टर्बाइन: Difference between revisions

[[File:Dampfturbine Montage01.jpg|thumb|upright=1.3|केस के साथ एक स्टीम टर्बाइन खोला गया।]]एक टर्बाइन ({{IPAc-en|'|t|ɜːr|b|aɪ|n}} या {{IPAc-en|'|t|ɜːr|b|ɪ|n}}) (ग्रीक से {{lang|grc|τύρβη}}, tyrbē, या लैटिन टर्बो, जिसका अर्थ भंवर है)<ref>{{cite web|title=टर्बाइन|url=http://www.etymonline.com/index.php?allowed_in_frame=0&search=टर्बाइन&searchmode=none}}{{cite dictionary|title=turbid|url=http://www.etymonline.com/index.php?term=turbid&allowed_in_frame=0|dictionary=[[Online Etymology Dictionary]]}}</ref><ref>{{LSJ|tu/rbh|τύρβη|ref}}.</ref> एक रोटरी यांत्रिक उपकरण है जो द्रव प्रवाह से ऊर्जा निकालता है और इसे उपयोगी कार्य (भौतिकी) में परिवर्तित करता है। एक विद्युत जनरेटर के साथ संयुक्त होने पर टरबाइन द्वारा उत्पादित कार्य का उपयोग विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है।<ref name = "Munson">Munson, Bruce Roy, T. H. Okiishi, and Wade W. Huebsch. "Turbomachines." Fundamentals of Fluid Mechanics. 6th ed. Hoboken, NJ: J. Wiley & Sons, 2009. Print.</ref> एक टर्बाइन एक टर्बोमशीनरी है जिसमें कम से कम एक चलने वाला हिस्सा होता है जिसे रोटर असेंबली कहा जाता है, जो एक शाफ्ट या ड्रम होता है जिसमें टर्बाइन ब्लेड जुड़ा होता है। मूविंग फ्लुइड ब्लेड्स पर कार्य करता है जिससे वे चलते हैं और रोटर को घूर्णी ऊर्जा प्रदान करते हैं। प्रारंभिक टर्बाइन उदाहरण पवन चक्कियाँ और जलचक्र हैं।

गैस टर्बाइन, भाप टर्बाइन, और पानी टर्बाइन टर्बाइनों में ब्लेड के चारों ओर एक आवरण होता है जिसमें कार्यशील द्रव होता है और नियंत्रित करता है। भाप टरबाइन के आविष्कार का श्रेय प्रतिक्रिया टरबाइन के आविष्कार के लिए एंग्लो-आयरिश इंजीनियर चार्ल्स अल्गर्नन पार्सन्स (1854-1931) और आवेग टरबाइन के आविष्कार के लिए स्वीडिश इंजीनियर गुस्ताफ डे लावल (1845-1913) दोनों को दिया जाता है। आधुनिक भाप टर्बाइन अक्सर एक ही इकाई में प्रतिक्रिया और आवेग दोनों को नियोजित करते हैं, आमतौर पर ब्लेड रूट से इसकी परिधि तक प्रतिक्रिया और आवेग की डिग्री भिन्न होती है। अलेक्जेंड्रिया के हीरो ने पहली शताब्दी ईस्वी में एक एओलिपाइल में टरबाइन सिद्धांत का प्रदर्शन किया और विटरुवियस ने 70 ईसा पूर्व के आसपास उनका उल्लेख किया।

टर्बाइन शब्द 1822 में ग्रीक से फ्रांसीसी खनन इंजीनियर क्लाउड बर्डिन द्वारा गढ़ा गया था {{lang|grc|τύρβη}}, tyrbē, जिसका अर्थ भंवर या भंवर है, एक मेमो में, डेस टर्बाइन हाइड्रॉलिक ओउ मशीन रोटेटोअर्स ए ग्रांडे विटेसे, जिसे उन्होंने फ्रेंच एकेडमी ऑफ साइंसेज में जमा किया। पेरिस में एकेडमी ऑफ साइंसेज।<ref>In 1822, Claude Burdin submitted his memo "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse" (Hydraulic turbines or high-speed rotary machines) to the Académie royale des sciences in Paris.  (See:  ''Annales de chimie et de physique'', vol. 21, [https://books.google.com/books?id=rzNCAAAAcAAJ&pg=PA183#v=onepage&q&f=false page 183] (1822).)  However, it was not until 1824 that a committee of the Académie (composed of Prony, Dupin, and Girard) reported favorably on Burdin's memo.  See: Prony and Girard (1824) [https://books.google.com/books?id=03BRAAAAYAAJ&pg=RA1-PA207#v=onepage&q&f=false "Rapport sur le mémoire de M. Burdin intitulé: Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse"] (Report on the memo of Mr. Burdin titled:  Hydraulic turbines or high-speed rotary machines), ''Annales de chimie et de physique'', vol. 26, pages 207-217.</ref> क्लाउड बर्डिन के पूर्व छात्र बेनोइट फोरनेरॉन ने पहली व्यावहारिक जल टरबाइन का निर्माण किया।

[[File:WWS Pneumaticlamp.ogg|thumb|1940 के दशक के जर्मन-विंटेज सेफ्टी लैंप में इस्तेमाल होने वाले छोटे न्यूमेटिक टर्बाइन की गुनगुनाहट]]

== {{anchor|Theory of operation}} संचालन सिद्धांत ==

[[File:Turbines impulse v reaction.svg|thumb|upright=1.5|आवेग और प्रतिक्रिया टर्बाइनों की योजनाबद्ध, जहां रोटर घूर्णन वाला हिस्सा है, और स्टेटर मशीन का स्थिर हिस्सा है।]]एक कार्यशील तरल पदार्थ में संभावित ऊर्जा (दबाव सिर (हाइड्रोलिक)) और गतिज ऊर्जा (वेग सिर) होती है। द्रव संपीड्यता या असंपीड्य द्रव हो सकता है। इस ऊर्जा को एकत्रित करने के लिए टर्बाइनों द्वारा कई भौतिक सिद्धांत नियोजित किए जाते हैं:

आवेग (भौतिकी) टर्बाइन एक उच्च वेग द्रव या गैस जेट के प्रवाह की दिशा बदलते हैं। परिणामी आवेग टर्बाइन को घुमाता है और द्रव प्रवाह को कम गतिज ऊर्जा के साथ छोड़ देता है। टर्बाइन ब्लेड्स (चलती ब्लेड्स) में द्रव या गैस का कोई दबाव परिवर्तन नहीं होता है, जैसा कि भाप या गैस टरबाइन के मामले में होता है, सभी प्रेशर ड्रॉप स्थिर ब्लेड्स (नोज़ल) में होते हैं। टर्बाइन तक पहुंचने से पहले, द्रव के दबाव शीर्ष को एक नोजल के साथ तरल पदार्थ को गति देकर वेग सिर में बदल दिया जाता है। पेल्टन व्हील और स्टीम टर्बाइन विशेष रूप से इस प्रक्रिया का उपयोग करते हैं। इंपल्स टर्बाइन को रोटर के चारों ओर दबाव केसमेंट की आवश्यकता नहीं होती है क्योंकि रोटर पर ब्लेड तक पहुंचने से पहले नोजल द्वारा द्रव जेट बनाया जाता है। न्यूटन के गति के नियम#न्यूटन का दूसरा नियम|न्यूटन का दूसरा नियम आवेग टर्बाइनों के लिए ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। आवेग टर्बाइन उन मामलों में उपयोग के लिए सबसे कुशल होते हैं जहां प्रवाह कम होता है और इनलेट दबाव अधिक होता है। <ref name = "Munson"/>

प्रतिक्रिया (भौतिकी) टर्बाइन गैस या द्रव दबाव या द्रव्यमान पर प्रतिक्रिया करके टोक़ विकसित करते हैं। टरबाइन रोटर ब्लेड से गुजरते ही गैस या द्रव का दबाव बदल जाता है।<ref name = "Munson"/>काम कर रहे तरल पदार्थ को शामिल करने के लिए एक दबाव आवरण की आवश्यकता होती है क्योंकि यह टर्बाइन चरण (ओं) पर कार्य करता है या टर्बाइन पूरी तरह से द्रव प्रवाह (जैसे पवन टर्बाइनों) में डूबा हुआ होना चाहिए। आवरण में कार्यशील तरल पदार्थ होता है और उसे निर्देशित करता है और पानी के टर्बाइनों के लिए, ड्राफ्ट ट्यूब द्वारा प्रदान किए गए सक्शन को बनाए रखता है। फ्रांसिस टर्बाइन और अधिकांश भाप टर्बाइन इस अवधारणा का उपयोग करते हैं। 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। न्यूटन के गति के नियम#न्यूटन का तीसरा नियम|न्यूटन का तीसरा नियम प्रतिक्रिया टर्बाइनों के लिए ऊर्जा के हस्तांतरण का वर्णन करता है। रिएक्शन टर्बाइन उच्च प्रवाह वेग या अनुप्रयोगों के लिए बेहतर अनुकूल हैं जहां द्रव सिर (अपस्ट्रीम दबाव) कम है। <ref name = "Munson"/>

स्टीम टर्बाइन के मामले में, जैसे कि समुद्री अनुप्रयोगों के लिए या भूमि-आधारित बिजली उत्पादन के लिए उपयोग किया जाएगा, एक पार्सन्स-प्रकार की प्रतिक्रिया टरबाइन को डे लावल-प्रकार के आवेग टरबाइन के रूप में लगभग दोगुनी ब्लेड पंक्तियों की आवश्यकता होगी, उसी के लिए थर्मल ऊर्जा रूपांतरण की डिग्री। जबकि यह पार्सन्स टर्बाइन को अधिक लंबा और भारी बनाता है, प्रतिक्रिया टरबाइन की समग्र दक्षता समान तापीय ऊर्जा रूपांतरण के लिए समकक्ष आवेग टर्बाइन से थोड़ी अधिक होती है।

व्यवहार में, आधुनिक टर्बाइन डिज़ाइन प्रतिक्रिया और आवेग दोनों अवधारणाओं का उपयोग जब भी संभव हो अलग-अलग डिग्री तक करते हैं। पवन टर्बाइन चलती तरल पदार्थ से प्रतिक्रिया लिफ्ट (बल) उत्पन्न करने के लिए एक एयरफॉइल का उपयोग करते हैं और इसे रोटर को प्रदान करते हैं। पवन टर्बाइन भी हवा के आवेग से इसे एक कोण पर विक्षेपित करके कुछ ऊर्जा प्राप्त करते हैं। कई चरणों वाले टर्बाइन उच्च दबाव पर या तो प्रतिक्रिया या आवेग ब्लेडिंग का उपयोग कर सकते हैं। भाप टर्बाइन परंपरागत रूप से अधिक आवेगी थे लेकिन गैस टर्बाइनों में उपयोग किए जाने वाले समान प्रतिक्रिया डिजाइनों की ओर बढ़ना जारी रखते हैं। कम दबाव पर ऑपरेटिंग द्रव माध्यम दबाव में छोटी कमी के लिए आयतन में फैलता है। इन शर्तों के तहत, ब्लेडिंग सख्ती से एक प्रतिक्रिया प्रकार का डिज़ाइन बन जाता है, जिसमें ब्लेड का आधार पूरी तरह से आवेग होता है। इसका कारण प्रत्येक ब्लेड की घूर्णन गति के प्रभाव के कारण है। जैसे-जैसे आयतन बढ़ता है, ब्लेड की ऊँचाई बढ़ती है, और ब्लेड का आधार टिप के सापेक्ष धीमी गति से घूमता है। गति में यह परिवर्तन एक डिजाइनर को आधार पर आवेग से उच्च प्रतिक्रिया-शैली टिप में बदलने के लिए मजबूर करता है।

19वीं शताब्दी के मध्य में शास्त्रीय टरबाइन डिजाइन विधियों का विकास किया गया था। वेक्टर विश्लेषण टर्बाइन आकार और रोटेशन के साथ द्रव प्रवाह से संबंधित है। पहले चित्रमय गणना विधियों का उपयोग किया जाता था। टर्बाइन भागों के बुनियादी आयामों के सूत्र अच्छी तरह से प्रलेखित हैं और किसी भी द्रव प्रवाह कंडीशनिंग के लिए एक अत्यधिक कुशल मशीन को मज़बूती से डिज़ाइन किया जा सकता है। कुछ गणना अनुभवजन्य या 'अंगूठे के नियम' सूत्र हैं, और अन्य शास्त्रीय यांत्रिकी पर आधारित हैं। अधिकांश इंजीनियरिंग गणनाओं के साथ, सरलीकरण की धारणाएँ बनाई गई थीं।

[[File:Turbine inlet guide vanes of Atar turbojet.jpg|thumb|टर्बोजेट के टर्बाइन इनलेट गाइड वेन्स]]टर्बाइन चरण के मूल प्रदर्शन की गणना के लिए वेग त्रिकोण का उपयोग किया जा सकता है। गैस स्थिर टर्बाइन नोजल गाइड वैन से पूर्ण वेग V पर बाहर निकलती है_a1. रोटर वेग U पर घूमता है। रोटर के सापेक्ष, रोटर के प्रवेश द्वार पर टकराने पर गैस का वेग V होता है_r1. गैस रोटर द्वारा घुमाई जाती है और रोटर के सापेक्ष वेग वी पर बाहर निकलती है_r2. हालाँकि, निरपेक्ष रूप से रोटर का निकास वेग V है_a2. इन विभिन्न वेग वैक्टरों का उपयोग करके वेग त्रिकोणों का निर्माण किया जाता है। ब्लेडिंग के माध्यम से किसी भी खंड में वेग त्रिकोण का निर्माण किया जा सकता है (उदाहरण के लिए: हब, टिप, मिडसेक्शन और इसी तरह) लेकिन आमतौर पर औसत चरण त्रिज्या में दिखाया जाता है। यूलर समीकरण का उपयोग करते हुए, इस त्रिज्या पर वेग त्रिकोण से मंच के लिए औसत प्रदर्शन की गणना की जा सकती है:

:<math>\Delta h</math> चरण भर में विशिष्ट एन्थैल्पी ड्रॉप है

:<math>T</math> टर्बाइन प्रविष्टि कुल (या ठहराव) तापमान है

:<math>\Delta v_w</math> भंवर वेग में परिवर्तन है

टर्बाइन दाब अनुपात का एक कार्य है <math>\frac{\Delta h}{T}</math> और टरबाइन दक्षता।

आधुनिक टर्बाइन डिजाइन गणनाओं को आगे बढ़ाता है। कम्प्यूटेशनल फ्लुइड डायनेमिक्स शास्त्रीय सूत्रों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली कई सरल धारणाओं के साथ वितरण करता है और कंप्यूटर सॉफ्टवेयर अनुकूलन की सुविधा देता है। इन उपकरणों ने पिछले चालीस वर्षों में टरबाइन डिजाइन में लगातार सुधार किया है।

टर्बाइन का प्राथमिक संख्यात्मक वर्गीकरण इसकी विशिष्ट गति है। यह संख्या शक्ति और प्रवाह दर के संबंध में टर्बाइन की अधिकतम दक्षता पर गति का वर्णन करती है। विशिष्ट गति टरबाइन आकार से स्वतंत्र होने के लिए ली गई है। द्रव प्रवाह की स्थिति और वांछित शाफ्ट आउटपुट गति को देखते हुए, विशिष्ट गति की गणना की जा सकती है और एक उपयुक्त टरबाइन डिजाइन का चयन किया जा सकता है।

विशिष्ट गति, कुछ मौलिक सूत्रों के साथ, ज्ञात प्रदर्शन के मौजूदा डिजाइन को संबंधित प्रदर्शन के साथ एक नए आकार में विश्वसनीय रूप से स्केल करने के लिए उपयोग किया जा सकता है।

ऑफ-डिज़ाइन प्रदर्शन सामान्य रूप से टर्बाइन मानचित्र या विशेषता के रूप में प्रदर्शित किया जाता है।

हार्मोनिक्स को कम करने और ब्लेड-पासिंग आवृत्ति को अधिकतम करने के लिए रोटर में ब्लेड की संख्या और स्टेटर में वैन की संख्या अक्सर दो अलग-अलग प्रमुख संख्याएं होती हैं।<ref>

* भाप टर्बाइनों का उपयोग थर्मल पावर प्लांटों में विद्युत जनरेटर चलाने के लिए किया जाता है जो कोयले, ईंधन तेल या परमाणु ईंधन का उपयोग करते हैं। वे एक बार जहाजों के प्रोपेलर जैसे यांत्रिक उपकरणों को सीधे चलाने के लिए उपयोग किए जाते थे (उदाहरण के लिए टर्बिनिया, पहला टर्बाइन-संचालित स्टीम लॉन्च<ref>{{cite web|title=टर्बिनिया|url=http://files.asme.org/ASMEORG/Communities/History/Landmarks/5652.pdf|work=(ASME-sponsored booklet to mark the designation of टर्बिनिया as an international engineering landmark)|publisher=Tyne And Wear County Council Museums|access-date=13 April 2011|author=Adrian Osler|archive-url=https://web.archive.org/web/20110928063911/http://files.asme.org/ASMEORG/Communities/History/Landmarks/5652.pdf|archive-date=28 September 2011|date=October 1981|url-status=dead}}</ref>), लेकिन ऐसे अधिकांश एप्लिकेशन अब रिडक्शन गियर्स या एक मध्यवर्ती विद्युत चरण का उपयोग करते हैं, जहां टरबाइन का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, जो तब यांत्रिक भार से जुड़ी एक इलेक्ट्रिक मोटर को शक्ति प्रदान करता है। द्वितीय विश्व युद्ध के तुरंत पहले और उसके दौरान टर्बो इलेक्ट्रिक शिप मशीनरी विशेष रूप से लोकप्रिय थी, मुख्य रूप से यूएस और यूके के शिपयार्ड में पर्याप्त गियर-कटिंग सुविधाओं की कमी के कारण।

* पिस्टन इंजन के बीच अंतर करने के लिए विमान गैस टरबाइन इंजन को कभी-कभी टर्बाइन इंजन कहा जाता है।

* ट्रांसोनिक टर्बाइन। गैस टर्बाइन इंजनों में नियोजित अधिकांश टर्बाइनों में गैस का प्रवाह विस्तार प्रक्रिया के दौरान सबसोनिक रहता है। एक ट्रांसोनिक टर्बाइन में गैस का प्रवाह सुपरसोनिक हो जाता है क्योंकि यह नोजल गाइड वेन्स से बाहर निकलता है, हालांकि डाउनस्ट्रीम वेग सामान्य रूप से सबसोनिक हो जाते हैं। ट्रांसोनिक टर्बाइन सामान्य से अधिक दबाव अनुपात पर काम करते हैं लेकिन आमतौर पर कम कुशल और असामान्य होते हैं।

* कॉन्ट्रा-रोटेटिंग टर्बाइन। अक्षीय टर्बाइनों के साथ, कुछ दक्षता लाभ प्राप्त किया जा सकता है यदि डाउनस्ट्रीम टर्बाइन अपस्ट्रीम यूनिट के विपरीत दिशा में घूमता है। हालाँकि, जटिलता प्रति-उत्पादक हो सकती है। एक कॉन्ट्रा-रोटेटिंग स्टीम टर्बाइन, जिसे आमतौर पर लजुंगस्ट्रॉम टर्बाइन के रूप में जाना जाता है, मूल रूप से स्टॉकहोम में स्वीडिश इंजीनियर फ्रेड्रिक लजुंगस्ट्रॉम (1875-1964) द्वारा आविष्कार किया गया था, और अपने भाई बिर्गर लजुंगस्ट्रॉम के साथ साझेदारी में उन्होंने 1894 में एक पेटेंट प्राप्त किया था। डिजाइन अनिवार्य रूप से एक है। मल्टी-स्टेज रेडियल टर्बाइन (या 'नेस्टेड' टर्बाइन रोटर्स की जोड़ी) महान दक्षता की पेशकश करते हुए, प्रतिक्रिया (पार्सन्स) टर्बाइन में प्रति चरण बड़ी गर्मी की गिरावट के रूप में चार गुना, अत्यंत कॉम्पैक्ट डिजाइन और बैक प्रेशर पावर प्लांट्स में टाइप को विशेष सफलता मिली। . हालांकि, अन्य डिजाइनों के विपरीत, बड़ी भाप की मात्रा को कठिनाई से नियंत्रित किया जाता है और केवल अक्षीय प्रवाह टर्बाइन (DUREX) के साथ एक संयोजन टर्बाइन को सीए 50 मेगावाट से अधिक बिजली के लिए बनाया जाना स्वीकार करता है। 1917-19 के दौरान समुद्री अनुप्रयोगों में केवल लगभग 50 टर्बो-इलेक्ट्रिक इकाइयों का आदेश दिया गया था (जिनमें से काफी मात्रा में भूमि संयंत्रों को बेचा गया था), और 1920-22 के दौरान कुछ टर्बो-मैकेनिक बहुत सफल इकाइयां नहीं बेची गईं।<ref>Ingvar Jung, 1979, The history of the marine turbine, part 1, Royal Institute of Technology, Stockholm, dep of History of technology</ref> 1960 के दशक के अंत (ss Ragne, ss Regin) में केवल कुछ टर्बो-इलेक्ट्रिक समुद्री संयंत्र अभी भी उपयोग में थे, जबकि अधिकांश भूमि संयंत्र 2010 में उपयोग में थे।