टरबाइन इंजन क्या है?
टरबाइन एक चक्र (रोटर) है जिस पर कई मुड़े हुए ब्लेड लगे होते हैं। भाप या गैस की तेज़ धार ब्लेडों से टकराकर उन्हें घुमा देती है। इस तरह चलते द्रव की ऊर्जा धुरी की घूर्णन गति बन जाती है।
पिस्टन इंजन की तुलना में टरबाइन में केवल एक ही गति होती है: घूमना। यह चिकना चलता है, झटके कम लगते हैं और छोटा टरबाइन भी बहुत शक्ति देता है। इसलिए बिजलीघरों के जनित्र, जहाज़ और हवाई जहाज़ टरबाइन से चलते हैं।
चलते ब्लेडों के बीच लगे स्थिर ब्लेड (नोज़ल या गाइड वेन) गैस को अगली पंक्ति की ओर मोड़ते हैं।
भाप टरबाइन
भाप बिजलीघर एक चक्र में चलता है (रैंकिन चक्र):
- बॉयलर: ईंधन की ऊष्मा पानी को उच्च दाब की गर्म भाप बना देती है।
- टरबाइन: भाप ब्लेडों से गुज़रकर फैलती है, दाब और ताप घटते हैं, धुरी घूमती है।
- संघनित्र (कंडेंसर): इस्तेमाल हुई भाप ठंडी होकर फिर पानी बन जाती है।
- फ़ीड पंप: पानी को वापस बॉयलर में भेजता है।
फैलने पर भाप का आयतन बढ़ता है, इसलिए हर चरण में ब्लेड बड़े होते जाते हैं। बड़े संयंत्रों में कई चरण होते हैं (उच्च, मध्यम और निम्न दाब)।
- आवेग चरण: नोज़ल तेज़ धार बनाता है, धार ब्लेडों को धक्का देती है।
- प्रतिक्रिया चरण: भाप चलते ब्लेडों के भीतर भी तेज़ होती है और रॉकेट की तरह उन्हें धकेलती है।
भाप टरबाइन वहाँ काम आते हैं जहाँ ऊष्मा का स्थिर स्रोत हो: कोयला, गैस, परमाणु या सौर-ऊष्मा बिजलीघर और बड़े जहाज़।
गैस टरबाइन
गैस टरबाइन भाप नहीं, ईंधन जलाने से बनी गर्म गैस इस्तेमाल करता है। एक धुरी पर तीन मुख्य भाग होते हैं (ब्रेटन चक्र):
- कंप्रेसर: हवा खींचकर उसे ऊँचे दाब तक दबाता है। हवा दबने के साथ ब्लेड छोटे होते जाते हैं।
- दहन कक्ष: ईंधन छिड़ककर जलाया जाता है। गैस बहुत गर्म हो जाती है, दाब लगभग वही रहता है।
- टरबाइन: गर्म गैस ब्लेडों से फैलकर उन्हें घुमाती है।
टरबाइन कंप्रेसर की ज़रूरत से ज़्यादा शक्ति बनाता है। शुद्ध कार्य = टरबाइन का कार्य − कंप्रेसर का कार्य। बचा हुआ जनित्र, प्रोपेलर को जाता है, या (जेट इंजन में) पीछे निकलती गैस विमान को आगे धकेलती है।
गैस टरबाइन जल्दी (कुछ मिनट में) चालू हो जाते हैं, हल्के और छोटे होते हैं, और विमान, तुरंत चालू होने वाले बिजलीघरों और तेज़ जहाज़ों में काम आते हैं। इनकी निकास गैस बहुत गर्म होती है, इसलिए संयुक्त चक्र में उसकी ऊष्मा से भाप टरबाइन भी चलाया जाता है, और दक्षता लगभग 55 से 60% तक पहुँचती है।
दक्षता और हानियाँ
दक्षता η = निर्गत कार्य ÷ दी गई ऊष्मा। आधुनिक भाप संयंत्र की दक्षता लगभग 35 से 45% होती है। अकेले गैस टरबाइन की 30 से 40%। बाक़ी ऊष्मा बेकार चली जाती है: संघनित्र के पानी में और गर्म निकास में। गैस का ताप और दाब बढ़ाने से दक्षता बढ़ती है, पर ब्लेडों को गर्मी सहनी पड़ती है।
धुरी की शक्ति: P = बल-आघूर्ण × कोणीय चाल = T × 2πN/60, जहाँ N चक्कर प्रति मिनट है।
करके देखिए: फिरकी
काग़ज़ की फिरकी बनाइए। पहले धीरे फूँकिए, फिर ज़ोर से। फिर उसे गर्म चाय के प्याले के ऊपर रखिए (सावधानी से) और उठती भाप से घूमते देखिए। अनुमान लगाइए: 20% ईंधन पर 3D चक्र ज़्यादा तेज़ घूमेगा या आपकी फिरकी? स्लाइडर से जाँचिए: ज़्यादा ऊर्जा, तेज़ घुमाव।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- η = W_out / Q_in
- शुद्ध कार्य (गैस टरबाइन) = W_टरबाइन − W_कंप्रेसर
- P = T × 2πN / 60 (N चक्कर/मिनट में)
- संयुक्त चक्र: η = η₁ + η₂ − η₁η₂
हल किए गए उदाहरण
1. एक भाप संयंत्र 100 MW ऊष्मा लेता है और 38 MW बिजली देता है। दक्षता और बेकार गई ऊष्मा निकालिए।
η = 38 / 100 = 0.38 = 38%। बेकार ऊष्मा = 100 − 38 = 62 MW (ज़्यादातर संघनित्र में)।
2. एक गैस टरबाइन में टरबाइन 60 MW बनाता है और कंप्रेसर को 25 MW चाहिए। शुद्ध शक्ति निकालिए।
शुद्ध = 60 − 25 = 35 MW। ध्यान दीजिए कि टरबाइन के 25 MW केवल कंप्रेसर चलाने में लगे।
3. टरबाइन की धुरी 3000 rpm पर 100 N·m बल-आघूर्ण के साथ घूम रही है। शक्ति निकालिए।
ω = 2π × 3000 / 60 = 314.16 rad/s। P = T × ω = 100 × 314.16 ≈ 31 416 W ≈ 31.4 kW।
4. एक गैस टरबाइन की दक्षता 0.35 है। उसकी निकास ऊष्मा से चलने वाले भाप चक्र की दक्षता 0.30 है। संयुक्त दक्षता निकालिए।
η = 0.35 + 0.30 − 0.35 × 0.30 = 0.65 − 0.105 = 0.545, यानी लगभग 54.5%।
आम गलतियाँ
- यह कहना कि गैस टरबाइन में कंप्रेसर ज़रूरी नहीं। कंप्रेसर इसलिए चाहिए कि ईंधन ऊँचे दाब पर जले।
- यह भूल जाना कि टरबाइन की कुछ शक्ति कंप्रेसर चलाने में लगती है। शुद्ध कार्य लीजिए।
- सोचना कि टरबाइन भाप को "जलाता" है। भाप केवल ऊष्मा-ऊर्जा की वाहक है; ईंधन बॉयलर में जलता है।
- 100% दक्षता संभव मानना। कुछ ऊष्मा हमेशा बेकार निकलती है।