वाफ टरबाइन

वाफ टरबाइन : वाफ टरबाइन हे वाफेच्या प्रवाहातील औष्णिक ऊर्जेचे चक्रीय गतीच्या स्वरूपातील यांत्रिक शक्तीत रूपांतर करणारे यंत्र वा एंजिन आहे म्हणजे एंजिनाप्रमाणे हा मूलचालकाचाच (नैसर्गिक ऊर्जा उद्‌गमाचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करण्याच्या साधनाचाच) एक प्रकार आहे.

पश्चाग्रगती एंजिनामध्ये (सिलिंडरामध्ये दट्ट्याची मागे-पुढे हालचाल होणे हे वैशिष्ट्य असलेल्या एंजिनात) वाफेच्या स्थितिक दाबामुळे कार्य घडून येते. दट्ट्याबरोबर वाफ ही जरी हालत असली, तरी वाफेतील गतिज ऊर्जेचा अगदी नगण्य उपयोग कार्यनिर्मितीत होत असतो. वाफ टरबाइनामध्ये मात्र उच्च वेगाने वाहणारी वाफ ही एकाचक्रावर बसवलेल्या पात्यांवर आदळते. अशी आदळणारी वाफ ही गतिक दाब निर्माण करते आणि वाफेतील गतिज ऊर्जेमुळे कार्यनिर्मिती होते.

वाफ टरबाइनामध्ये येणाऱ्या वाफेत मोठ्या प्रमाणावर औष्णिक ऊर्जा असते तसेच वाफेचा दाबही जास्त असतो. मात्र वाफेची गतिज ऊर्जा अत्यंत कमी असते. कार्यशक्तीसाठी लागणारी गतिज ऊर्जा वाफेचे प्रसरण करून मिळवितात. ह्या प्रसरणात औष्णिक ऊर्जा ही गतिज ऊर्जेत रूपांतरित होते व वाफेची गती वाढते.

वाफ टरबाइनाच्या रचनेत एका बंद पेटीसारख्या असलेल्या स्थिर कवचात स्वतःच्या अक्षाभोवती फिरणारा एक गोल घूर्णक असतो. घूर्णकाच्या परिघावरील विशिष्ट आकाराच्या पात्यांवरून वाफेचा प्रवाह जाऊ लागला की, घूर्णकाला ऊर्जा मिळून परिभ्रमी म्हणजे फिरती गती प्राप्त होते. टरबाइनाच्या घूर्णकाच्या वेगात सूक्ष्मसुद्धा फरक पडत नाही. त्यामुळे स्थिर (अविचल) स्वरूपाची परिभ्रमी गती मिळणे हे टरबाइनाचे वैशिष्ट्य असते. या कारणासाठी औष्णिक वीजनिर्मितीसाठी मुख्यतः वाफ टरबाइन वापरणे योग्य ठरते. त्यामुळे निर्मित विजेचा दाब आणि कंप्रता (दर सेकंदास होणारी आंदोलनांची संख्या) स्थिर राहतात. पश्चाग्र गतीच्या एंजिनापेक्षा वाफ टरबाइन फारच लहान असून त्याची कार्यक्षमता जास्त असते. जहाजे, चालक (लोकोमोटिव्ह) एंजिने, कापडगिरण्या, साखर व रसायने तयार करण्याचे कारखाने यांत वाफ टरबाइनाचा वापर करतात. अणुवीजनिर्मिती संयंत्रात वाफ टरबाइने मुख्यत्वेकरून वापरावी लागतात. आवेग टरबाइन व प्रतिक्रिया टरबाइन असे दोन मुख्य प्रकार असून त्यांत अनेक उपप्रकार असतात. आवेग (प्रेरणा × काल या राशीचे तत्त्व वापरणाऱ्या) टरबाइनामध्ये स्थिर कवचाच्या आतील परिघी (सीमेवरच्या) भागावर प्रोथमार्ग (वाफ बाहेर जाण्यासाठी असलेले तोटीसारखे मार्ग) ठेवलेले असून त्यांतून जाणारी वाफ घूर्णकाच्या परिघावर बसविलेल्या पात्यांवर आदळून घूर्णक फिरू लागतो. प्रतिक्रिया टरबाइनामध्ये घूर्णकाच्या परिघावर प्रोथ बसविलेले असून त्यांतून वाफ सोडल्याने प्रतिक्रियेने घूर्णक फिरू लागतात. आवेग टरबाइन व प्रतिक्रिया टरबाइन यांच्या कार्यपद्धतींमागील मूलतत्त्वे ‘टरबाइन’ या नोंदीमध्ये आकृत्यांद्वारे विशद केली आहेत.

इतिहास : व्यापारी महत्त्व असलेले पहिले वाफ टरबाइन अमेरिकेत १८३१ मध्ये विल्यम एव्हरी यांनी तयार केले. यात १२ × ८८ मिमी. आयत आकाराचे दोन भुज काटकोनात जोडून एका नळीवर बसवून त्यांतून वाफ सोडतात. भुजांच्या टोकांना ३ × ६ मिमी. गाळ्याची तोंडे बसवून त्यांतून वाफ बाहेर पडताना वाफेच्या प्रतिक्रिया प्रेरणेने भुजांना परिभ्रमी गती मिळते. त्यामुळे यास प्रतिक्रिया टरबाइन म्हणतात. लाकूड कापण्याच्या ५० गिरण्यांसाठी अशी टरबाइने वापरात आली. एकोणिसाव्या शतकाच्या उत्तरार्धापर्यंत यात विशेष सुधारणा झाली नाही. मात्र उत्तरार्धात चार्ल्‌स पार्सन्स यांनी सुधारित बहुपदी टरबाइन बनविले. यात घूर्णकाच्या पात्यांवरून बाहेर पडलेली वाफ क्रमाक्रमाने घूर्णकाच्या अनेक चल कड्यांतील पात्यांवर सोडल्याने प्रसरण पावणाऱ्या वाफेतील ऊर्जेचा संपूर्ण उपयोग करून घेण्यात येतो. यात प्रोथ नसतात परंतु स्थिर कवचाच्या आतील परिघावर मार्गदर्शक (दिशा देणाऱ्या) पात्यांची कडीबसविलेली असतात. उच्च दाबाची बाष्पित्रातील [अखंडपणे दाबयुक्त वाफ निर्माण करणाऱ्या साधनातील⟶ बाष्पित्र] वाफ प्रथम पहिल्या मार्गदर्शक पात्यांच्या कड्यांतून आत येते व घूर्णकाच्या परिघावरील शेजारच्या पात्यांत शिरून त्यांना परिभ्रमी गती देते. नंतर ही वाफ दुसऱ्या मार्गदर्शक पात्यांच्या कड्यांतून घूर्णकावरील दुसऱ्या चल कड्यातील पात्यांत शिरते. अशा क्रमाने वाफ शेवटच्या चल कड्यातील पात्यांतून अक्षीय दिशेने संघनकात (वाफेचे पाण्यात रूपांतर करणाऱ्या साधनात) निष्कासित होते (सोडली जाते). १८८४ मध्ये अशा प्रकारचे पहिले टरबाइन पार्सन्स यांनी बनविले, म्हणून अशा प्रकारच्या वाफ टरबाइनाला पार्सन्स टरबाइन म्हणण्याचा प्रघात घडला. १८८० च्या सुमारास स्वीडिश संशोधक कार्ल जी. पी. द लाव्हाल यांनी दर मिनिटाला ४२,००० फेरे देणारे प्रतिक्रिया टरबाइन बनविले. हे दुधातील मलई काढण्याच्या यंत्रासाठी वापरीत. द लाव्हाल यांनी १८८९ ते १८९७ या काळात टरबाइनावर संशोधन करून निरनिराळ्या अश्वशक्तींची टरबाइने बनविली. आपल्या एकपदी आवेग टरबाइनामध्ये प्रथमच त्यांनी प्रसरण पावणाऱ्या वाफेची संपूर्ण ऊर्जा उपयोगात आणण्यासाठी अभिसारी-अपसारी (वाफ निमुळत्या तोंडातून नेऊन मग पसरट तोंडातून वेगाने सोडणारे) प्रोथ वापरले. १८९६ मध्ये अमेरिकेच्या सी. जी . कर्टिस यांनी द्विपदी आवेग टरबाइन बनवले, तर १८९८ मध्ये फ्रान्सच्या सी. ई. ए. रातो यांनी दाबसंयुत आवेग टरबाइनाचा विकास केला.

द लाव्हाल यांनी बनविलेल्या टरबाइनाच्या पात्यांतून निष्कासित होणाऱ्या (बाहेर पडणाऱ्या) वाफेचा वेग सापेक्षतया बराच असतो व त्यामुळे तदंतर्भूत ऊर्जा वाया जाते. हा दोष काढून टाकण्यासाठी कर्टिस यांनी घूर्णकावर पात्यांची जादा कडी अशा प्रकारे बसविली की, पहिल्या व दुसऱ्या चल कड्यांनंतर एक स्थिर कडे असेल. त्यामुळे वाफेला जरूर तशी दिशा मिळून वाफेचा दाब सर्वत्र सम (एकसारखा) राहतो आणि वेग मात्र कमी कमी होत जातो. यास वेग-आवेग टरबाइन असे म्हटले जाते. रातो यांनी आपल्या दाबसंयुत आवेग टरबाइनामध्ये प्रोथांच्या पहिल्या रांगेत वाफेचा दाब एकदम निष्कासनाच्या दाबाइतका कमी न करता हळूहळू अनेक पदांच्या (टप्प्यांच्या) साहाय्याने कमी करण्यात यश मिळविले. प्रोथांचे कडे व त्याच्या शेजारचे पात्यांचे चल कडे मिळून एक पद होते. अशा प्रत्येक पदानंतर एक पडदा बसवावा लागतो. याची कार्यक्षमता वेग-आवेग टरबाइनापेक्षा थोडी जास्त असते. १९१० मध्ये यंगस्ट्रॉम यांनी द्विप्रवाही अरीय (त्रिज्यीय) प्रतिक्रिया टरबाइन बनवले. यात वाफेचा प्रवाह टरबाइन अक्षाच्या काटकोनात वाहतो. इतर टरबाइनांमध्ये तो अक्षाच्या समांतर दिशेत वाहतो. १९२० पर्यंत सर्व वीजनिर्मिती केंद्रांत वाफ टरबाइने ही प्रमुख मूलचालक म्हणून वापरली जाऊ लागली. साधारणतः वाफेचा दाब १४ बार (१ बार = १०^५ पास्काल = १०^५ न्यूटन/चौ. मी.), ३००^० से. तापमान व ५०० ते ३,००० किवॉ. क्षमता अशी त्यांची सर्वसाधारण परिमाणे होती. १९३० च्या सुमारास ही परिमाणे ५० ते ८० बार दाब, ४००^० से. तापमान व १५,००० ते ७५,००० किवॉ. क्षमतेपर्यंत वाढली. १९५७ मध्ये पहिले अधिक्रांतिक टरबाइन तयार झाले. त्यासाठी वाफेचा दाब ३०० बार व तापमान ५५०^० ते ६००^० से. एवढे होते व त्याची क्षमता १,२५,००० किवॉ एवढी होती. सर्वांत मोठे टरबाइन१०,००,००० किवॉ.क्षमतेपर्यंत तयार केले गेले आहे.  दुसऱ्या महायुद्धानंतर अणुशक्तीवर चालणाऱ्या पाणबुड्या [⟶ पाणबुडी]बांधण्यात आल्या. त्यांत अणुभंजनाच्या (अणुकेंद्रकाचे विभाजन होण्याच्या क्रियेच्या) उष्णतेने पाण्याची वाफ करून तीवर वाफ टरबाइन चालवितात. टरबाइनामध्ये गतीच्या नियंत्रणासाठी त्याच्या रचनेत नियंत्याची (गव्हर्नराची) व्यवस्था केलेली असते.

टरबाइनाची रचना : कमी वा निम्न दाबाच्या टरबाइनाचे कवच ओतीव बिडाचे असते, तर उच्च दाबासाठी ते ओतीव पोलादाचे असते. या कवचाचे लांबीच्या दिशेत दोन भाग केलेले असून वरचा व खालचा भाग बोल्टांनी एकत्र पक्का जोडतात. यामुळे वरचा भाग सुटा केल्यावर घूर्णकाची तपासणी अथवा दुरुस्ती करणे सुलभ होते. या कवचाच्या आतील परिघावर अंगची प्रोथांची किंवा पात्यांची कडी ठेवलेली असतात. कवच स्थिर राहते. अशा प्रोथांचे कार्य वाफेचे प्रसरण करणे व अशा पात्यांचे कार्य वाफेला मार्गदर्शन करणे असते. या कवचात धारव्यांच्या आधाराने घूर्णक फिरता ठेवलेला  असतो [⟶ धारवा]. घूर्णक बहुधा शंक्वाकृती असून त्यांच्या परिघावरच अंगच्याच पात्यांच्या कड्यांच्या रांगा ठेवलेल्या असतात. टरबाइनाच्या कवचात एका टोकाकडून शिरणाऱ्या वाफेचे तापमान ५४०^० ते ५६५^० से. असते व दाब १०० ते १२५ बार असतो. टरबाइनामध्ये वाफ घुसताना तिचे प्रसरण केले गेल्याने तिची गतिज ऊर्जा वाढते. हे प्रसरण एक हजारपट होते. दर ताशी साधारण १,६१० किमी. वेगाने ही वाफ पात्यांवर जाऊन आदळते व त्यामुळे घूर्णकास परिभ्रमी गती मिळते. पात्यांवरून जाताना वाफेचे प्रसरण होते. त्यामुळे वाफेचे घनफळ वाढते. वाढत्या घनफळाला सामवून घेण्यासाठी कवच मोठे मोठे होत जाते व त्याचा आकार वाढत जाणाऱ्या शंकूप्रमाणे होतो. त्यामुळे पात्यांची किंवा प्रोथांची कडी मोठी होत जातात. काही टरबाइनांमध्ये शेवटच्या कड्यानंतर वाफ बाहेर सोडून देतात. त्यास संघनकरहि त टरबाइन म्हणतात. संघनकसहित टरबाइनामध्ये अशी वाफ शेवटी संघनकात सोडून पाण्याच्या फवाऱ्याने थंड करतात व जमा झालेले संघनित वाफेसाठी पुन्हा वापरतात. संघनकातील निर्वात अवस्थेमुळे टरबाइनामध्ये वाफ खेचून घेण्यास मदत होते [⟶संघनक]. आ. १ मधील टरबाइनाने जहाजांचे प्रचालक [मळसूत्राकार पंखे ⟶ जहाज] फिरविले जातात तसेच विद्युत् जनित्रे व पंपही [⟶ पंप] चालविले जातात. [⟶ टरबाइन] .

वाफ आवर्तने : रँकिन आवर्तनावर [आ. २ (अ)] चालणाऱ्या टरबाइनामध्ये वाफ, तिच्या निर्मित दाबाची व तापमानाची सोडलेली असते. पुनर्तप्त वाफ आवर्तनावर [आ.२(आ)] चालणाऱ्याटरबाइनामध्ये सुरुवातीच्या पदांतून वाफ गेल्यावर ती उष्णता विनिमयकात (दोन द्रायू-द्रव किंवा वायू-एकमेकांपासून अलग ठेवून अधिक तापमानाच्या द्रायूतील उष्णतेने कमी तापमानाच्या द्रायूला तापविणाऱ्या साधनात) आणली जाते व तिचे तापमान वाढवून नंतर ती राहिलेल्या पदांतून सोडण्यात येते. त्यामुळे कार्यक्षमता वाढते. पुनरुत्पादनित वाफ आवर्तनात [आ. २ (इ)] टरबाइनाच्या निष्कासित वाफेने बाष्पित्राचे संभरण जल (पुरविण्यात येणारे पाणी) तापकात वाफ सोडून तापविले जाते. निःसारण वाफ आवर्तनात टरबाइनाची निष्कासित वाफ अन्य कार्यासाठी वापरण्यात येते. आ. २. मध्ये अशी वाफ आवर्तने दाखविली आहेत. [⟶ वाफ एंजिन].

बहुप्रवाही टरबाइन संच : अशा टरबाइनात वाफ प्रथम उच्च दाबाच्या संचात सोडली जाते. नंतर ती विभागून निम्न दाबाच्या दोन किंवा अनेक संचांत सोडली जाते. अशा काही टरबाइनांत उच्च दाब व निम्न दाब संच एकाच दंडावर बसविलेले असून त्यांचे कवच एकच असते. यात समांतर द्विप्रवाही, विरुद्ध द्विप्रवाही आणि अर्ध-द्विप्रवाही असे बहुप्रवाही टरबाइन संच प्रकार असतात परंतु काही टरबाइनांत उच्च दाब व निम्न दाब संचांची कवचे निराळी असून त्यांचे दंडही स्वतंत्र असतात. अशा टरबाइनांना संयुक्त टरबाइन संच म्हणतात. आ. ३ मध्ये असे प्रकार दाखविले आहेत.

बहुतेक सर्व टरबाइने अक्षीय प्रवाहाची असतात. अरीय प्रवाहाच्या टरबाइनाचे एकमेव उदाहरण यंगस्ट्रॉम या स्वीडिश बंधूंनी तयार केलेल्या टरबाइनांचे आहे. आवेग व प्रतिक्रिया प्रकार एकत्र करून काही टरबाइने तयार करण्यात आलेली आहेत. वाफ घूर्णकावरील पात्यांच्या कड्यांतून जाताना तिची दिशा बदलते व त्यामुळे वाफेच्या संवेगात फरक पडतो. परिणामतः न्यूटन यांच्या गतिविषयक द्वितीय नियमानुसार तज्जनित प्रेरणा पात्यांना मिळून घूर्णकाला परिभ्रमी गती मिळते. [⟶ यामिकी].

टरबाइनाचे वेगनियंत्रण : यासाठी टरबाइनाच्या मुख्य दंडालाच एक नियंता जोडलेला असतो. हा यांत्रिक पद्धतीचा फिरत्या गोलकांचा किंवा केंद्रोत्सारी पंप असलेल्या द्रवीय पद्धतीचा असतो. याने वाफ पुरवठ्याच्या झडपेचे नियमन केले जाते. टरबाइनाची गती ठराविक मर्यादेपुढे जाऊ न देणे, हे याचे कार्य असते. काही कारणाने टरबाइनावरील भार अकस्मात नाहीसा झाला, तर टरबाइनाचा वेग धोक्यापलीकडे जाऊ नये यासाठी दुसरा स्वतंत्र नियंता बसविलेला असून तो क्षणातच वाफझडप बंद करतो [⟶ गतिनियंता]. टरबाइनाला वंगण पंपाने पुरवितात. टरबाइन संचातील उच्च दाबाच्या टोकाकडून वाफ बाहेर निसटू नये व निम्न दाबाच्या टोकाकडून हवा आत येऊ नये म्हणून कवचाच्या दोन्ही टोकांशी घूर्णकाच्या दंडाच्या-भोवती कार्यक्षम भरण (यंत्रातील सांध्यापाशी गळती रोखण्यासाठी वापरण्यात येणारी प्रयुक्ती) बसवितात.

उपयोग : ज्या यंत्रांना चक्रीय गतीच्या द्वारे शक्ती (ऊर्जा) पुरवावी लागते अशा ठिकाणी वाफ टरबाइन हे एक उपयुक्त व आदर्श मूलचालक आहे. केंद्रोत्सारी पंप, संपीडक, जहाजाचे प्रचालक आणि सर्वांत महत्त्वाचे म्हणजे वीजनिर्मिती संयंत्रे ही त्यांच्या उपयोगाची काही उदाहरणे आहेत.

काही उद्योगधंद्यांना तापन व प्रक्रिया (संस्करण) कामांसाठी निरनिराळ्या दाबांची (व तापमानांची) वाफ लागते. बऱ्याच वेळा ही लागणारी वाफ जास्त दाबाखाली तयार करतात. ती वाफ निःसारण टरबाइनामध्ये पाठवून तिचे प्रसरण करतात आणि टरबाइनाच्या निरनिराळ्या टप्प्यांमधून (पदांमधून) लागेल तशी वाफ प्रक्रियेसाठी घेतात.

औद्योगिक टरबाइने जरूर लागेल त्या आकारमानांची व क्षमतेची बनवतात. १४ मेगॅपास्काल दाब व ५४०^०से. तापमानापर्यंत ती बनवली जातात.

७५,००० अश्वशक्तीपेक्षा (५६ मेगॅवॉट) मोठी टरबाइने जहाज प्रचालनासाठी वापरतात. त्यांचा वेग मिनिटाला ४,००० ते १०,००० फेरे एवढा असतो. जहाजाच्या प्रचालकांसाठी मिनिटाला ५० ते २०० फेरे एवढाच वेग लागतो. त्यामुळे न्यूनीकारक दंतचक्र मालिका वापरून वेग कमी करावा लागतो. अशा संयंत्रासाठी वाफेचा दाब १० मेगॅपास्कालपर्यंत असून तापमान ५१०^० से. पर्यंत असते.

वीजनिर्मिती केंद्रातील टरबाइने खूपच मोठी असतात. ५० मेगॅवॉटपेक्षा लहान आकारमानाची टरबाइने सहसा वापरत नाहीत, तर मोठे संच १,३०० मेगॅवॉटपर्यंत असू शकतात. त्यात कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी आणि वाफेचा कार्यक्षम रीतीने उपयोग करण्यासाठी खालील गोष्टी वापरतात : (१) बाष्पित्राला पुरविलेले पाणी तापवण्यासाठी वाफ वापरतात. (२) वाफेचे पुनर्तापन करतात ह्यात पुनरधि-तापनही करतात. (३) वाफेचे कमीत कमी दाबाखाली उत्सर्जन करतात. ह्या टरबाइनाला वापरल्या जाणाऱ्या वाफेचा दाब १२ – २४ मेगॅपास्कालपर्यंत असतो व तापमान ५१०^०–५७०^० से. पर्यंत असते.

अणुकेंद्रीय वीजनिर्मिती टरबाइनात वाफेचा दाब कमी असतो (७ मेगॅपास्काल) व तापमान ३००^० से. पेक्षा सहसा जास्त नसते. अणु-भट्टीमुळे वाफेचे पुनर्तापन करता येत नाही. त्यामुळे वीज कमी प्रमाणात निर्माण होते. अणुकेंद्रीय वीजनिर्मिती टरबाइने दगडी कोळसा, खनिज तेल, नैसर्गिक वायू ही इंधने वापरणाऱ्या टरबाइनांपेक्षा जास्त मोठी, खर्चिक व अवजड असतात.

पहा : जल टरबाइन टरबाइन टरबाइन प्रचालन वाफ वाफ एंजिन वायु टरबाइन.

संदर्भ : 1.   Avallone,  E. A. Baumeister, T., Eds., Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, New York, 1987.

           2. Bartlett, R. L. Steam Turbine Performance and Economics, New York, 1958.

           3. Low, D. A. Heat Engines, London, 1961.

           4. Salisbury, J. K. Steam Turbines and Their Cycles, New York. 1950.

ओगले, कृ. ह. ओक, वा. रा. दीक्षित, चं. ग. टुमणे, उ. शं.

“