Türbin
Türbin. hızla hareket etmekte olan bir akışkanla çalışan bir motor türüdür. Bu akışkan su, buhar, gaz ya da hava olabilir. Türbin ile öbür motor türleri arasındaki temel fark, türbinin yalnızca dönme hareketi yapabilmesidir. Türbin adı, “fırıldak gibi dönen cisim” anlamındaki Latince türbo sözcüğünden gelir. Lokomotif ya da otomobil motoru gibi motorlardaki pistonlar doğrusal hareket yaparlar ve bu hareketin piston kolları ve krank milleri yardımıyla dönme hareketine çevrilmesi gerekir. Türbinlerde ise buna gerek yoktur, çünkü türbinden elde edilen dönme hareketi üreteçleri, pervaneleri ve dönme hareketi yapan öbür makineleri çalıştırmaya yeterlidir.
2.000 yılı aşkın bir süredir kullanılmakta olan su çarkı en eski türbin tipidir.
Modern türbinler başlıca iki türlüdür. Çarpmalı türbinlerde, hızla püsküren bir akışkan bir milin çevresine yerleştirilmiş kanatlara çarpar, bu çarpmanın kuvveti ve hızı mili döndürür. Tepkili türbinlerde ise, kanatların arasından büyük miktarlarda yüksek basınçlı akışkan geçirilir ve kanatlar bu akışkanın ağırlığının ya da basıncının etkisiyle döner.
Buhar Türbinleri
Bir buhar türbini, silindir biçiminde koruyucu bir kılıfın içine yerleştirilmiş, rotor denen tambur biçimli döner bir milden oluşur. Kazandan gelen buhar, silindirdeki memelerden geçirilerek bir buhar jeti haline getirilir ve buradan, rotora takılı bir bileziğin üzerindeki kanatlara çarptırılır. Silindir buhar enerjisinin boşa gitmemesini sağlar.
En iyi sonucu almak için, kanatların dönme hızının buharın memeden püskürme hızının kabaca yarısı kadar olması gerekir. Yaklaşık 14 atmosfer basıncındaki buhar, memeden saniyede 600 metrenin üzerinde bir hızla püskürür. Eğer türbinde tek bir kanat bileziği varsa, bu hızda gelen bir buharın tüm enerjisini alabilmek için rotorun inanılmaz bir hızda dönmesi gerekir. Bu güçlüğün üstesinden gelmek için buhar rotor üzerindeki birinci kanat bileziğinden çıktıktan sonra, silindir üzerine sabit biçimde yerleştirilmiş, stator denen bir başka kanat dizisinden geçirilir. Bu sabit kanat dizisi buharı ikinci bir hareketli kanat dizisine doğru yöneltir; bu hareketli diziden çıkan buhar ise bu kez ikinci bir sabit kanat dizisinden geçirilir ve bu böylece yinelenip gider. Böylece. buhar hızı her bir kanat dizisinden geçişte biraz düşürülm üş ve rotorun en ucundaki son kanat dizisinden çıkışta buhar enerjisinin artık çok büyük bir bölümü alınmış olur. Buharın hızı azaldıkça basınç da düşer ve bu nedenle de buhar giderek daha çok yer kaplar; dolayısıyla, çizimde gösterildiği gibi, birbirini izleyen türbin kadem elerinin çapının giderek büyümesi gerekir.
İngiliz mühendis ve mucit Charles Parsons’ın geliştirdiği bu türbin türü, bütün dünyada elektrik santrallarındaki üreteçlerin çalıştırılmasında ve buharlı gemilerin pervanelerinin döndürülmesinde kullanılır. İlk Parsons türbini 1884’te yapılmıştı. Yaklaşık 7,5 kilowatt (10 beygir gücü) gücündeki bu türbin bir elektrik üretecinin çalıştırılmasında kullanıldı.
Bu tür türbinler ekonomiktir, sarsıntısız ve sessiz çalışır, çok büyük boyutlarda yapılabilir. 500 ve 660 megawatt (670.000 ve 885.000 beygir gücü) gücünde olanları yaygındır; hatta gücü 1.000 megawatt’ın (1.340.400 beygir gücünün) üzerinde olan buhar türbinleri yapılmıştır. Bugün 2.000 megawatt’lık (2.680.700 beygir güçlük) Parsons türbinleri tasarımlanmaktadır.
İsveçli mühendis Kari Gustaf de Laval’ın (1845-1913) 1882’de geliştirmiş olduğu, tek dizi kanatlı ve yüksek hızlı küçük buhar türbinleri de vardır. Laval ayrıca, yüksek hızda dönen bu türbinle görece düşük hızlı bir pervaneyi döndürebilmek ya da bir makineyi çalıştırabilmek için, “redüktör” denen özel bir hız azaltıcı dişli çark donanımını bulmuştur. Gemilerdeki buhar türbinlerinde hızın pervaneye aktarılırken düşürülmesi gerekir, çünkü yüksek hızlı pervaneler verimsizdir. İlk türbinli gemi olan Turbirıia, Parsons tarafından tasarımlandı ve İngiltere’de Wallsend-on-Tyne’da yapıldı. Bu gemide toplam 1.492 kilowatt’lık (2.000 beygir gücü) güç üreten üç türbin vardı.
Buhar türbinleri, yoğunlaştırıcılı ya da yoğunlaştırıcısız tipte olabilir. Yoğunlaştırıcılı türbinde, türbinden çıkan buhar bir yoğunlaştırıcıya gider ve burada, borular içinde dolaştırılan soğuk suyla soğutulur. Buhar su haline gelir; su buhardan daha az yer kapladığı için bir vakum ortamı doğar. Vakum buharın türbinin içinden püskürmesini sağlar. Su daha sonra yeniden buhar haline getirilmek üzere kazana pompalanır.
Yoğunlaştırıcısız türbinde, türbinden çıkan buhar binaların ısıtılmasında ya da bazı sanayi işlemlerinde kullanılır.
Su Türbinleri
Su türbinleri temel olarak hidroelektrik enerji santrallarındaki üreteçlerin çalıştırılmasında kullanılır. Çarpmalı ya da tepkili tipte olabilen su türbinlerinde, yerçekimi etkisi altındaki suyun enerjisinden yararlanılır. Suyun düşme yüksekliği buhar türbinlerindeki buhar basıncının karşılığıdır.
Çarpmalı buhar türbinleri yüksek buhar basınçlarında kullanıldığı gibi, Pelton çarkı ya da Pelton türbini denen çarpmalı su türbinleri de 300 metrenin üstündeki düşme yüksekliklerinde kullanılır (kullanılan en büyük düşme yüksekliği 1.650 metre dolayındadır). 30 ile 300 metre arasındaki düşme yükseklikleri için, Francis çarkı ya da Francis türbini denen, sabit kanatlı bir pervaneyle donatılmış tepkili türbinler kullanılır. 30 metrenin altındaki düşme yükseklikleri için ise, hareketli kanatlı Kaplan türbinlerinden yararlanılır.
Pelton türbininde, memelerden geçirilerek püskürtü haline getirilen yüksek hızlı su jeti, çarkın çevresine dizilmiş kepçe biçimli kanatlara çarpar. Çark bir bütün olarak silindir biçiminde çelik bir koruyucu kılıf içine alınmıştır. Pelton türbininin milleri genellikle yatay biçimde yerleştirilir, ama bazıları da düşey olarak monte edilebilir.
Francis türbininin, kanatları eğri yüzeyli ve miline paralel olarak dizilmiş bir çarkı vardır; çark sarmal biçimli bir koruyucu kılıf içine alınmıştır. Bu kılıfın iç yüzeyinde ise, suyu çarkın üzerine yönelten kılavuz kanatçıklar bulunur. Bu kanatçıkların açıları ayarlanabilir ve böylece suyun akış doğrultusu değiştirilerek türbinin hızı denetlenebilir. Francis türbini genellikle düşey olarak monte edilir.
Kaplan türbininin, gemi pervanesine benzeyen, ama onun tersi biçimde çalışan bir çarkı vardır. Bir motorun çevirdiği gemi pervanesi gemiyi ileriye doğru hareket ettirmek için suyu geriye iter; Kaplan türbininin çarkı çevresinden geçen suyun etkisiyle döner. Türbin çarkının kanat açıları en iyi sonucu alacak biçimde değiştirilebilir. En büyük su türbinleri, çıkış gücü 500 megawatt’ın (670.000 beygir gücünün) üzerinde olan türbinlerin bulunduğu Rusya'dadır. Su türbinlerinin hızları dakikada 75 devirden 1.200 devire kadar değişir.
Gaz Türbinleri
Gaz türbinleri buhar ve su türbinleriyle aynı ilkeye dayalı olarak çalışır; ama bunlarda buhar ya da suyun yerini gazyağı gibi bir sıvı yakıtın ya da doğal gaz gibi bir gaz yakıtın yakılmasıyla elde edilen sıcak gazlar almıştır. Sıcak gazlar bir döner kompresörle sıkıştırılarak gaz türbinine püskürtülür. Gaz türbinleri İÇTEN YANMALI MOTOR sayfasında anlatılmış ve bazı yanlan da JET MOTORU sayfasında ele alınmıştır. Başlangıçta uçaklar için geliştirilmiş olan gaz türbinlerinin gücü büyük ölçüde artırılmış, boyutları büyütülmüştür. Günümüzde gemilerde ve elektrik santrallannda da gaz türbinleri kullanılmaktadır.
Hava ve Rüzgâr Türbinleri
Tahıl öğütmek ve su pompalamak için kullanılan yel değirmenleri, hava ya da rüzgâr türbinlerinin ilk biçimiydi. Ama günümüzde pek çok başka amaç için kullanılan hava türbinleri de geliştirilmiştir.
Örneğin dişçi matkapları, sıkıştırılmış havanın etkisiyle dakikada 250 bin devirle dönen çok küçük hava türbinleriyle çalışır. Bir dişin bu hızda delinmesi çok çabuk tamam lanır, ayrıca bu tür bir matkapta elektrikli matkaptakinden daha az titreşim olur. Yüksek dönme hızının doğurduğu sürtünm eden kaynaklanan ısınmayı önlem ek için dişin üzerine su püskürtülür.
Bunlar minik hava türbinleridir; ama elektrik santrallannda kullanılan dev rüzgâr türbinleri de vardır. Bunlar yatay dönmeli ve iki ya da daha çok kanatlı olabilir. Rüzgâr türbinlerini en verimli biçimde kullanabilm ek için bunları değişen rüzgâr yönüne göre yeniden yöneltmeye yarayan aygıtlar geliştirilmiştir.
