर्जा स्तर को बदल देती है। टर्बाइन, कम्प्रेसर और पंखे सभी मशीनों के इस परिवार के सदस्य हैं। सकारात्मक विस्थापन मशीनों के विपरीत (विशेष रूप से पारस्परिक प्रकार के जो यांत्रिक और वॉल्यूमेट्रिक दक्षता विचारों के आधार पर कम गति वाली मशीनें हैं), अधिकांश टर्बोमाचिन तुलनात्मक रूप से उच्च गति पर बिना किसी यांत्रिक समस्या और वॉल्यूमेट्रिक दक्षता के सौ प्रतिशत के करीब चलती हैं।

ऊर्जा रूपांतरण
Turbomachines को ऊर्जा रूपांतरण की दिशा के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:


 * द्रव दबाव या सिर (डक्टेड पंखे, कंप्रेशर्स और पंप) को बढ़ाने के लिए शक्ति को अवशोषित करें।
 * तरल पदार्थ को कम दबाव या सिर (हाइड्रोलिक, भाप और गैस टर्बाइन) में विस्तारित करके शक्ति का उत्पादन करें।

द्रव प्रवाह
टर्बोमाचिन को रोटर के मार्ग के माध्यम से प्रवाह पथ की प्रकृति के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

अक्षीय प्रवाह - जब प्रवाह का मार्ग पूरी तरह से या मुख्य रूप से रोटेशन के अक्ष के समानांतर होता है, तो डिवाइस को अक्षीय प्रवाह टर्बोमाचिन कहा जाता है। द्रव वेग का रेडियल घटक नगण्य है। चूंकि द्रव की दिशा में कोई परिवर्तन नहीं होता है, इसलिए बिजली उत्पादन बढ़ाने के लिए कई अक्षीय चरणों का उपयोग किया जा सकता है।

कापलान टर्बाइन अक्षीय प्रवाह टर्बाइन का एक उदाहरण है।

आकृति में: रेडियल टर्बाइन - जब थ्रूफ्लो का मार्ग पूरी तरह से या मुख्य रूप से रोटेशन अक्ष के लंबवत विमान में होता है, तो डिवाइस को रेडियल फ्लो टर्बोमशीन कहा जाता है। इसलिए, प्रवेश और निकास के बीच त्रिज्या का परिवर्तन परिमित है। एक रेडियल टर्बोमाचिन आवक या जावक प्रवाह प्रकार हो सकता है जो उस उद्देश्य पर निर्भर करता है जिसे सेवा देने की आवश्यकता होती है। बाहरी प्रवाह प्रकार द्रव के ऊर्जा स्तर को बढ़ाता है और इसके विपरीत। दिशा में निरंतर परिवर्तन के कारण, कई रेडियल चरणों का आमतौर पर उपयोग नहीं किया जाता है।
 * यू = ब्लेड वेग,
 * विf = प्रवाह वेग,
 * वी = निरपेक्ष वेग,
 * विr = सापेक्ष वेग,
 * विw = वेग का स्पर्शरेखा या भँवर घटक।

एक केन्द्रापसारक पम्प एक रेडियल प्रवाह टर्बोमाचिन का एक उदाहरण है।

मिश्रित प्रवाह कंप्रेसर - जब अक्षीय और रेडियल प्रवाह दोनों मौजूद होते हैं और नगण्य नहीं होते हैं, तो डिवाइस को मिश्रित प्रवाह टर्बोमाचिन कहा जाता है। यह रेडियल और अक्षीय दोनों प्रकारों के प्रवाह और बल घटकों को जोड़ती है।

फ्रांसिस टर्बाइन मिश्रित-प्रवाह टर्बाइन का एक उदाहरण है।

शारीरिक क्रिया
Turbomachines को अंततः एक चरण में होने वाले दबाव परिवर्तनों के सापेक्ष परिमाण पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

आवेग Turbomachines रोटर ब्लेड पर एक स्थिर नोक  (स्टेटर ब्लेड) के माध्यम से द्रव के प्रवाह की दिशा में तेजी लाने और बदलने से संचालित होता है। नोजल आने वाले दबाव को वेग में बदलने का काम करता है, वेग बढ़ने पर द्रव की  तापीय धारिता  कम हो जाती है। रोटर ब्लेड्स पर दबाव और एन्थैल्पी ड्रॉप न्यूनतम है। रोटर पर वेग कम हो जाएगा।

न्यूटन का दूसरा नियम ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। आवेग टर्बोमाचिन को रोटर के चारों ओर एक दबाव केसमेंट की आवश्यकता नहीं होती है क्योंकि रोटर पर ब्लेडिंग तक पहुंचने से पहले नोजल द्वारा द्रव जेट बनाया जाता है।

पेल्टन व्हील एक आवेग डिजाइन है।

रिएक्शन टर्बोमाचिन एयरोफिल आकार के रोटर और स्टेटर ब्लेड के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह पर प्रतिक्रिया करके काम करते हैं। ब्लेड के सेट के माध्यम से द्रव का वेग थोड़ा बढ़ जाता है (जैसा कि एक नोजल के साथ) यह रोटर से स्टेटर और इसके विपरीत से गुजरता है। एक बार अंतराल के बीच से गुजरने के बाद द्रव का वेग फिर से कम हो जाता है। ब्लेड के सेट के माध्यम से दबाव और तापीय धारिता लगातार कम होती जाती है।

न्यूटन का तीसरा नियम प्रतिक्रिया टर्बाइनों के लिए ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। काम कर रहे तरल पदार्थ को शामिल करने के लिए एक दबाव आवरण की आवश्यकता होती है। संपीड़ित काम करने वाले तरल पदार्थों के लिए, कई टरबाइन चरणों का उपयोग आमतौर पर विस्तारित गैस को कुशलता से करने के लिए किया जाता है।

अधिकांश टर्बोमाचिन अपने डिजाइन में आवेग और प्रतिक्रिया के संयोजन का उपयोग करते हैं, अक्सर एक ही ब्लेड पर आवेग और प्रतिक्रिया भागों के साथ।

टर्बोमशीनरी
का वर्णन करने के लिए आयाम रहित अनुपात

द्रव मशीनों के लक्षण वर्णन के लिए अक्सर निम्न आयाम रहित अनुपात का उपयोग किया जाता है। वे विभिन्न आयामों और सीमा स्थितियों के साथ प्रवाह मशीनों की तुलना करने की अनुमति देते हैं।
 * 1) दबाव सीमा ψ
 * 2) प्रवाह गुणांक φ (डिलीवरी या वॉल्यूम संख्या सहित)
 * 3) प्रदर्शन संख्या λ
 * 4) रन संख्या σ
 * 5) व्यास संख्या δ

बिजली उत्पादन
हाइड्रोइलेक्ट्रिकिटी- हाइड्रो-इलेक्ट्रिक टर्बोमशीनरी बिजली पैदा करने वाले जनरेटर को चालू करने के लिए एक खुले प्ररित करनेवाला पर प्रवाहित करने के लिए पानी में संग्रहीत संभावित ऊर्जा का उपयोग करती है।

स्टीम टर्बाइन- बिजली उत्पादन में इस्तेमाल होने वाली स्टीम टर्बाइन कई अलग-अलग रूपों में आती हैं। समग्र सिद्धांत यह है कि उच्च दबाव वाली भाप को शाफ्ट से जुड़े ब्लेड पर मजबूर किया जाता है, जो एक जनरेटर को घुमाता है। चूंकि भाप टरबाइन के माध्यम से यात्रा करती है, यह छोटे ब्लेड से गुजरती है, जिससे शाफ्ट तेजी से घूमती है, जिससे अधिक बिजली बनती है।

गैस टर्बाइन- गैस टर्बाइन बहुत हद तक स्टीम टर्बाइन की तरह काम करते हैं। शाफ्ट को घुमाने वाले ब्लेड की एक श्रृंखला के माध्यम से हवा को मजबूर किया जाता है। फिर ईंधन हवा के साथ मिश्रित होता है और दहन प्रतिक्रिया का कारण बनता है, जिससे शक्ति बढ़ती है। यह तब शाफ्ट को तेजी से घूमने का कारण बनता है, जिससे अधिक बिजली पैदा होती है।

पवन टर्बाइन- पवन टरबाइन के रूप में भी जाना जाता है, बिजली उत्पन्न करने के लिए पवन का कुशलतापूर्वक उपयोग करने की क्षमता के लिए पवन चक्कियों की लोकप्रियता बढ़ रही है। हालांकि वे कई आकृतियों और आकारों में आते हैं, सबसे आम तीन बड़े ब्लेड हैं। ब्लेड हवाई जहाज के पंख के समान सिद्धांत पर काम करते हैं। जैसे ही हवा ब्लेड के ऊपर से गुजरती है, यह कम और उच्च दबाव का क्षेत्र बनाता है, जिससे ब्लेड हिलता है, एक शाफ्ट घूमता है और बिजली पैदा करता है। यह लगभग एक भाप टर्बाइन की तरह है, लेकिन हवा की अनंत आपूर्ति के साथ काम करता है।

समुद्री
स्टीम टर्बाइन- समुद्री अनुप्रयोगों में स्टीम टर्बाइन बिजली उत्पादन में बहुत समान हैं। उनके बीच कुछ अंतर आकार और पावर आउटपुट हैं। जहाजों पर भाप टर्बाइन बहुत छोटे होते हैं क्योंकि उन्हें पूरे शहर को बिजली देने की आवश्यकता नहीं होती है। वे अपनी उच्च प्रारंभिक लागत, उच्च विशिष्ट ईंधन खपत और इसके साथ जाने वाली महंगी मशीनरी के कारण बहुत सामान्य नहीं हैं।

गैस टर्बाइन- समुद्री अनुप्रयोगों में गैस टर्बाइन अपने छोटे आकार, बढ़ी हुई दक्षता और स्वच्छ ईंधन को जलाने की क्षमता के कारण अधिक लोकप्रिय हो रहे हैं। वे बिजली उत्पादन के लिए गैस टर्बाइन की तरह ही चलते हैं, लेकिन बहुत छोटे होते हैं और प्रणोदन के लिए अधिक मशीनरी की आवश्यकता होती है। वे नौसैनिक जहाजों में सबसे लोकप्रिय हैं क्योंकि वे मिनटों में पूर्ण शक्ति के लिए एक मृत पड़ाव पर हो सकते हैं (कायाडेलन, 2013), और दी गई शक्ति के लिए बहुत छोटे हैं।

पंप जेट अनिवार्य रूप से एक वॉटरजेट ड्राइव एक विमान टर्बोजेट की तरह होता है, जिसमें अंतर होता है कि हवा के बजाय ऑपरेटिंग द्रव पानी होता है। जल जेट तेज जहाजों के लिए सबसे उपयुक्त हैं और इस प्रकार अक्सर सेना द्वारा उपयोग किए जाते हैं। जल जेट प्रणोदन के समुद्री प्रणोदन के अन्य रूपों, जैसे स्टर्न ड्राइव, आउटबोर्ड मोटर्स, शाफ्ट प्रोपेलर और सतह ड्राइव पर कई फायदे हैं।

ऑटो
टर्बोचार्जर- टर्बोचार्जर सबसे लोकप्रिय टर्बो मशीनों में से एक हैं। वे मुख्य रूप से अधिक हवा जोड़कर इंजनों में शक्ति जोड़ने के लिए उपयोग किए जाते हैं। यह टर्बोमाचिन के दोनों रूपों को जोड़ती है। इंजन से निकलने वाली गैसें ब्लेड वाले पहिये को घुमाती हैं, बिल्कुल टर्बाइन की तरह। वह पहिया फिर एक और ब्लेड वाले पहिये को घुमाता है, इंजन में बाहर की हवा को चूसता और संपीड़ित करता है।

सुपरचार्जर- सुपरचार्जर का उपयोग इंजन की शक्ति बढ़ाने के लिए भी किया जाता है, लेकिन केवल संपीड़न के सिद्धांत पर काम करता है। वे इंजन से यांत्रिक शक्ति का उपयोग एक पेंच या फलक को स्पिन करने के लिए करते हैं, किसी तरह इंजन में हवा को चूसने और संपीड़ित करने के लिए।

सामान्य
पंप- पंप एक और बहुत लोकप्रिय टर्बो मशीन है। हालाँकि बहुत सारे विभिन्न प्रकार के पंप हैं, वे सभी एक ही काम करते हैं। पंपों का उपयोग इलेक्ट्रिक मोटर्स से पूर्ण आकार के डीजल इंजनों तक किसी प्रकार की यांत्रिक शक्ति का उपयोग करके तरल पदार्थ को स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। पंपों के हजारों उपयोग हैं, और टर्बोमशीनरी के लिए सही आधार हैं (स्कोर्पिक, 2017)।

एयर कंप्रेसर- एयर कंप्रेसर एक और बहुत लोकप्रिय टर्बो मशीन है। वे होल्डिंग टैंक में हवा को खींचकर और संपीड़ित करके संपीड़न के सिद्धांत पर काम करते हैं। एयर कंप्रेशर्स सबसे बुनियादी टर्बोमाचिनों में से एक हैं।

मैकेनिकल पंखा- पंखे सबसे सामान्य प्रकार की टर्बोमाचिन हैं।

एयरोस्पेस
गैस टर्बाइन- एयरोस्पेस गैस टर्बाइन, जिसे आमतौर पर जेट इंजन के रूप में जाना जाता है, सबसे आम गैस टर्बाइन हैं।

टर्बोपंप- रॉकेट इंजनों को बहुत अधिक प्रणोदक दबावों और द्रव्यमान प्रवाह दर की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि उनके पंपों को बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। इस मुद्दे के सबसे आम समाधानों में से एक टर्बोपंप का उपयोग करना है जो एक ऊर्जावान द्रव प्रवाह से ऊर्जा निकालता है। इस ऊर्जावान द्रव प्रवाह का स्रोत एक या कई चीजों का संयोजन हो सकता है, जिसमें हाइड्रोजन पेरोक्साइड का अपघटन, प्रणोदक के एक हिस्से का दहन, या दहन कक्ष की दीवारों में शीतलक जैकेट के माध्यम से चलने वाले क्रायोजेनिक प्रणोदक का ताप भी शामिल है।

टर्बो मशीन विषयों की आंशिक सूची
कई प्रकार के गतिशील सतत प्रवाह टर्बोमशीनरी उपस्थित हैं। इन प्रकारों की आंशिक सूची नीचे दी गई है। इन टर्बोमशीनों के विषय में उल्लेखनीय बात यह है कि सभी पर समान मूलतत्व सिद्धांत लागू होते हैं। निश्चित रूप से इन मशीनों के मध्य और विशेष रूप से विशिष्ट स्थितियों में अनुप्रयुक्त होने वाले विश्लेषण के प्रकारों के मध्य महत्वपूर्ण अंतर हैं। यह इस तथ्य का खंडन नहीं करता है कि वे द्रव गतिकी, गैस गतिकी, वायुगतिकी, जलगतिकी और ऊष्मप्रवैगिकी के समान अंतर्निहित भौतिकी द्वारा एकीकृत हैं।


 * अक्षीय संपीडित्र
 * अक्षीय पंखा
 * अपकेंद्रीय संपीडित्र
 * अपकेंद्रीय पंखा
 * अपकेंद्रीय पम्प
 * अपकेंद्रीय प्रकार सुपरचार्जर
 * एक्सोस्केलेटल इंजन
 * फ्रांसिस टरबाइन
 * गैस टर्बाइन
 * औद्योगिक पंखे
 * जेट इंजिन
 * यांत्रिक पंखा
 * मिश्रित प्रवाह संपीडित्र
 * रेडियल टरबाइन
 * वाष्प टरबाइन
 * टर्बोचार्जर
 * टर्बोविस्तारक
 * टर्बो फ़ैन इंजन
 * टर्बो जेट इंजन
 * टर्बोप्रौप इंजन
 * टर्बोपंप
 * टर्बोशाफ्ट
 * टर्बाइन
 * जल टर्बाइन

यह भी देखें

 * ब्लेड की मजबूती
 * टर्बोमशीनरी में द्वितीयक प्रवाह
 * स्खलन अवयव
 * टर्बोमशीनरी में त्रि-आयामी हानि और सहसंबंध

स्रोत

 * एस एम याह्या। टर्बाइन कंप्रेशर्स और पंखे। 1987. मैकग्रा हिल।
 * नागपुरवाला, क्यू। (एनडी)। भाप टर्बाइन। 10 अप्रैल, 2017 को http://164.100.133.129:81/eCONTENT/Uploads/13-Steam%20Turbines%20%5BCompatibility%20Mode%5D.pdf से लिया गया
 * सोरेस, सी। एम। (एनडी)। सरल चक्र और संयुक्त चक्र अनुप्रयोगों में गैस टर्बाइन। 1-72। https://www.netl.doe.gov/File%20Library/Research/Coal/energy%20systems/turbines/handbook/1-1.pdf से 10 अप्रैल, 2017 को लिया गया
 * पर्लमैन, यू.एच. (2016, 2 दिसंबर)। हाइड्रोइलेक्ट्रिक पावर: यह कैसे काम करता है। 10 अप्रैल, 2017 को https://water.usgs.gov/edu/hyhowworks.html से लिया गया
 * स्कोर्पिक, जे। (2017, 1 जनवरी)। लोपटकोवी स्ट्रोज-अंग्रेजी संस्करण। 9 अप्रैल, 2017 को http://www.transformacni-technologie.cz/en_11.html से लिया गया
 * कयाडेलन, एच। (2013)। समुद्री गैस टर्बाइन। 7 वीं अंतर्राष्ट्रीय उन्नत प्रौद्योगिकी संगोष्ठी। 15 अप्रैल, 2017 को पुनःप्राप्त।
 * कयाडेलन, एच। (2013)। समुद्री गैस टर्बाइन। 7 वीं अंतर्राष्ट्रीय उन्नत प्रौद्योगिकी संगोष्ठी। 15 अप्रैल, 2017 को पुनःप्राप्त।

बाहरी कड़ियाँ

 * Hydrodynamics of Pumps
 * Ctrend website to calculate the head of centrifugal compressor online