قصة اختراع التوربينات البخارية

التوربينات البخارية:

منذ ابتكارها تم استخدامها في كل مكان لتشغيل المولدات وتوليد الكهرباء أو توليد قوة دفع للسفن والطائرات والصواريخ، والعديد من التطبيقات الصناعية المختلفة بحيث تقوم التوربينات البخارية على تحويل الطاقة الحرارية على شكل ماء مبخر إلى حركة باستخدام الضغط على شفرات الغزل، هذا مشابه لتوربينات الطاقة الكهرومائية باستثناء أنّ البخار يتحرك بشكل أسرع وأنّ الشفرات والجهاز مختلفان تمامًا.

قام المهندسون بإضافة العديد من التحسينات منذ ابتكارها، وهي من أصعب العناصر في التصميم والبناء، لا يوجد سوى عدد قليل من الأماكن في العالم يتم تصنيع فيه توربينات بخارية كبيرة، تم اختراعها من قبل سيدي تشارلز بارسونز عام 1884م، كانت التوربينات بمثابة محرك حراري يستمد الكثير من تحسينه في الديناميكا الحرارية من خلال استخدام متعدد لمراحل تمدد البخار.

ما هي قصة اختراع التوربينات البخارية؟

فكرة ابتكارها تعود لـ100 بعد الميلاد، عرف المبتكرون الأوائل مثل جورج وستنجهاوس أنّ الحركة ذهابًا وإيابًا للمحركات البخارية الترددية تهدر الكثير من الطاقة وأنه إذا كان من الممكن توجيه البخار إلى مساحة ضيقة والضغط المستخدم في تحويل عمود الدوران، فسيؤدي ذلك إلى أقصى قدر من كفاءة الطاقة، الجهاز الأول الذي يمكن تصنيفه على أنه توربينات بخارية تفاعلية هو (aeolipile) الذي اقترحه (Hero of Alexandria).

خلال القرن الأول الميلادي، قام (Alexandria) في جهاز (aeolipile) بإمداد البخار من خلال عمود دوار مجوف إلى كرة دوارة مجوفة، ثم ظهر من خلال أنبوبين منحنيين متعارضين، تم تصميم آلة أخرى تعمل بالبخار، تم وصفها في عام 1629م في إيطاليا بطريقة تصطدم بها نفاثة من البخار على شفرات تمتد من عجلة وتسبب في تدويرها وفقًا لمبدأ الدفع، بدءًا من براءة اختراع عام 1784م بواسطة (James Watt) مطور المحرك البخاري تم اقتراح عدد من التوربينات النابضة والتفاعلية.

لم ينجح أي منها باستثناء الوحدات التي بناها ويليام أفيري من الولايات المتحدة بعد عام 1837م في أحد توربينات (Avery) تم ربط ذراعان مجوفان بطول 75 سم بزوايا قائمة على عمود مجوف يتم من خلاله تزويد البخار، تسمح الفوهات الموجودة في الطرف الخارجي للأذرع للبخار بالخروج في اتجاه عرضي مما ينتج عنه رد فعل لتدوير العجلة، تم بناء حوالي 50 من هذه التوربينات لمناشر الخشب ومحالج القطن ومحلات النجارة وتم تجريب واحد منها على الأقل على قاطرة.

جهود المخترعين في ابتكار التوربينات البخارية:

لم تحدث أي تطورات أخرى حتى نهاية القرن التاسع عشر عندما وضع العديد من المخترعين الأساس للتوربينات البخارية الحديثة، في عام 1884م طور المهندس البريطاني السير تشارلز ألجيرنون بارسونز مبدأ مرحلة التفاعل الذي وفقًا له يحدث انخفاض متساوٍ تقريبًا في الضغط وإطلاق للطاقة في كل من ممرات الشفرة الثابتة والمتحركة، مما يسمح باستخراج الطاقة الحرارية في البخار بخطوات صغيرة، بالإضافة إلى ذلك قام ببناء أول توربينات بخارية بحرية عملية كبيرة.

عام 1885م قام وستنجهاوس بشراء براءات اختراعات خاصة بالتوربينات وبدأ في إجراء التحسينات في مبدأ عملها، خلال ثمانينيات القرن التاسع عشر قام كارل جي لافال من السويد بالعمل على إعادة تصميمها وقام ببناء توربينات تفاعلية صغيرة تدور حول 40.000 دورة في الدقيقة ومع ذلك فإنّ سرعتها العالية جعلتها غير مناسبة للتطبيقات التجارية الأخرى، ثم حول دي لافال انتباهه إلى توربينات الدفع أحادية المرحلة التي تستخدم فوهات متقاربة ومتباعدة.

من عام (1889 إلى 1897)م، كانت توربينات لافال هي أول من استخدمت في الدفع البحري، طور راتو الفرنسي لأول مرة توربينات دافعة متعددة المراحل، خلال تسعينيات القرن التاسع عشر، في نفس الوقت تقريبًا  طور تشارلز جي كيرتس من الولايات المتحدة سرعة حركة دوران التوربينات البخارية، بحلول عام 1900م، تم إنتاج أكبر وحدة مولد توربيني بخاري 1200 كيلوواط.

عام 1903 قام كيرتس وويليام لو روي إيميت بتطوير التوربينات الرأسية بقدرة 5000 كيلو وات لشركة جنرال إلكتريك وخلق هذا التوربين كمية هائلة من الطاقة في مساحة مدمجة يبلغ ارتفاعها 25 قدمًا، بعد 10 سنوات زادت قدرة هذه الآلات إلى أكثر من 30 ألف كيلوواط، لقد تجاوز هذا بكثير إنتاج حتى أكبر المحركات البخارية، مما جعل التوربينات البخارية المحرك الرئيسي الرئيسي في محطات الطاقة المركزية.

بعد العقد الأول من القرن العشرين، اكتسبت التوربينات البخارية أيضًا مكانة بارزة في التطبيقات البحرية واسعة النطاق، أولاً مع السفن التي تحرق الوقود الأحفوري ثم تلك التي تستخدم الطاقة النووية، بحلول عام 1940م، كانت وحدات التوربينات الفردية بسعة طاقة 100000 كيلووات شائعة، تم إنشاء توربينات أكبر حجماً (ذات كفاءة أعلى)، حوالي 90٪ من إجمالي توليد الكهرباء في الولايات المتحدة يتم توليدها عن طريق استخدام التوربينات البخارية.