العنفة

عنفه

Turbine - Turbine

العنفة

العنفة turbine آلة تحول الطاقة الكامنة لجسم التشغيل (بخار ماء أو غاز أو سائل (ماء)) إلى طاقة ميكانيكية (عمل).

لمحة تاريخية

تذكر بعض المراجع أن أول عنفة صُنعت منذ نحو 2000 عام من قبل هيرو Hero من الإسكندرية، كان مبدؤها يعتمد على نفث البخار والاستفادة من رد الفعل الناتج منه. وصنع أفري Avery من سيراقوس بنيويورك وولسون Wilson من غرينوك نحو عام  1837 تصميماً لآلة بالمبدأ نفسه (دواليب بخار متعددة رد الفعل) استخدمت في آلات الغزل، وسُمِّيت آلة أفري، قطرها الدوار خمسة أقدام (n5feet)، وسرعة دورانها 880 قدم بالثانية (n880 feet/sec).

كانت بداية التطور الحقيقي للعنفة في العام 1883عندما سجل المهندس السويدي كارل غوستاف باتريك دي لاڤال Carl Gustaf Patrick de Laval أول براءة اختراع في مجال العنفات، وقام المهندس الإنكليزي تشارلز ألجرنون بارسونز[ر] Charles Algernon Parsons عام 1884 بتصنيع أول عنفة حرارية صناعية، استُعملت هذه الآلة البخارية المكبسية استعمالاً رئيساً في مجالات تشغيل المصانع والسفن حتى عام 1900، وبدئ بعدها باستعمال أوسع للعنفة البخارية.

تطور استخدام محطات توليد الطاقة الكهربائية ذات العنفة البخارية التي تميزت بالاستطاعات العالية وزيادة في قيمة المؤشرات (parameters) الترموديناميكية للبخار (ضغط ودرجة حرارة، …) ما بين الأعوام 1925ـ 1950، ووصلت الاستطاعات حالياً في هذه المحطات لأكثر من مليون كيلووات، وبدئ منذ عام 1960باستخدام العنفة البخارية في المحطات النووية.

تذكر بعض المراجع أن أول براءة اختراع للعنفة الغازية مُنحت للإنكليزي جون باربر John Barber عام 1791، أي قبل أكثر من مئة عام لأول براءة اختراع لنموذج عنفة بخارية استُخدم عملياً من قبل دي ـ لاڤال وبار سونز، وذلك قبل أن يضع كارنو Carnot أُسس العمل في مجال علم الترموديناميك عام 1824.

تأخر تطور العنفة الغازية نحو خمسين سنة عن تطور العنفة البخارية، وظل تصنيع عنفة غازية لفترة طويلة مستحيلاً من الناحية التقانية؛ للافتقار إلى المعرفة الجيدة في مجال ديناميك الموائع التي لم تسمح بتصنيع ضاغط ذي مردود عالٍ، إضافة إلى عدم توافر المعدن ذو المواصفات المناسبة لتحمل درجة حرارة نواتج الاحتراق العالية. استمر ذلك حتى عام 1937 عندما استطاعت شركة بروان بوڤري Brown Boveri السويدية تطبيق هذه الفكرة.

بنية العنفة:

تتكون العنفة من الأجزاء الآتية:

1ـ الجزء الدوار (القرص الدوار) وتثبَّت على محيطه الشفرات (الريش) العاملة، ويدعى صف ريشات متحركة.

2ـ الجزء الثابت (القرص الثابت) أو الغطاء وتثبَّت على محيطه الريشات (الشفرات) الثابتة ويدعى صف ريشات ثابتة.

3ـ المجرى (الفوهة) هو الفراغ بين صفين من الشفرة العاملة والثابتة، وتشكل الأجزاء الثلاثة ما يسمى المرحلة، فإذا كانت العنفة مكونة من صفوف عدة على التسلسل دُعيَت عنفة متعددة المراحل.

أنواع العنفات

1ـ عنفات مائية تحول الطاقة الكامنة للماء إلى طاقة ميكانيكية (عمل ميكانيكي).

2ـ عنفات حرارية تحول الطاقة الحرارية لجسم التشغيل (بخار، ماء، غاز) إلى طاقة كامنة ثم إلى طاقة ميكانيكية (عمل ميكانيكي). وتقسم حسب طبيعة جسم التشغيل إلى: عنفات بخارية وعنفات غازية.

يتحدد مبدأ عمل العنفة عامة بتحويل الطاقة الحرارية لجسم التشغيل الغازي إلى طاقة ميكانيكية (عمل ميكانيكي) مروراً بالطاقة الكامنة (طاقة حرارية، طاقة كامنة، طاقة ميكانيكية) أما إذا كان جسم التشغيل سائلاً؛ فإن الطاقة الكامنة تتحول عندها إلى طاقة ميكانيكية، كما في حالة العنفة المائية، وتتم عملية تحويل الطاقة في العنفة في مراحل عدة: (1) تحول بعض المكونات الطاقة الحرارية إلى طاقة كامنة (وتسمى عناصر التمدد) (2) تحوِّل الشفرات العاملة الطاقة الكامنة إلى طاقة (عمل) ميكانيكية. وتعرف المجالات التي يحصل فيها تمدد جسم التشغيل بالفوهات المتصلة تصميمياً مع الجزء الثابت للعنفة. وتشكل الشفرات المتحركة جزءاً من القرص الدَّوار الذي يقوم بحركة دورانية. (3) مرحلة العنفة، ويتحدد فيها مجال تمدد جسم التشغيل بين صفين من الشفرات العاملة والشفرات الثابتة (ما يعرف بالعنفة وحيدة المرحلة التي نادراً ما تُستخدم). وغالباً ما تُستخدم العنفات متعددة المراحل المتصلة على التسلسل لتحسين المردود للعنفات.

تبنى العنفات أساساً ليكون جريان جسم التشغيل محورياً؛ أي ليكون اتجاه الجريان عبر نظام الشفرات وفق محور العنفة ثم ينحرف على محيط الشفرات (محيطياً)، وفي هذه الحالة لا يحصل جريان باتجاه قطر الشفرة لأن المركبات القطرية لسرعات الجريان صغيرة ويمكن إهمالها.

يبين الشكل (1) مخطط المرحلة لعنفة محورية، وكيفية توضع الشفرات الموجهة a للجريان على محيط الصحن (الثابت) القائد كاملاً. يدعى المجال tk المحدد بين مقطعين متجاورين بقناة الفوهة حيث يمر الجريان عبرها، بينما يحدد المجال tw المسافة بين مقطعين متجاورين من الشفرات العاملة b الموضوعة على محيط الصحن الدوار  كاملاً، (وعموماً tk لا تساوي tw).

يدخل جسم التشغيل ذو المؤشرات (البارامترات) الترموديناميكية العالية (ضغط ودرجة حرارة) بسرعة كبيرة إلى الفوهة في العنفة الحرارية فتنخفض مؤشراته (ضغط، درجة حرارة) نتيجة تمدده، مما يؤدي إلى تدوير الشفرات العاملة بسرعة محيطية مركباتها السرعة النسبية والسرعة المطلقة.

w ـ السرعة النسبية هي سرعة الغاز عند مخرج الفوهة وزاويتها β.

 c ـ السرعة المطلقة هي سرعة الغاز عند مدخل الفوهة وزاويتها a.

 u ـ السرعة المحيطية هي المجموع الشعاعي للسرعتين النسبية والمطلقة. يمكن تمثيل هذا المجموع بشكل مثلث أضلاعه تمثل أشعة السرعات الثلاث السابقة. ويبين الشكل (2) المقطع العرضي لمرحلة العنفة ومثلث السرعات، ولكل من شعاع السرعة النسبية والسرعة المطلقة ثلاث مركبات محيطية ومحورية وقطرية. يكون الجريان ثنائي البعد (جريان باتجاهي محور ومحيط العنفة فقط) عادة في معظم الآلات وقيمة مركبته القطرية مهملة.

تصنيف العنفات

تصنف العنفات وفقاً لما يأتي:

ـ حسب تمدد جسم التشغيل: تكون عنفة فعل أو عنفة رد فعل (ذات مراحل سرعة أو ذات مراحل ضغط أو مركبة سرعة وضغط).

ـ حسب عدد المراحل: وتكون إما وحيدة المرحلة أو متعددة المراحل.

ثمة نظامان أساسيان لعمل مرحلة العنفة:

1ـ نظام عنفة الفعل: يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية في الفوهات، وتساوي قيمة الضغط ما بعد الفوهة قيمته ما بعد القرص الدوار، وعندما يحصل تمدد البخار من دون ضياع حراري (تمدد مثالي) تكون السرعة عند مخرج الشفرات العاملة (السرعة النسبية) مساوية للسرعة عند الدخول إليها (w₁= w₂)، أما إذا حصل التمدد مع ضياعات بسبب الاحتكاك الناتج من اصطدام جزيئات جسم التشغيل بشفرات العنفة؛ فإن السرعتين لاتكونان متساويتين (w₁ > w₂).  ويسمى بالمبدأ الفعال للعنفة عندما تكون قيمة w₂ أصغر بكثير من w₁، ومعامل السرعة للشفرات (ψ تراوح قيمتها بين 0.8 و0.9)، حيث w₁ = ψ. w₁.

وتكون قيمة العمل أعظمية (جول/كغ) حينما تصبح قيمة السرعة عند مخرج الفوهة (c₂) أصغر ما يمكن، ويتحقق ذلك حينما تكون زاوية شعاع سرعة الخروج المطلقة a₂=90، وزاوية شعاع سرعة الدخول المطلقة a₁= 0 التي تكون عندها السرعة المطلقة عند الدخول مساوية ضعف السرعة المحيطية للريشة c₁=2u. وتكون في هذه الحالة الطاقة الحركية للبخار قد استغلت كاملة.

تعطي عملياً aα1 قيمة تراوح بين 14 و20، وتعطي قيماً أقل عند وجود احتكاك، وهذا هو مبدأ عمل عنفة الفعل. يبين الشكل (3) مثلث السرعات في مرحلة عنفة الفعل.

أهم خصائص عمل عنفة الفعل هي:

 أ ـ يتم داخل الفوهات تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة ميكانيكية.

ب ـ السرعة المطلقة لدخول جسم التشغيل إلى الشفرات تطابق سرعة الخروج من الفوهة.

ج ـ لا يحدث تمدد لجسم التشغيل على الشفرات وتبقى سرعته النسبية ثابتة.

2ـ نظام عنفة رد الفعل: يتمدد جسم التشغيل في هذا النظام على مرحلتين، يبدأ التمدد في الفوهة ويتحول جزء من الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية. ويستمر التمدد في أثناء عبوره القرص الدوار وتكون السرعة النسبية عند مخرج الفوهة في هذا النظام أكبر منها عند مدخل الفوهة التي قبلها. يتحقق ذلك بجعل قناة الشفرات العاملة متناقصة المقطع.

يبين الشكل (4) التمدد المثالي (دون ضياعات) لجسم التشغيل في مرحلة الفعل (a) ومرحلة رد الفعل (b).

أخذ التمدد الكلي لجسم التشغيل hs في عنفة رد الفعل ليكون مجموع تمدد المرحلتين (h_w تمدد على الشفرات العاملة وh_k تمدد في الفوهات)، في حين تمَّ التمدد الكلي لجسم التشغيل في عنفة الفعل في الفوهات وحسب (h_s= h_k).

استعمل كلا النظامين مع بداية تطور العنفات البخارية، ولكن عملياً لاتصنع عنفات ذات فعل أو رد فعل بشكل كامل وإنما يتحدد ذلك بقيمة درجة رد الفعل التي تساوي نسبة تمدد جسم التشغيل على الشفرات العاملة على تمدده الكلي p= h_w/h_s.

يبين الشكل (5) عنفة فعل متعددة مراحل السرعة، ويتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة ميكانيكية في الفوهات (عنفة دي ـ لاڤال De Laval). 

ويبين الشكل (6) عنفة رد فعل متعددة مراحل الضغط، يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة ميكانيكية في الفوهات وعلى الشفرات الموجهة والعاملة أيضاً (عنفة بارسونز Parsons).

تمتاز عنفة رد الفعل بالخصائص الآتية:

1ـ يتم تحويل الطاقة الكامنة إلى ميكانيكية في الفوهات والشفرات العاملة.

2ـ ويكون فرق الضغط على طرفي القرص باتجاه محور العنفة.

3ـ السرعة المطلقة لجسم التشغيل عند الدخول للعنفة أكبر منها عند الخروج c₁ > c₂.

4ـ السرعة النسبية لجسم التشغيل عند الدخول للعنفة أصغر منها عند الخروج w₂ > w₁.

تطبيقات العنفات

تُستخدم العنفات أساساً في محطات توليد الطاقة الكهربائية (بخارية، غازية، نووية، مائية) إذ تعد العنفة بنوعيها العنصر الأساسي في المحطة، وتعد العنفات البخارية الأكثر استخداماً في هذا المجال أو في محطات الأنظمة المركبة الخاصة بتوليد الطاقة الكهربائية والحرارية لأغراض التدفئة في آن معا، إضافة إلى استخدامها كآلة رئيسية أو مساعدة مع محرك احتراق داخلي (ديزل) لتشغيل البواخر. أما العنفات الغازية فتستخدم في مجال الطيران كمحركات نفاثة وللنقل إضافة لاستخدامها في محطات التوليد.

يبين الشكل (7) المخطط الحراري المبسط لمحطة توليد طاقة كهربائية ذات عنفة بخارية مبيناً عليه العناصر التي تتكون منها المحطة. مصدر الطاقة في هذه المحطات إما الفيول أو الغاز أو الوقود الصلب أو الوقود النووي. يذهب البخار المتولد في المرجل ذي المؤشرات الترموديناميكية (البارامترات) العالية (ضغط ،درجة حرارة) إلى العنفة البخارية حيث يتمدد وتتحول الطاقة الحرارية إلى ميكانيكية تدير العنفة التي تدير المنوبة، ثم يدخل البخار بعد خروجه من العنفة إلى المكثف ليتكاثف ويعود إلى المرجل (دورة مغلقة) عبر مجموعة مسخنات (مبادلات حرارية استرجاعية) تقوم بتسخين الماء قبل دخوله المرجل بوساطة مضخة التغذية.

الشكل (6) عنفة رد فعل

الشكل (7) المخطط المبسط لمحطة ذات عنفة بخارية K- مولد بخار (مرجل)، s- مكثف، p- مضخة مياه التغذية

يبين الشكل (8) المخطط الحراري لمحطة توليد طاقة كهربائية نووية .مصدر الطاقة في هذه المحطات من المفاعل النووي، وفي هذه المحطات دورة مغلقة للماء الذي يمر عبر المفاعل ليكتسب كمية الحرارة اللازمة لتبخر الماء في المولد، والدورة الثانية مغلقة أيضاً لبخار الماء الذي نحصل عليه من المولد، ويذهب إلى العنفة ويغلق دورته كما في الشكل 8.

يبين الشكل (9) المخطط الحراري لمحطة توليد طاقة كهربائية ذات عنفة غازية. مصدر الطاقة هو احتراق مزيج الهواء المضغوط والوقود. تمر نواتج الاحتراق ذات المؤشرات (البارامترات) الترموديناميكية العالية عبر العنفة الغازية فتتمدد وتتحول الطاقة الحرارية إلى ميكانيكية، ثم تطرد الغازات إلى الوسط المحيط أو يستفاد منها في تسخين الهواء.

عيسى مراد

- LESLIE FIELDING,Turbine Design: The Effect on Axial Flow Turbine Performance of Parameter Variation (American Society of Mechanical Engineers 2000).

- HEINZ P. BLOCH, A Practical Guide to Steam Turbine Technology (McGraw-Hill Professional; 1 edition 1995).

التصنيف : الهندسة

المجلد: المجلد الثالث عشر

رقم الصفحة ضمن المجلد : 594

آخر أخبار الهيئة :

معجم المصطلحات

الأطلس الجغرافي

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية