टरबाइन प्रचालन : कोणतेही वाहन–जहाज, विमान, मोटारगाडी इ. –टरबाइन हे मूलचालक (नैसर्गिक ऊर्जा उद्‌गमाचे यांत्रिक शक्तीत रूपांतर करणारे साधन) म्हणून वापरून चालविण्याची क्रिया. प्रचालनासाठी योग्य अशा टरबाइनाच्या दोन मुख्य जाती आहेत : वाफेचे व वायूचे. यांपैकी वाफेचे टरबाइन मुख्यतः जहाजांत वापरात आहे. वाफ टरबाइन प्रचालनाची काही रेल्वे एंजिने प्रयोगादाखल बांधण्यात आली पण त्यांचा वापर सोयिस्कर व फायदेशीर न ठरल्याने त्यांचा प्रसार झाला नाही. वायू टरबाइन जरी इतर काही क्षेत्रांत (उदा., विद्युत् निर्मितीत) वापरात आले असले, तरी अजून शक्ति-उत्पादनाच्या दृष्टीने त्याची शक्ती वाफ टरबाइनाच्या तोडीची झालेली नाही पण वाफ टरबाइनाला लागणारी वाफकाची (बॉयलराची) जोड यात लागत नसल्यामुळे त्याचे संयंत्र (यंत्रसंच) वाफ टरबाइनाच्या संयंत्रापेक्षा वजनात किती तरी कमी असते. तसेच त्याच्या मुख्य दंडाचा परिवेग बराच उच्च असतो व त्यामुळेही वजन कमी होते. म्हणून किंमतीचा प्रश्न बाजूस ठेवून वायू टरबाइने ही हवाई दलाच्या विमानांचे मूलचालक म्हणून अतिशय आवडती झाली आहेत. तरी पण तांत्रिक दृष्ट्या विमानांनासुद्धा ⇨ झोत प्रचालन हे टरबाइनाच्या प्रचालनापेक्षा जास्त सोयिस्कर ठरले आहे. म्हणूनच आता बांधल्या जाणाऱ्या मोठमोठ्या नागरी वाहतुकीच्या विमानांत सरळ टरबाइन प्रचालन न वापरता झोत प्रचालन पद्धतीच वापरली जात आहे. आधुनिक झोत विमानात वायू टरबाइन वापरावेच लागते. पण ते प्रत्यक्ष प्रचालनासाठी नव्हे, संपीडक (दाबयुक्त हवा पुरविणारे साधन) चालविण्यासाठी.
वाफ टरबाइन प्रचालन : ही पद्धत मुख्यतः जहाजांसाठी वापरात आहे. टरबाइन हे जात्याच कार्यक्षमतेच्या दृष्टीने पश्चाग्र (दट्ट्याच्या पुढे-मागे होणाऱ्या) गतीच्या एंजिनापेक्षा सरस आहे. त्यात कंपनाचाही जवळजवळ अभावच असतो. तेवढ्याच शक्तीसाठी पश्चाग्र एंजिनापेक्षा त्याचा आकार बराच लहान असतो व कार्यक्षमता जास्त असते. जहाजांच्या प्रचालनासाठी वाफ टरबाइने शक्य तो कमी परिवेगाची वापरतात. यासाठी बहुपदी आवेग रातो टरबाइन [सी. ई. रातो या फ्रेंच अभियंत्यांच्या नावाने ओळखण्यात येणारे ⟶ वाफ टरबाइन] हे सर्वांत योग्य असते. यात घूर्णकांच्या (फिरणाऱ्या भागांच्या) पात्यांच्या एका वलयातून निघालेली वाफ त्यांच्या बाजूला स्थात्यात (स्थिर भागात) बसविलेल्या प्रोथांच्या (तोट्यांच्या) वलयातून जाते. तेथे तिचा दाब कमी होतो व त्याबरोबरच वेग वाढतो. मग ती घूर्णकातील पात्यांच्या दुसऱ्या वलयात जाते व तेथून पुन्हा प्रोथांच्या पुढच्या वलयात जाते. शेवटी अर्थातच नेहमीप्रमाणे ती संघनकात (वाफेचे पाण्यात रूपांतर करणाऱ्या साधनात) निष्कासित होते. टरबाइनाचा दंड प्रचालकाच्या दंडाला सरळ जोडतात किंवा जरूर असल्यास मधे दंतचक्रे घालतात.
दुसऱ्या जागतिक युद्धाच्या अखेरीपर्यंत पाणबुड्या डीझेल एंजिनावरच चालवीत असत. पाणबुड्यांच्याही डीझेल एंजिनाचा निष्कास (बाहेर टाकण्यात येणारे जळालेले इंधनवायू) हवेतच सोडावा लागतो. या एंजिनाला हवाही सारखी लागत असते. त्या दृष्टीने दिवसा पाणबुड्या डीझेल एंजिनावर चालविता येत नाहीत. दिवसा फक्त विजेच्या घटमालाच प्रचालनासाठी वापराव्या लागतात व एंजिन फक्त रात्रीचेच वापरणे शक्य असते. डीझेल एंजिनाच्या पाणबुडीचा हा उणेपणा घालविण्याच्या दृष्टीने महायुद्धाचा शेवट झाल्यावर, युद्धकालात उपयोगात आणल्या गेलेल्या अणुशक्तीकडे शास्त्रज्ञांचे लक्ष लागले व त्यातूनच अणुशक्तीवर चालणाऱ्या पाणबुडीचा जन्म झाला. या पाणबुड्यांचे संयंत्र मूलतः नेहमीच्या वाफ टरबाइनाच्या संयंत्रांचेच असते. पण वाफकाच्या जागी तीत एक उष्णताविनिमयक (दोन द्रायू–द्रव किंवा वायू–एकमेकांपासून अलग ठेवून अधिक तापमानाच्या द्रायूतील उष्णतेने कमी तापमानाच्या द्रायूला तापविणारे साधन) असतो व तेलाच्या ज्वलनाऐवजी अणूच्या भंजनाने उष्णता पुरविली जाते. तेलापेक्षा आणवीय इंधनाला जागा अगदीच कमी लागत असल्यामुळे आता अशा पाणबुड्या सतत सहा-सहा महिने पाण्याखालून प्रवास करू शकतात (या काळात त्यांना किनाऱ्याला येण्याचे कारणच पडत नाही). पाणबुड्यांची टरबाइने रातो किंवा पार्सन्स प्रकारचीही असतात. टरबाइनाचा परिवेग उच्च असल्यास जनित्र-चलित्राने (टरबाइनापासून मिळणाऱ्या गतीचे विद्युत् शक्तीत रूपांतर करून आणि तिचे चलित्राने म्हणजे मोटरने यांत्रिक शक्तीत पुन्हा रूपांतर करून) प्रचालन करतात [⟶ अणुकेंद्रीय परिचालन].
जहाजात प्रचालनासाठी वाफ टरबाइने वापरताना टरबाइनाचा दंड व प्रचालकाचा (मळसूत्री पंख्याचा) दंड यांमध्ये परिवेग कमी करण्यासाठी दंतचक्रे वापरावी लागतात. तसेच उच्च व नीच दाबाचे भाग वेगळे करून त्यांना स्वतंत्र प्रचालक जोडतात. उच्च परिवेगाचे पार्सन्स टरबाइन वापरल्यास बहुधा ते सरळ जनित्रास जोडतात [⟶ जहाजाचे एंजिन].
वायू टरबाइन प्रचालन : वायू टरबाइनाचे आवश्यक घटक म्हणजे एक हवा संपीडक ज्वलन कक्ष आणि टरबाइन (आ.१.). हे एंजिन सुरू करण्यास ज्वलन कक्षात सोडलेले इंधन विजेच्या ठिणगीने पेटवितात व कक्ष तापतो. तो पुरेसा तापला की, वीज प्रवाह बंद करता येतो आणि एंजिन आपोआप चालू राहते [⟶ वायु टरबाइन].
वायू टरबाइन हे आतापर्यंत तरी मुख्यतः विमानांतच वापरात आहे. नेहमीच्या दट्ट्या-सिलिंडर एंजिनापेक्षा वायू टरबाइनाची रचना अतिशय साधी असते, हे दट्ट्या एंजिन मागे पडण्याचे मुख्य कारण होय. एकच उदाहरण द्यावयाचे तर १२ सिलिंडरांच्या रचनेच्या पश्चाग्र एंजिनात सपाट व गोल जागी मिळून ९० भागांचे घर्षण होते, तर टरबाइन एंजिनात दंडाच्या चार गोलक धारव्यांमध्येच (बेअरिंगांमध्येच) ते होत असते. टरबाइनाचे आणखी फायदे म्हणजे (१) अधिक यांत्रिक कार्यक्षमता, (२) अधिक चांगले स्वाभाविक संतुलन, (३) उत्पाद्य शक्तीला वरची मर्यादा नसणे, (४) दिलेल्या ऊर्जाप्रदानासाठी कमी वजन व तोंडाकडील क्षेत्र, (५) कमी किंमतीच्या इंधनावर चालण्याची क्षमता, (६) वंगण व्यवस्थेतील साधेपणा (क्लिष्टतेचा अभाव) आणि (७) अती उंचीवर एंजिनात निर्माण होऊ शकणाऱ्या अडचणींचा अभाव हे होत. हे टरबाइन विमानांचे मुख्य एंजिन म्हणून प्रचालक विमानात व दुय्यम म्हणून झोत (जेट) विमानात वापरतात. पहिल्या प्रकारात टरबाइनाने पुरविलेल्या शक्तीवर विमानाचा प्रचालक फिरतो (टर्बोप्रॉप) व त्यामुळे विमान चालते, तर दुसऱ्या प्रकारात (टर्बोजेट) टरबाइनाची शक्ती फक्त संपीडक चालविण्यापुरतीच असते व विमानाचे प्रत्यक्ष प्रचालन ज्वलित वायूंच्या विमानाबाहेर हवेत सोडलेल्या झोतामुळे होते. आ. २ मध्ये दाखविलेल्या आलेखांवरून टर्बोप्रॉप व टर्बोजेट जातींच्या विमानांच्या एंजिनांची वेगसापेक्ष कार्यक्षमता (काक्ष.) दाखविली आहे. यावरून दिसून येईल की, टर्बोप्रॉपची काक्ष. ५५० किमी. वेगानंतर कमी होत जाते तर टर्बोजेटची १,२०० किमी. नंतरही वाढतच राहते. पण दोन्ही काक्ष. आलेख सु. ८५० किमी. वेगावर एकमेकांना छेदतात तेव्हा या वेगापर्यंत टर्बोप्रॉप चालविणे नुकसानीचे होत नाही, हे स्पष्ट आहे. टर्बोजेट या वेगानंतरच अधिक कार्यक्षम होते. विमानांचे वेग हे सारखे वाढतच असल्याने दुसऱ्या जातीची विमानेच जास्त प्रभावी ठरतात. अर्थातच कमी अंतराच्या प्रवासासाठी कमी वेगाची विमाने हवीत आणि या कामासाठी टर्बोप्रॉप एंजिनेच वापरात राहतील.
टर्बोजेट एंजिन : या विमान एंजिनाची रचना आ. ३ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे असते. विमान अवकाशात ज्या वेगाने पुढे सरकते त्याच वेगाने हवा एंजिनाच्या मुखात शिरते व विसरकातून (पसरविणाऱ्या भागातून) पुढे संपीडकात जाते. संपीडक अक्षीय किंवा अपमध्य (मध्यापासून दूर ढकलणाऱ्या प्रेरणेचा उपयोग करून हवेचा दाब वाढविणाऱ्या) प्रकारचा असतो. त्यात हवेचा दाब व तापमान ही वाढविली जातात. संपीडक फिरविण्यास लागणारी शक्ती टरबाइनाकडूनच पुरविली जाते [⟶ झोत प्रचालन]. संपीडित हवा ज्वलन कक्षात येते. तेथे इंधन आत सोडले जाते. इंधनाचे ज्वलन होऊन तयार झालेले वायू टरबाइनाच्या पात्यांवरून जातात व टरबाइन फिरते. त्यायोगे त्यास जोडलेला संपीडकही फिरतो. नंतर ते वायू एका प्रोथातून अतिवेगाने वातावरणात जातात. त्यांच्या प्रतिक्रियेमुळे विमान पुढे ढकलले जाते.
विमान स्वनातीत वेगाने (ध्वनीच्या वेगापेक्षा जास्त म्हणजे सु. ताशी १,००० किमी. किंवा अधिक वेगाने) जावयाचे असते तेव्हा हे झोत एंजिन अधिक कार्यक्षम असते. याची काक्ष. वाढविण्यासाठी संपीडन एकाच टप्प्यात न करता दोन किंवा अधिक टप्प्यांत करतात. प्रत्येक दोन टप्प्यांमध्ये शीतक वापरतात. तसेच संपीडित हवेपैकी सर्वच हवा ज्वलन कक्षातून न पाठविता सु. १/४ भाग त्यांतून व ३/४ भाग बाहेरून पाठवितात. नंतर दोहोंचे मिश्रण होऊन ते निष्कास प्रोथाकडे जाते. यामुळे ज्वलन कक्ष लहान होऊन त्याची काक्ष. वाढते व विमानाच्या इंधनात २० ते २५% बचत होते. टरबाइनही दोन किंवा अधिक पदांचे असते. संपीडित हवेचा काही भाग शीतकासाठी वापरतात. हा टर्बोजेट एंजिनाचा एक उपप्रकार असून त्याला बायपास एंजिन म्हणतात.
टर्बोप्रॉप एंजिन : याची रचना जवळजवळ टर्बोजेट एंजिनासारखीच असते. आ. ४ मध्ये या प्रकारचे एंजिन दाखविले आहे. आकृतीत संपीडक चालविणारे व प्रचालक चालविणारे अशी अनुक्रमे उच्च व नीच दाबाची दोन टरबाइने दाखविली आहेत. काही प्रकारांत एकच टरबाइन दोन्ही गोष्टी चालविते, मात्र याची सु. २/३ शक्ती संपीडकाकरिता वापरली जाते. नीच दाबाच्या टरबाइनाचा दंड पुढे वाढवून दंतचक्राद्वारा प्रचालकाच्या दंडाला जोडलेला असतो. त्यामुळे प्रचालक टरबाइनापेक्षा जरूर तितक्या कमी वेगाने फिरून विमानाचे प्रचालन करतो. टरबाइनाचे निष्कासित वायू प्रोथामधून बाहेर हवेत जाताना विमानाला रेटा देतात व त्याचा वेग वाढविण्यास मदत करतात. म्हणून विमान कमी वेगाने (म्हणजे ताशी सु. ५५० किमी.) चालविले, तर निष्कास ऊर्जेचा पूर्ण उपयोग होतो. याउलट जर विमान जास्त वेगाने चालविले तर फारच ऊर्जा प्रोथामधून वाया जाते. साधारणतः कमी वेगासाठी टर्बोप्रॉप व अधिक वेगासाठी टर्बोजेट एंजिने वापरतात.
विमानांच्या एंजिनांचे काही खास प्रकार : टर्बोजेट एंजिनाशिवाय विमानात वापरावयाची काही खास एंजिनेही असून त्यांचे त्रोटक वर्णन खाली दिले आहे.
(१) हेलिकॉप्टर एंजिन : यात दोन प्रकार आहेत, (अ) वायू जनित्र प्रकार : यामध्ये एक वायू टरबाइन दोन संपीडक चालविते. त्यांपैकी एकातील दाबित हवा ज्वलन कक्षात जाते व तेथे इंधनाच्या ज्वलनाने उत्पन्न झालेले वायू दुसऱ्या संपीडकातील हवेत मिसळतात. हे मिश्रण टरबाइन चालविण्यास व झोत निर्माण करण्यासाठी वापरतात. (आ) स्वतंत्र टरबाइन प्रकार : यात हेलिकॉप्टरच्या मुख्य पंख्यात लागणारी शक्ती स्वतंत्र टरबाइनने पुरविली जाते. हे टरबाइन वायू जनित्रातील (टरबाइन-संपीडक जोडी आ. ३. मध्ये दाखविल्याप्रमाणे) निष्कासावर चालते.
(२) डीझेल एंजिन–टरबाइन यांच्या संयोगाने तयार झालेले: डीझेल एंजिनाची काक्ष. ३८ ते ४०% असते, तर वायू टरबाइनाची १६ ते २२% असते म्हणून या दोहोंचे संयोजन करून एंजिनाची काक्ष. ३० ते ३५% पर्यंत ठेवतात. यात टरबाइनाने चालविलेल्या संपीडकाच्या प्रदानाचा काही भाग डीझेल एंजिनाच्या अधिभरणासाठी (एंजिनाची शक्ती वाढविण्याकरिता वाढीव दाबाच्या हवेचा पुरवठा करण्यासाठी) वापरतात आणि राहिलेला भाग डीझेल एंजिनाच्या निष्कासाच्या शीतनासाठी वापरतात. हा शीतित निष्कास टरबाइन चालविण्यासाठी वापरतात.
(३) संयुक्त एंजिन : यामध्ये डीझेल एंजिनाला लागणारी अधिभरण हवा संपीडक पुरवितो. संपीडक टरबाइनाच्या साहाय्याने फिरत असतो व स्वतः टरबाइन डीझेल एंजिनाच्या निष्कास वायूवर फिरविले जाते. टरबाइनात निर्माण झालेल्या शक्तीपैकी काही शक्ती संपीडकास, काही प्रोथास व राहिलेली प्रचालकास पुरविली जाते.
वायू टरबाइनाचा मोटारगाडीत वापर : इंग्लंड-अमेरिकेसारख्या देशांत लांबच लांब उत्तम हमरस्ते उपलब्ध आहेत. तेथे प्रवासी व मालवाहू मोटारींमध्ये डीझेल एंजिनाऐवजी वायू टरबाइन वापरण्याचे प्रयोग सुरू झाले आहेत. फोर्ड कंपनीने जी पहिली गाडी तयार केली आहे, तीत ६०० अश्वशक्तीचे (अश.चे) टरबाइन बसविले आहे. त्यापासून पाच वेगवेगळे वेग त्यात मिळू शकतात. एंजिन व दोन चालकांची जागा असलेला एक वेगळाच डबा मागील मुख्य अनुवाहनाला जोडतात. डब्यात अनेक सुखसोयी उपलब्ध असतात.
ज्या ठिकाणी खूप लांबचा प्रवास सलग व साधारणतः एका ठराविक वेगाने करावयाचा असतो तेथे अशी टरबाइन एंजिने उपयुक्त ठरतात कारण (१) खर्च कमी असतो, (२) वजन कमी असते, (३) अधिक कार्यक्षम असते, (४) आवाज व कंपने कमी असतात आणि (५) शक्तीत फार फेरबदल होत नाहीत.
जनरल मोटार कंपनीने तयार केलेल्या बिसन नावाच्या मालवाहू मोटारीचा पुढील भाग तर थेट विमानासारखा दिसतो. यात दोन टरबाइने असून त्यांपैकी एक १८० अश.चे तर दुसरे ७२० अश.चे अशी असतात. जेव्हा ठराविक वेगाने आणि सपाटीवरील रस्त्याने जावयाचे असते तेव्हा पहिले टरबाइन शक्ती पुरविते. जेव्हा वेग वाढवून चढण चढावयाची असेल तेव्हा दुसरे टरबाइन शक्ती पुरविते. आ.५. मध्ये अशा प्रकारच्या एंजिनाची रचना दाखविली आहे.
मुक्त दट्ट्यांचे एंजिन : मोटारगाडीसाठी या एंजिनाचा विकास करून त्याची उपयुक्तता अजमावण्याचे प्रयत्न चालू आहेत. एका बंद सिलिंडरात एकमेकांजवळ येऊ शकणारे व दूर सरकणारे दोन दट्ट्ये असले म्हणजे हे एंजिन मूलतः सिद्ध होते. साध्या पश्चाग्र गतीच्या डीझेल एंजिनाचे संयोग दांड्यापासूनचे पुढील भाग काढून टाकले, म्हणजे अर्धे व तसेच दुसरे अर्धे मिळून हे एंजिन तयार होते, अशी कल्पना करता येईल. दोन्ही दट्ट्यांमधील जागेत ते जवळ आल्याने हवा संपीडित होईल व त्यात इंधनाचे ज्वलन झाले म्हणजे तेथे वायूंचा दाब वाढेल व दट्ट्ये एकमेकांपासून दूर सरकतील. लगेच त्या वायूचा टरबाइन चालविण्यासाठी उपयोग होतो. यात दोन धावांच्या डीझेल आवर्तनानुसार कार्य होते. दट्ट्ये दूर गेल्यावर त्यांच्या दुसऱ्या टोकाला (आ. ५) जी हवा पूर्वी संपीडित झाली आहे तिच्या दाबामुळे ते जवळ येतात. याला जरी एंजिन म्हणत असले, तरी त्याच्यापासून (आकृतीतील वरचा भाग) प्रत्यक्ष शक्ती घेतली जात नाही. ते फक्त वायुजनन करते म्हणून ते फक्त वायू जनित्रच आहे.
या कल्पनेच्या विकासाला तीतील पुढील फायदे कारणीभूत आहेत : (१) एंजिनाला लागणारी धातू कमी प्रतीची चालते, (२) इंधनात बचत साध्या डीझेल एंजिनापेक्षा
थोडी जास्त व अंशतः भार घेत असताना वायू टरबाइनापेक्षा बरीच जास्त, (३) बऱ्याच निरनिराळ्या प्रकारच्या इंधनांवर चालू शकते आणि (४) वाहनाचे वेग नियंत्रण पीडन परिवर्तक (दंतचक्राप्रमाणे कार्य करणारे साधन) जोडलेल्या साध्या एंजिनाप्रमाणेच झडपेच्या परिचालनाने सोपे असते. पण याच्या विकासात पुढील तोटेही आहेत : (१) त्याचे वजन व व्याप जास्त असतात, (२) इंधनबचतीला एंजिनामधील दाब फार उच्च असावा लागतो, (३) कठीण मुद्रण (झिरपबंदी) खूप घर्षण हानी, (४) वंगणक्रिया अडचणीची, (५) आवाज फार होतो वगैरे.
आकृतीत दोन धावांच्या एंजिनात घडणाऱ्या सर्व क्रिया होण्याची व्यवस्था असल्याचे दिसून येईल. लहान सिलिंडरातील निष्कास व हवा प्रवेश द्वारे (लहान) दट्ट्यांच्या पुढे-मागे होण्यामुळे कार्यान्वित होतात. आकृतीतील टरबाइन वाहन चालविण्यास शक्ती पुरविते. सध्या अशा यंत्रांचा वापर फक्त मोटारी वा ट्रॅक्टरमध्ये प्रयोगादाखल करण्यात येत आहे. कदाचित हे पुढे विमानासाठी वापरले जाण्याची शक्यता आहे.
पहा : जहाजाचे एंजिन टरबाइन वाफ टरबाइन वायु टरबाइन विमानाचे एंजिन.
संदर्भ :
1. Judge, A. W. Gas Turbines for Aircraft, London, 1958.
2. Marter, D. H. Engines, London, 1962.
3. Shepherd, D. G. Introduction to the Gas Turbine, Princeton, 1960.
कानिटकर, गो. चिं.