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टरबाइन इंजन: भाप टरबाइन और गैस टरबाइन

टरबाइन इंजन तेज़ चलती गैस को घूमती गति में बदलता है। भाप टरबाइन को बॉयलर से गर्म भाप मिलती है। गैस टरबाइन हवा दबाता है, उसमें ईंधन जलाता है और गर्म गैस को टरबाइन से निकालता है। घूमती धुरी जनित्र, जहाज़ के प्रोपेलर या जेट को चलाती है। दक्षता = उपयोगी कार्य ÷ दी गई ऊष्मा।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. टरबाइन ब्लेड वाला चक्र है। गैस या भाप की तेज़ धार ब्लेडों से टकराकर उन्हें धकेलती है। चक्र घूमने लगता है।
  2. भाप टरबाइन: बॉयलर पानी को गर्म भाप बनाता है। भाप तेज़ी से टरबाइन में जाकर उसे घुमाती है। धुरी जनित्र को घुमाती है और बल्ब जल उठता है।
  3. दाब घटने से भाप फैलती है। इसलिए पहले चरण से आख़िरी चरण तक ब्लेड बड़े होते जाते हैं। कई चरण ज़्यादा ऊर्जा निकाल लेते हैं।
  4. गैस टरबाइन: कंप्रेसर हवा को दबाता है। दहन कक्ष में ईंधन जलकर बहुत गर्म गैस बनाता है। गैस टरबाइन को घुमाती है, जो कंप्रेसर को भी चलाता है।
  5. निकास की गैस अभी भी गर्म है। ताप-पुनर्प्राप्ति बॉयलर उससे दूसरे भाप टरबाइन के लिए भाप बनाता है। यह संयुक्त संयंत्र है, इसमें ऊष्मा कम बेकार जाती है।
  6. खुला खेल: ईंधन का स्लाइडर चलाइए। ज़्यादा ऊर्जा देने पर धुरी तेज़ घूमती है और ज़्यादा शक्ति मिलती है। भाप और गैस की तुलना करने पीछे भी जाइए।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

गैस की धार चक्र को क्यों घुमाती है?

गैस में तेज़ चलता द्रव्यमान होता है। ब्लेडों से टकराकर मुड़ने पर वह उन्हें धक्का देती है, और किनारे पर लगा धक्का चक्र को घुमा देता है। लाल निशान को घूमते देखिए।

भाप कहाँ से आती है?

बॉयलर से। लाल डिब्बे के नीचे ईंधन जलता है, अंदर का पानी भाप बनता है और पाइप से टरबाइन तक जाता है।

एक ही बड़ी ब्लेड-पंक्ति क्यों नहीं? कई चरण क्यों?

एक पंक्ति सारी ऊर्जा चिकनाई से नहीं निकाल सकती। कई चरण थोड़ा-थोड़ा निकालते हैं, इसलिए दक्षता अच्छी रहती है और ब्लेड सुरक्षित रहते हैं। बड़े होते घेरे देखिए।

गैस टरबाइन को अपना कंप्रेसर क्यों चाहिए?

ऊँचे दाब तक दबी हवा में ईंधन कहीं बड़ा धक्का देता है। उसी धुरी का टरबाइन कंप्रेसर को चलाता है। दहन कक्ष के बाद नीली हवा नारंगी होती देखिए।

निकास अब भी गर्म क्यों है, क्या उसका उपयोग हो सकता है?

एक टरबाइन गैस की सारी ऊष्मा नहीं ले सकता। बची ऊष्मा से दूसरे टरबाइन के लिए पानी उबल सकता है। यही संयुक्त चक्र है।

ज़्यादा ईंधन देने से क्या होता है?

ज़्यादा ऊर्जा अंदर जाती है, इसलिए गर्म गैस ज़ोर से धकेलती है, धुरी तेज़ घूमती है और ज़्यादा शक्ति मिलती है, धातु की सीमा तक। स्लाइडर आज़माइए।

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):

  1. बॉयलर: ईंधन की ऊष्मा पानी को उच्च दाब की गर्म भाप बना देती है।
  2. टरबाइन: भाप ब्लेडों से गुज़रकर फैलती है, दाब और ताप घटते हैं, धुरी घूमती है।
  3. संघनित्र (कंडेंसर): इस्तेमाल हुई भाप ठंडी होकर फिर पानी बन जाती है।
  4. 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)।

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):

  1. कंप्रेसर: हवा खींचकर उसे ऊँचे दाब तक दबाता है। हवा दबने के साथ ब्लेड छोटे होते जाते हैं।
  2. दहन कक्ष: ईंधन छिड़ककर जलाया जाता है। गैस बहुत गर्म हो जाती है, दाब लगभग वही रहता है।
  3. 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

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

अभ्यास क्विज़

1. भाप संयंत्र में इस्तेमाल हुई भाप को फिर पानी बनाने वाला भाग है:
2. गैस टरबाइन में सही क्रम है:
3. भाप टरबाइन के ब्लेड धुरी के साथ बड़े क्यों होते जाते हैं?
4. गैस टरबाइन का शुद्ध कार्य है:
5. जल्दी चालू होने और हल्केपन के लिए सबसे अच्छा कौन है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

भाप टरबाइन और गैस टरबाइन में क्या अंतर है?

भाप टरबाइन अलग बॉयलर में बनी भाप से चलता है। गैस टरबाइन अपने अंदर ही दबी हवा में ईंधन जलाकर गर्म गैस बनाता है।

जेट इंजन का गैस टरबाइन से क्या संबंध है?

जेट इंजन एक गैस टरबाइन ही है। टरबाइन उतनी ही शक्ति लेता है जितनी कंप्रेसर चलाने को चाहिए, और पीछे निकलती तेज़ गर्म गैस विमान को आगे धकेलती है।

संयुक्त चक्र संयंत्र क्या होता है?

इसमें पहले गैस टरबाइन चलता है, फिर उसकी गर्म निकास गैस से पानी उबालकर भाप टरबाइन चलाते हैं। एक ही ईंधन से दो टरबाइन, दक्षता लगभग 55 से 60%।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Prime Movers

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