Turbine ya Gesi dhidi ya Steam Turbine
Turbines ni aina ya mashine za turbo zinazotumiwa kubadilisha nishati katika kioevu kinachotiririka hadi nishati ya kimakenika kwa kutumia mitambo ya rota. Turbines, kwa ujumla, hubadilisha nishati ya joto au kinetic ya giligili kuwa kazi. Mitambo ya gesi na mitambo ya mvuke ni mitambo ya turbo ya joto, ambapo kazi huzalishwa kutokana na mabadiliko ya enthalpy ya maji ya kazi; yaani, nishati inayoweza kutokea ya maji katika mfumo wa shinikizo hubadilishwa kuwa nishati ya mitambo.
Kulingana na uelekeo wa mitambo ya mtiririko wa kiowevu imeainishwa katika turbine za mtiririko wa axial na turbine za mtiririko wa radial. Kitaalam turbine ni expander, ambayo hutoa pato la kazi ya mitambo kwa kupungua kwa shinikizo, ambayo ni kinyume cha uendeshaji wa compressor. Makala haya yanaangazia aina ya turbine ya mtiririko wa axial, ambayo hupatikana zaidi katika programu nyingi za uhandisi.
Muundo msingi wa turbine ya mtiririko wa axial umeundwa ili kuruhusu mtiririko unaoendelea wa maji wakati wa kutoa nishati. Katika turbines za joto, maji ya kazi, kwa joto la juu na shinikizo huelekezwa kwa njia ya mfululizo wa rotors yenye blade za angled zilizowekwa kwenye diski inayozunguka iliyounganishwa na shimoni. Katikati ya kila diski za rota vile vile vile vilivyowekwa huwekwa, ambavyo hufanya kama nozzles na miongozo ya mtiririko wa maji.
Mengi zaidi kuhusu Steam Turbine
Ingawa dhana ya kutumia stima kufanya kazi ya mitambo ilitumika kwa muda mrefu, turbine ya kisasa ya stima iliundwa na mhandisi Mwingereza Sir Charles Parsons mnamo 1884.
Turbine ya stima hutumia mvuke iliyoshinikizwa kutoka kwenye kiboli kama giligili ya kufanya kazi. Mvuke yenye joto kali inayoingia kwenye turbine hupoteza shinikizo lake (enthalpy) ikisonga kupitia vile vya rotors, na rotors huhamisha shimoni ambalo wameunganishwa. Mitambo ya mvuke hutoa nguvu kwa kasi laini, isiyobadilika, na ufanisi wa joto wa turbine ya mvuke ni wa juu kuliko ule wa injini inayojirudia. Uendeshaji wa turbine ya stima ni bora zaidi katika hali za juu za RPM.
Kwa hakika, turbine ni sehemu moja tu ya operesheni ya mzunguko inayotumiwa kwa ajili ya uzalishaji wa nishati, ambayo inaigwa vyema na mzunguko wa Rankine. Vichemshi, vibadilisha joto, pampu na vikondomushi pia ni vipengee vya operesheni lakini si sehemu za turbine.
Katika siku za kisasa, matumizi ya msingi ya mitambo ya stima ni kwa ajili ya uzalishaji wa nguvu za umeme, lakini mwanzoni mwa karne ya 20 mitambo ya mvuke ilitumika kama mtambo wa kuzalisha umeme kwa meli na injini za treni. Isipokuwa, katika baadhi ya mifumo ya uendeshaji wa baharini ambapo injini za dizeli hazifanyiki, kama vile wabebaji wa ndege na nyambizi, injini za mvuke bado zinatumika.
Mengi zaidi kuhusu Gas Turbine
Injini ya turbine ya gesi au turbine ya gesi ni injini ya mwako ya ndani, inayotumia gesi kama vile hewa kama kiowevu kinachofanya kazi. Kipengele cha thermodynamic cha utendakazi wa turbine ya gesi kinaigwa vyema na mzunguko wa Brayton.
Injini ya turbine ya gesi, tofauti na turbine ya stima, ina vipengele kadhaa muhimu; hizo ni compressor, chumba cha mwako, na turbine, ambazo zimekusanywa kando ya shimoni inayozunguka, ili kufanya kazi tofauti za injini ya ndani ya mwako. Uingizaji wa gesi kutoka kwa inlet ni kwanza kukandamizwa kwa kutumia compressor axial; ambayo hufanya kinyume kabisa cha turbine rahisi. Gesi iliyoshinikizwa basi huelekezwa kupitia hatua ya kisambazaji (pua inayotofautiana), ambayo gesi hupoteza kasi yake, lakini huongeza halijoto na shinikizo zaidi.
Katika hatua inayofuata, gesi huingia kwenye chumba cha mwako ambapo mafuta huchanganywa na gesi na kuwashwa. Kama matokeo ya mwako, joto na shinikizo la gesi hupanda hadi kiwango cha juu sana. Gesi hii kisha hupitia sehemu ya turbine, na inapopitia hutoa mwendo wa mzunguko kwenye shimoni. Turbine ya ukubwa wa wastani hutoa viwango vya mzunguko wa shimoni hadi 10, 000 RPM, wakati turbine ndogo zinaweza kutoa mara 5 zaidi.
Mitambo ya gesi inaweza kutumika kuzalisha torque (kwa shimoni inayozunguka), msukumo (kwa moshi wa gesi ya kasi), au zote mbili kwa pamoja. Katika kesi ya kwanza, kama katika turbine ya mvuke, kazi ya mitambo iliyotolewa na shimoni ni mabadiliko tu ya enthalpy (shinikizo) ya joto la juu na gesi ya shinikizo. Sehemu ya kazi ya shimoni hutumiwa kuendesha compressor kupitia utaratibu wa ndani. Aina hii ya turbine ya gesi hutumiwa hasa kwa uzalishaji wa nguvu za umeme na kama mitambo ya nguvu kwa magari kama vile mizinga na hata magari. Tangi la Marekani la M1 Abrams linatumia injini ya turbine ya gesi kama mtambo wa kuzalisha umeme.
Katika hali ya pili, gesi ya shinikizo la juu huelekezwa kupitia pua inayounganika ili kuongeza kasi, na msukumo hutolewa na gesi ya kutolea nje. Aina hii ya turbine ya gesi mara nyingi huitwa injini ya Jet au injini ya turbojet, ambayo huipa nguvu ndege ya kivita ya kijeshi. Turbofan ni lahaja ya hali ya juu zaidi ya hapo juu, na mchanganyiko wa msukumo na uzalishaji wa kazi hutumika katika injini za turboprop, ambapo kazi ya shimoni hutumiwa kuendesha propela.
Kuna anuwai nyingi za mitambo ya gesi iliyoundwa kwa kazi mahususi. Zinapendekezwa zaidi kuliko injini zingine (hasa injini zinazojirudia) kutokana na uwiano wao wa juu wa nguvu kwa uzito, mtetemo mdogo, kasi ya juu ya kufanya kazi na kutegemewa. Joto la taka hutupwa karibu kabisa kama moshi wa kutolea nje. Katika uzalishaji wa nishati ya umeme, nishati hii ya mafuta ya taka hutumiwa kuchemsha maji ili kuendesha turbine ya mvuke. Mchakato huo unajulikana kama uzalishaji wa umeme wa mzunguko wa pamoja.
Kuna tofauti gani kati ya Steam Turbine na Gas Turbine?
• Turbine ya mvuke hutumia mvuke wa shinikizo la juu kama giligili inayofanya kazi, huku turbine ya gesi ikitumia hewa au gesi nyingine kama giligili inayofanya kazi.
• Turbine ya mvuke kimsingi ni kipanuzi kinachotoa torati kama pato la kazi, wakati turbine ya gesi ni kifaa cha pamoja cha compressor, chemba ya mwako, na turbine inayotekeleza operesheni ya mzunguko ili kutoa kazi kama torati au msukumo.
• Turbine ya mvuke ni sehemu inayotekeleza hatua moja tu ya mzunguko wa Rankine, huku injini ya turbine ya gesi ikitekeleza mzunguko mzima wa Brayton.
• Mitambo ya gesi inaweza kutoa torati au msukumo kama pato la kazi, huku mitambo ya stima karibu kila wakati inatoa torati kama pato la kazi.
• Ufanisi wa mitambo ya gesi ni ya juu zaidi kuliko turbine ya stima kutokana na halijoto ya juu ya uendeshaji wa mitambo ya gesi. (Mitambo ya gesi ~1500 0C na mitambo ya mvuke ~550 0C)
• Nafasi inayohitajika kwa mitambo ya gesi ni ndogo sana kuliko uendeshaji wa turbine ya mvuke, kwa sababu turbine ya mvuke inahitaji boilers na vibadilisha joto, ambavyo vinapaswa kuunganishwa nje kwa kuongeza joto.
• Mitambo ya gesi hubadilikabadilika zaidi, kwa sababu mafuta mengi yanaweza kutumika na kiowevu cha kufanya kazi, ambacho kinapaswa kulishwa kila mara, kinapatikana kila mahali (hewa). Mitambo ya mvuke, kwa upande mwingine, huhitaji kiasi kikubwa cha maji kwa ajili ya operesheni na huwa na kusababisha matatizo katika halijoto ya chini kutokana na barafu.
