अक्षीय टर्बाइन

एक 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 तनाव (और गर्म काम करने वाले तरल पदार्थ की स्थिति में कम ऊष्मीय तनाव) है जो अक्षीय टर्बाइनों की तुलना में एक त्रिज्यीय टरबाइन को सरल, अधिक मजबूत और अधिक कुशल (समान शक्ति श्रेणि में) सक्षम 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।

त्रिज्यीय टर्बाइन

लाभ और चुनौतियां

एक 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 मशीनें 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। 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

• 

  नब्बे डिग्री आवक-प्रवाह रेडियल टर्बाइन चरण

• 

  कैंटिलीवर ब्लेड के साथ एक आवक-प्रवाह रेडियल (IFR) टरबाइन चरण के लिए वेग त्रिकोण

पूर्ण वेग C₂ के त्रिज्यीय और स्पर्शरेखा घटक क्रमशः C_r2 और C_{q2 हैं।} प्रवाह के सापेक्ष वेग और घूर्णक की परिधीय गति क्रमशः w_{2 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

चंचु प्रविष्टि 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।

Enthalpy-entropy diagram for flow through an IFR turbine stage

टोंटी वेग

एक संदर्भ वेग (C₀) समकेंद्रिक वेग के रूप में जाना जाता है, टोंटी 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।

${\begin{aligned}\eta _{\text{ts}}&={\frac {h_{01}-h_{03}}{h_{01}-h_{3ss}}}={\frac {\psi \,u_{2}^{2}}{C_{p}\,T_{01}\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}\end{aligned}}$

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 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 C_θ2 बढ़ता है, चरण प्रतिक्रिया घटता जाता है क्योंकि इसके परिणामस्वरूप चरण तापीय धारिता गिरावट का एक बड़ा अंश चंचु वक्र में घटित होता है।

Variation of the degree of reaction with flow coefficient and air angle at rotor entry

स्टेज लॉस

चरण में वायुगतिकीय हानियों के कारण चरण कार्य आइसेंट्रोपिक चरण एन्थैल्पी ड्रॉप से ​​कम है। टर्बाइन शाफ्ट पर वास्तविक आउटपुट घूर्णक डिस्क और बेयरिंग घर्षण के कारण हुए नुकसान को घटाकर स्टेज वर्क के बराबर है।

1. Skin friction and separation losses in the scroll and nozzle ring

   They depend on the geometry and the coefficient of skin friction of these components.

2. Skin friction and separation losses in the rotor blade channels
   These losses are also governed by the channel geometry, coefficient of skin friction and the ratio of the relative velocities w₃/w₂. In the ninety degree IFR turbine stage, the losses occurring in the radial and axial sections of the rotor are sometimes separately considered.
3. Skin friction and separation losses in the diffuser
   These are mainly governed by the geometry of the diffuser and the rate of diffusion.
4. Secondary losses
   These are due to circulatory flows developing into the various flow passages and are principally governed by the aerodynamic loading of the blades. The main parameters governing these losses are b₂/d₂, d₃/d₂ and hub-tip ratio at the rotor exit.
5. Shock or incidence losses
   At off-design operation, there are additional losses in the nozzle and rotor blade rings on account of incidence at the leading edges of the blades. This loss is conventionally referred to as shock loss though it has nothing to do with the shock waves.
6. Tip clearance loss
   This is due to the flow over the rotor blade tips which does not contribute to the energy transfer.

Losses in the rotor of an IFR turbine stage

ब्लेड से गैस की गति अनुपात

ब्लेड-से-गैस गति अनुपात को आइसेंट्रोपिक चरण टर्मिनल वेग सी के रूप में व्यक्त किया जा सकता है₀.

$\,\sigma _{s}={\frac {u_{2}}{c_{0}}}=[2(1+\phi _{2}\cot {\beta _{2}})]^{-{\frac {1}{2}}}$

के लिए

β₂ = 90^{हे</सुप>}

पी_s ≈ 0.707

Variation of stage efficiency of an IFR turbine with blade-to-isentropic gas speed ratio

जावक-प्रवाह त्रिज्यीय चरण

Main article: Out-flow radial turbine

बाहरी प्रवाह त्रिज्यीय टर्बाइन चरणों में, गैस या भाप का प्रवाह छोटे व्यास से बड़े व्यास तक होता है। मंच में स्थिर और गतिमान ब्लेडों की एक जोड़ी होती है। बड़े व्यास पर क्रॉस-सेक्शन 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 है फ्रेड्रिक जुंगस्ट्रॉम इसमें विपरीत दिशाओं में घूमने वाली दो डिस्क से प्रक्षेपित कैंटिलीवर 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 एन्थैल्पी ड्रॉप का उच्च मान देता है।

निकोला टेस्ला की चाकू रहित त्रिज्यीय टर्बाइन

Main article: Tesla turbine

1900 की शुरुआत में, निकोला टेस्ला ने अपने ब्लेडलेस टेस्ला टर्बाइन का विकास और पेटेंट 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 बजाय सीमा परत प्रभाव या आसंजन और चिपचिपाहट के माध्यम से घूर्णक को अपनी ऊर्जा स्थानांतरित करता है। टेस्ला ने कहा कि उसकी 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 पंप की भूमिका में समग्र दक्षता कम पाई गई है। हाल के दशकों में ब्लैडलेस टर्बाइन और पेटेंट प्रारुपण के विकास पर और शोध किया गया है जो एथिलीन ग्लाइकॉल, फ्लाई ऐश, रक्त, चट्टानों और यहां तक ​​कि जीवित मछली जैसे संक्षारक/अपघर्षक और पंप करने में कठिन सामग्री के साथ काम करता है।

संदर्भ

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