توربین: ماشینی برای به دام انداختن انرژی
توربین چگونه کار می‌کند؟ اصل ساده یک چرخ‌بال
برای فهمیدن کار توربین، کافی است یک پنکه یا یک آسیاب بادی ساده را تصور کنید. وقتی باد به پره‌های آسیاب می‌خورد، آن را می‌چرخاند. توربین هم دقیقاً همین کار را انجام می‌دهد، اما در مقیاسی بسیار بزرگ‌تر و قدرتمندتر. قسمت اصلی توربین، یک شفت2 است که روی آن تعدادی پره نصب شده است. این مجموعه «روتور» نام دارد.
وقتی یک جریان سیال (مثل آب یا بخار داغ) با سرعت و فشار بالا به این پره‌ها برخورد می‌کند، نیرویی به آن‌ها وارد کرده و باعث چرخش روتور می‌شود. این چرخش، انرژی موجود در سیال را به انرژی حرکتی دورانی تبدیل می‌کند. این انرژی دورانی سپس می‌تواند برای چرخاندن یک مولد3 و تولید برق، یا به حرکت درآوردن یک دستگاه دیگر مانند پمپ استفاده شود.
انواع توربین‌ها؛ با چه چیزی می‌چرخند؟
توربین‌ها را معمولاً بر اساس سیالی که آن‌ها را به حرکت درمی‌آورد، دسته‌بندی می‌کنند. هر کدام برای یک منبع انرژی خاص طراحی شده‌اند.
| نوع توربین | سیال محرک | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| توربین آبی | آب | نیروگاه‌های برق‌آبی |
| توربین بادی | باد | مزارع بادی برای تولید برق |
| توربین بخار | بخار آب با فشار بالا | نیروگاه‌های حرارتی و هسته‌ای |
| توربین گازی | گازهای داغ ناشی از سوختن سوخت | هواپیماها (موتور جت) و برخی نیروگاه‌ها |
کاربردهای توربین در زندگی روزمره ما
شاید فکر کنید توربین فقط در جاهای دورافتاده و بزرگ استفاده می‌شود، اما تأثیر آن مستقیماً به خانه‌های ما میرسد. مهم‌ترین کاربرد توربین، تولید برق است. تقریباً بیشتر برقی که ما استفاده می‌کنیم، با کمک توربین‌ها تولید می‌شود.
وقتی چراغ‌های خانه را روشن می‌کنید، این برق ممکن است از یک نیروگاه برق‌آبی آمده باشد که در آن توربین‌های عظیم با نیروی آب یک سد می‌چرخند. یا ممکن است از یک نیروگاه بادی باشد که توربین‌های بادی بلندقامت، انرژی باد را به برق تبدیل می‌کنند. حتی در نیروگاه‌هایی که با سوخت‌های فسیلی یا انرژی هسته‌ای کار می‌کنند، از گرمای تولیدشده برای به جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می‌شود و این بخار، توربین‌های بخار را به حرکت درمی‌آورد.
کاربرد دیگر توربین‌ها در حمل‌ونقل است. موتورهای جت در هواپیماها، در واقع نوعی توربین گازی پیشرفته هستند که با تولید نیروی رانش بسیار قوی، هواپیما را به پرواز درمی‌آورند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، آن‌ها برعکس هم کار می‌کنند. پنکه از برق استفاده می‌کند تا پره‌هایش بچرخد و باد تولید کند. اما توربین بادی از باد استفاده می‌کند تا پره‌هایش بچرخد و برق تولید کند. یکی مصرف‌کننده انرژی است و دیگری تولیدکننده.
خیر، اگرچه تولید برق کاربرد اصلی آن‌هاست، اما از انرژی چرخشی توربین می‌توان برای کارهای دیگر هم استفاده کرد. مثلاً در برخی کشتی‌های قدیمی، توربین بخار مستقیماً پروانه کشتی را می‌چرخانده است. یا در پمپ‌های بزرگ، از توربین برای تأمین نیروی مورد نیاز پمپ استفاده می‌شود.
پره‌های بلندتر سطح بیشتری دارند، بنابراین باد بیشتری را «جمع‌آوری» می‌کنند. هرچه باد بیشتری به پره‌ها برخورد کند، انرژی بیشتری به توربین منتقل شده و برق بیشتری تولید می‌شود. این یک رابطه مهم در فیزیک است که با فرمول ساده انرژی جنبشی نشان داده می‌شود: $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ که در آن جرم (m) و سرعت (v) سیال مهم هستند.
پاورقی
1 توربین (Turbine): ماشینی دوار که انرژی سیال را به کار مکانیکی تبدیل می‌کند.
2 شفت (Shaft): یک میله محکم که انتقال حرکت چرخشی را بر عهده دارد.
3 مولد (Generator): وسیله‌ای که انرژی مکانیکی (چرخش) را به انرژی الکتریکی (برق) تبدیل می‌کند.