عنفة

تاريخ

وعلى صعيد آخر، استعرض «هيرو الإسكندري» مبدأ التوربين في جهاز «الإيوليبيل» خلال القرن الأول الميلادي، كما أشار إليه «فيتروفيوس» نحو عام 70 قبل الميلاد. ومن الأمثلة المبكرة على التوربينات: «طواحين الهواء» و«النواعير».

من جانب آخر، ومع ذلك، لم تُصدر لجنة الأكاديمية — المؤلفة من «بروني» و«دوبين» و«جيرار» — تقريراً إيجابياً بشأن مذكرة بردين إلا عام 1824. ولاحقاً، قام «بينوا فورنيرون»، وهو أحد طلاب كلود بردين السابقين، ببناء أول توربين مائي عملي.

كذلك، يُنسب اختراع التوربين البخاري إلى كلٍّ من :المهندس الأنجلو-أيرلندي السير «تشارلز بارسونز» (1854–1931)، لاختراعه «التوربين الارتكاسي» والمهندس السويدي «غوستاف دي لافال» (1845–1913) لاختراعه «التوربين الدفعي».

وفي السياق ذاته، استُخدم مصطلح «توربين» لأول مرة لهذا النوع من الأجهزة عام 1822 على يد مهندس التعدين الفرنسي «كلود بردين»، وذلك في مذكرة بعنوان «عن التوربينات الهيدروليكية أو الآلات الدوارة عالية السرعة»، قدّمها إلى «الأكاديمية الملكية للعلوم» في باريس. وقد اشتُق المصطلح من الكلمة اللاتينية «Turbo» التي تعني «الدوامة» أو «الدوّار»، وكانت تُستعمل في الفرنسية لوصف أنواع معينة من الأصداف البحرية.

مبدأ العمل

من جهة ثانية، تُعد «عجلة بيلتون» وتوربين «دي لافال» من أشهر الأمثلة على التوربينات الدفعية. ويُفسَّر انتقال الطاقة فيها وفق قانون نيوتن الثاني، كما تحقق هذه التوربينات أعلى كفاءة في التطبيقات ذات ضغط الدخول المرتفع ومعدل التدفق المنخفض.

ومن جهة أخرى، تعمل «التوربينات الارتكاسية» (Reaction Turbines) على توليد عزم الدوران نتيجة تلامس المائع مع ريش التوربين أثناء مروره داخلها، حيث يتغير كلٌّ من ضغط المائع وسرعته عبر مراحل التوربين.

وفي السياق ذاته، يحتوي «مائع التشغيل» على نوعين من الطاقة: طاقة الضغط وطاقة الحركة (السرعة)، وقد يكون هذا المائع قابلاً للانضغاط — مثل البخار والغاز — أو غير قابل للانضغاط مثل الماء. وتعمل التوربينات على تحويل هذه الطاقة إلى حركة دورانية باستخدام مبادئ فيزيائية مختلفة.في «التوربينات الدفعية» (Impulse Turbines)، يتم أولاً تسريع المائع عبر فوهة (Nozzle)، مما يحول طاقة الضغط إلى نفاث عالي السرعة. وعندما يصطدم هذا النفاث بريش التوربين المتحركة، يتغير اتجاه تدفقه، وينتج عن ذلك قوة دفع تؤدي إلى دوران الدوّار (Rotor).

من جهة ثانية، وفي التطبيقات البخارية مثل محطات توليد الكهرباء أو الدفع البحري، يحتاج التوربين الارتكاسي من نوع «بارسونز» إلى عدد أكبر من صفوف الريش مقارنةً بتوربين «دي لافال» الدفعي لتحقيق نفس مقدار تحويل الطاقة. وهذا يجعل تصميمه أطول وأثقل، لكنه غالباً ما يوفر كفاءة أعلى في ظروف التشغيل المماثلة.

كذلك، وفي هذا النوع من التوربينات، لا يحدث انخفاض في ضغط المائع داخل الريش المتحركة نفسها، إذ إن هبوط الضغط بالكامل يحدث داخل الفوهات أو الريش الثابتة قبل وصول المائع إلى الدوّار. ولهذا السبب، لا تحتاج التوربينات الدفعية إلى غلاف ضغط محكم حول الدوّار، لأن النفاث يتكون مسبقاً قبل دخوله إلى التوربين.

إضافةً إلى ذلك، ويعتمد مبدأ عمل التوربينات الارتكاسية على قانون نيوتن الثالث (الفعل ورد الفعل)، حيث يؤدي تغير حركة المائع داخل الريش إلى توليد قوة دوران في الاتجاه المعاكس. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات ذات التدفق العالي وضغط الدخول المنخفض نسبياً.

من جهة ثانية، ولكي تعمل هذه التوربينات بكفاءة، يجب أن يكون المائع محصوراً داخل مسار مغلق، لذلك تحتاج إلى غلاف ضغط (Pressure Casing) يوجه تدفق المائع عبر الريش. وفي بعض الحالات، مثل توربينات الرياح، يمكن الاستغناء عن الغلاف لأن التوربين يعمل في الهواء الطلق. وفي التوربينات المائية، يساعد هذا الغلاف كذلك على تحسين استعادة الطاقة بعد مرور الماء عبر التوربين، عبر ما يُعرف بـ «أنبوب السحب» (Draft Tube).

من جهة ثانية، يُستعمل هذا النوع من التوربينات في تصميمات مثل «توربين فرانسيس» وأغلب التوربينات البخارية. وفي حالة الغازات أو البخار، يتم استخدام عدة مراحل متتالية من التوربين لاستغلال تمدد المائع تدريجياً وتحسين الكفاءة.