پارسون و توربین بخار

در آخرین دوره ی ده ساله ی قرن نوزدهم روش انتقال و استفاده از جریان الکتریسته به طور قاطع معین شده بود. ما بیش از این درباره ی توسعه ی این موضوع که موجب انتشار خارق العاده ی الکتریسیته، به صورتی که امروزه در اختیار ماست، گردید گفتگو نخواهیم کرد، بلکه اکنون رهسپار مراکز تولید نیرو می شویم و این موضوع را مطالعه می کنیم که ایجاد این محصول چگونه و ترقیات تولید از چه قرار بوده است.
بلی، آنچه گفتیم حقیقت دارد: دستگاههای مولد جریان متناوب غرش می کردند و با سرعتهایی که بیش از پیش افزایش می یافت می چرخیدند و قدرتهایی که هر آن در ازدیاد بود به وجود می آوردند. اما واقعاً چگونه این دستگاهها را به چرخش در می آوردند؟
پر واضح است، به مدد ماشین بخار. اما طولی نکشید که متوجه شدند که هرقدر هم که ماشین قدیمی وات کامل و مجهز باشد باز هم به محض اینکه دستگاه های دوار بیش از چهارصد بار در دقیقه دوران می کنند، از نفس می افتد و از کار باز می ماند.
در این اوقات در ایرلند مردی ازخاندان اشراف به نام کنت دوروس Conte de Rosse می زیست که از لذات مجالس معاشرت دست برداشته و به سوی شادی های جدی تری روی آورده بود و اوقات خود را به کار دانش نجوم صرف می کرد. این شخص با دست خود تلسکوپ عظیمی ساخته بود که بزرگترین تلسکوپ جهان بود و به مدد آن می توانست با رعایت انصاف، هم ذوق خویش را برای مطالعه ی دانش ستارگان اقناع کند و هم از میل وافری که به خورده کاری های مکانیکی داشت پیروی نماید. چون چارلز پارسون charles Parsons (1854-1931). جوان به وسیله ی پدری تربیت شده بود که همواره سوهان در دست داشت، بنابراین کم کم در خود او نیز ذوق مکانیک ایجاد شد و هنگامی که ساعت انتخاب مشغله ای، برای وی، فرا رسید با نهایت میل وجود خویش را صرف کارهای مکانیکی کرد.
مهندس جوان مزبور از بیست و دو سالگی مصمم شد که اوقات خود را صرف تکمیل ماشین بخار کند. هر قدر که این ماشین به نظر رفقا و همکاران او کامل می رسید، در نظر او چنین نبود و وی نقایص بسیاری در آن می دید که بیشتر جنبه ی نقیصه ی ارثی داشتند و بنابراین می بایست به اقدامی اساسی پرداخت. با واردترین و محسوس ترین این نقایص طبعاً حرکت متناوب این ماشین بود! واقعاً، اگر درست فکر کنیم آیا این موضوع از لحاظ مکانیک کفر مطلق محسوب نمی شود که یک سلسله اسباب و ادوات سنگین وزن را، از قبیل سمبه و میله و چرخ طیار، با سرعت بسیار در ستمی به حرکت در آوریم و آنگاه به وضعی ناگهانی همه ی آنها را متوقف سازیم و بعد از کسری از ثانیه تمام آنها را با همین سرعت در جهت خلاف اولی به حرکت وا داریم؟
خوب است قدری فکر کنیم که این ضربات متوالی و این توقف های ناگهانی چه صدمه ای به دستگاه وارد می کند!
اولین ایجاد کنندگان ماشین بخار از این نقیصه ی موروثی بی اطلاع نبودند. آنان بارها این سؤال را پیش خود مطرح کرده بودند که آیا نمی توان به جای این حرکت متناوب و انفصالی، حرکتی دورانی و متصل پدید آورد که در این صورت موجب ازدیاد سرعت ماشین و نرمی حرکت و نقصان سروصدا و ضربات نیز بشود؟ براماه Bramah که در فصل های گذشته او را معرفی کردیم و سپس چندین نفر دیگر، تا سال 1847 کوشش کردند که حرکت رفت و آمدی سمبه را که موجب این کار بود از بین ببرند و محیطی متصل و مناسب برای آن ایجاد کنند که به حرکت دورانی بپردازد و در این کار توفیق یافتند، اما تقدم وسایل ایشان و افضلیت آنها تا حدی نبود که ماشین وات را به کلی منخسف سازد.
در این هنگام دو نفر فرانسوی به نام رئال Real و پیشون Pichon (1827) از مشاهده ی ائولی پیل هرون به این فکر افتادند که بهتر است سمبه ی دوار براماه را کنار بگذاریم و به جای آن دستگاهی از چرخهای پره دار ایجاد کنیم که بر اثر فشار بخار به دوران در آیند.
راه جدیدی که آشکار شده بود بیش از راه سابق نویدهای فرح بخش می داد و گروهی از مخترعان فرانسوی و انگلیسی، ابتدا از اوبانک Ewbank (1836) و انتهی به کوتلر Cuttler (1876) در این راه سیاحت فراوان کردند، اما آنان نیز با عدم توفیق قطعی مواجه شدند. علت این عدم توفیق آن بود که قوانین نظری لازم برای بهره برداری مفید از بخار، در ماشین های عادی، از مدتها قبل تمام و کمال تنظیم شده بود و از آن اطلاع کافی داشتند و حال آنکه هیچ گونه قانونی برای حرکات این سیاله در داخل توربین وضع نشده بود و نتیجه ی این نادانی آن می شد که حرکات و ضربات شدیدی ایجاد می شد و بخار به خارج فرار می کرد و ماحصل همه ی اینها بازده رقت آوری بود.
در سال 1876 که پارسون در این خط به حرکت درآمد وضع کار به قراری بود که شرح دادیم. صنعتگر جوان خوب حدس زده بود که این نوع موتور چه آینده ی روشنی در پیش دارد و پیش بینی کرده بود که چه اهمیتی برای حرکت دادن دیناموها به دست خواهد آورد. به منظور اصلاح موتورهای مزبور دستگاهی به صورت زیر به وجود آورد: دو استوانه که دارای محور مشترکی بودند در نظر گرفت به طوری که استوانه ی خارجی ثابت بود و استوانه ی داخلی می توانست به دور محور خود دوران کند. بر استوانه ی متحرک پره هایی نصب کرده بودند و این پره ها از داخل پره های ثابتی که بر استوانه ثابت نصب شده بود می گذشتند.
به این طریق هنگامی که بخار وارد در دستگاه می شد، پره های ثابت آن را هدایت می کردند و فشار آن را بر پره های متحرک وارد می ساختند و استوانه ی داخلی شروع به دوران می کرد. این توربین یکی از انواع توربین هایی بود که با خاصیت عکس العمل کار می کردند و تأثیر خارق العاده ی آن فقط محصول هوش و دانایی سازند در انجام تجارب عملی نبود بلکه وی تمام قوانین نیروی زنده و فشار و انبساط بخار را در ساختمان آن در نظر گرفت.
اولین توربین پارسون در سال 1884 ساخته شد. این توربین 10 اسب قدرت ایجاد می کرد و با سرعت 18000 دور در هر دقیقه می چرخید. اولین کاری که مخترع مزبور انجام داد آن بود که توربین خود را به مولد الکتریسیته ای متصل کرد و خوب می توان حدس زد که ناگهان بازده این مولد به چه نسبتی افزایش یافت. مجموعه ی مولد مزبور و توربین که آن را توربو ژنراتور Turbo- generateut می نامیدند در آن هنگام برای ایجاد یک کیلووات ساعت کار احتیاج به 90 کیلوگرم بخار داشت، اما به تدریج که پارسون دستگاه خود را تکمیل و اصلاح می کرد، مصرف مزبور با سرعت بسیار نقصان می یافت.
در سال 1887 به 25 کیلوگرم رسید، در 1892 بیش از 12 کیلوگرم نبود و... و در حدود سال 1910 توربین هایی وجود داشت که مولدهای جریان متناوب را به حرکت در می آوردند و به ازای 500 کیلووات ساعت فقط احتیاج به چهار کیلوگرم بخار داشته اند.
مورد استعمال عظیم دیگری که پارسون برای اختراع خود در نظر گرفت موضوع حرکت دادن کشتی ها بود. در سال 1897 وی توربینی به قدرت 2300 اسب را بر کشتی کوچکی معادل 44 تن که نام آن را توربینیا Turbinia گذاشته بودند مستقر ساخت و کشتی مزبور با سرعت 34 گره دریایی به حرکت در آمد. توربینیا توانست با چابکی بی مانند از تمام ناوشکن های سریع السیر نیروی دریایی انگلیس جلو بیفتد! به طوری که چند سال بعد از آن این روش تعمیم بسیار یافت. در سال 1907 آن را برای دو کشتی بزرگ موره تاینا و لوزی تاینا به کار بردند اما سرعت دوران را به وسیله ی چرخ های در هم به 187 دور در هر دقیقه تقلیل دادند.
اما در این هنگام دیگر توربین پارسون تنها دستگاهی نبود که زندگی را بر ماشین سمبه دار وات تحمل ناپذیر می ساخت:
مهندسی سوئدی به نام گوستاو دو لاوال Gustave de Laval (1845-1913) در سال 1890 توربینی با روش دیگر ساخته بود. این شخص دیگر نیروی بخار را بر پره های استوانه وارد نمی کرد بلکه این نیرو را در امتداد خط تماس بر روی چرخ ساده ای وارد می آورد. طبق قوانین مکانیک می بایست سرعت این چرخ تقریباً معادل با نصف سرعت مولکول های بخار باشد و چون این مولکولها بیش از هزار متر در هر ثانیه حرکت می کردند چرخ مزبور با سرعت های حیرت انگیز به دوران در می آمد که گاهی تا سی هزار در هردقیقه می رسید.
اما برخلاف توربین پارسون که گاهی تا 10 هزار اسب قدرت تولید می کرد، توربین لاوال فقط برای ایجاد قدرتهای متوسط به کار می رفت. امروزه هر جا در صنعت می خواهند از نیروی گریز از مرکز استفاده کنند توربین لاوال را به کار می برند و از جمله در ماشین های کره سازی مورد استعمال دائمی دارد.
یکی از بزرگترین مهندسان فرانسوی به نام اوگوست راتو Auguste Rateau (1863-1930) به فکر افتاد که روش پارسون و روش لاوال را با هم تطبیق دهد به طوری که بتواند از مزایای هر دو آنها استفاده کند و معایب هر کدام را رفع نماید. به این منظور در سال 1902 بر روی یک محور، چندین چرخ لاوال مستقر ساخت که پره های آنها عیناً پره های توربین لاوال بودند و به این طریق توربین هایی ساخت که آنها را چند سلولی می نامند و در عین حال که به سرعتهای کمتری قانع هستند (750 تا 3000) دور در هر دقیقه می توانند انواع قدرتهای متفاوت را به وجود آورند. آنگاه این توربین ها را برای یک سلسله موارد استعمال های صنعتی متفاوت به کار برد و انواع بادبزن های صنعتی، تلمبه ها و چرخهای فشار و غیره ساخت. و از همه مهمتر توانست به این وسیله توربینهای فشاری خاص هواپیمایی را بسازد که موتورهای هواپیما را برای پرواز در ارتفاعات بزرگ آماده می سازند. راتو اختراع خود را هنگام جنگ اول بین المللی تکمیل کرد، اما همین دستگاه در مدت جنگ دوم بین المللی موجب پیدایش توربین های با گاز گردید.

فورنیرون و توربین هایی که با فشار آب کار می کنند

در حالی که متخصصین الکتریسیته دائماً در جستجوی موتورهایی بودند که بتواند دیناموها و مولدهای جریان متناوب را با سرعت بیشتری بچرخاند، این نکته عجب می نمود که توجه آنان اصلاً متوجه وسیله ای نشود که از قرون وسطی به بعد شایع ترین راه برای ایجاد حرکت در ماشین ها بوده است: این وسیله عبارت از چرخ قدیمی آسیاب بود.
در طی این کتاب چندین بار متوالی از توسعه ی نقش انرژی سقوط آب گفتگو کرده ایم؛ این انرژی که اول بار فقط برای آرد کردن گندم به کار می رفت، بعدها در آسیاب روغن کشی، دستگاه تهیه ی کاغذ، غلطک های صاف کردن پارچه، حرکت دادن دم های آهنگری و تغییر مکان پتک های بزرگ به کار رفت و بزرگترین افتخار وقتی نصیب آن گردید که ماشین مشهور مارلی ساخته شد. اما با وجود همه ی این موارد استعمال باز هم چرخهایی که با انرژی آب کار می کردند ماشین هایی بودند که بر قانون و قاعده ی علمی معین استوار نمی گشتند و بازده آنها ناچیز بوده است. حتی در ابتدای قرن نوزدهم و حتی در زمانی که این چرخها را به طور افقی در جریان آب قرار دادند هرگز بازده عمل آنها از 25 درصد تجاوز نکرد.
در این اوقات گفتگویی از الکتریسته در میان نبود و با این حال مزایای انرژی آب با نهایت وضوح به نظر هرکس می رسید: این انرژی اصلاً قیمتی نداشت، در دسترس همه کس قرار می گرفت و هرگز خشک و نابود نمی گردید، در این صورت چگونه ممکن بود که چنین منبع زرخیزی را بلا استفاده باقی گذارند؟ مسلماً هر کسی اغوا می شد به اینکه انرژی مجانی مزبور را به جای زغال، که چیز گران قیمتی بود، به کار برد، البته به شرط آنکه در نتیجه ی این تعویض در میزان محصول نقصانی حاصل نگردد. این توضیح خود روشن می سازد که به چه دلیل می بایست چرخهای مزبور را با نهایت دقت اصلاح کنند.
به منظور چنین اصلاحی اول قدم لازم آن بود که طرز عمل چرخهایی را که در معرض جریان آب قرار می گرفتند از نظر علمی مورد مطالعه قرار دهند. مسئله این بود که می بایست از چیزی که تا آن هنگام فقط طبق عادات و سنت ها و دستورهای دوران گذشته عملی می شد، دستگاهی بسازند که صورت منطقی و قابل استفاده داشته باشد و اجزای آن چنان حساب شوند که حداکثر استفاده ی ممکن از انرژی سقوط آب حاصل شود. این مسئله تا آن روز مورد توجه اولر، دانیل برنولی، مهندسین فرانسوی هانری پیتو Henripitot (1695-1771) و برنار فورست دو بلیدور Bernard Forest de Belidor (1698-1761) ، ژزوئیت ریاضی دان شارل بوسو Charles Bossut (1814-1730) و مهندس ایتالیایی ژان باتیست وانتوری Jean- Baptiste Venturi (1746-1822) واقع شده بود. مهندس فرانسوی دیگری به نام کلود بوردن Claude Burdin (1790-1873) نیز از سال 1824 به این موضوع علاقمند شد. از این زمان معلوم گردید که باید چرخ قدیمی آسیاب را به کلی کنار گذاشت و جای آن را به مکانیسم دیگری واگذار کرد که بر اساسی مطلقاً متفاوت متکی باشد.
طبق پیشنهاد بوردن قرار شد که نام چنین دستگاهی را «توربین» بگذارند. اختصاص توربین آن بود که آب بر روی آن فقط به کمک وزن خود عمل نمی کرد بلکه به خصوص به وسیله ی سرعت خویش در آن مؤثر واقع می شد. یکی از شاگردان بوردن به نام بنو آفورنیرون Benoit Fourneyron (1802-1867) اولین نمونه ی این توربین را در سالهای 1832 تهیه کرد. توربین فورنیرون عبارت از چرخی بود که قطر آن از چندین ده سانتیمتر تجاوز نمی کرد. در طول محیط این چرخ پره هایی قرار داده بودند که شکل هندسی خاص و معینی داشته اند. می بایست آب را با حداکثر سرعت ممکن بر این چرخ وارد کنند و در نتیجه ملاحظه شد که می توان به طور عادی بازدهی تا 70 درصد به دست آورد؛ به این طریق توربینی به قطر 32 سانتیمتر که انرژی سقوط جریان آبی را از ارتفاع 114 متری دریافت می کرد، قدرتی معادل 60 اسب بخار به وجود می آورد.
اختراع فورنیرون شهرت و موفقیت بسیار به دست آورد و پس از چند سال در ممالک بسیار متداول شد. با این حال توربین مزبور جز نقطه ی عزیمتی محسوب نمی شد و مهندسین بسیار از اکناف ممالک مختلف پیشنهادهای فراوان برای اصلاح آن دادند. این توربین اصولاً تشکیل می شد از دو تاج متحدالمرکز که یکی از آنها (تاج خارجی) ثابت و دیگری متحرک بود و بر هر دو آنها پره هایی نصیب می کردند. مکانیسین فرانسوی پی یر فونتن بارون Pierre Fontaine- Baron (1809-1895). در سال 1836 یکی از این دو تاج را بر روی دیگری قرار داد و به این طریق توربینهایی را به وجود آورد که به توربین محوری Turbine axiale موسومند. این توربین سالهای متمادی دوران خدمات شرافتمندانه ای را در مؤسسات صنعتی گذرانید و صور دیگر آن نیز که به وسیله ی ژونوال Jonval (1843) و دومی نیک ژیرار Dominique Girard تهیه شدند (1850) مصدر خدمات مهمی گشتند.
مرحله ی جدیدتر توربین های آبی مربوط به همین سال 1850 می باشد و آن هنگامی بود که جیمز فرانسیس James Francis انگلیسی (1892-1815) مزایای توربین های شعاعی را بر توربین های محوری ثابت کرد (1). فایده ی توربین های اخیر آن بود که می توانستند در عین حال آنها را هم به وضع افقی و هم به صورت قائم در زیر آبشار قرار دهند و گذشته از آن بازده ماشین خیلی بیشتر از توربین های محوری بود. در قرن بیستم توربین فرانسیس را در تمام آبشارهایی که ارتفاع آنها متوسط و در حدود چندین ده متر بود به کار بردند (2).
از هم اکنون این موضوع را متذکر شویم که در سال 1875 لستر آلن پلتون Lester Allen Pelton (1829-1918) توربین دیگری را به تصور در آورد که به خصوص در ارتفاعات بسیار قابل استفاده است: این توربین عبارت از چرخ ساده ی پره داری است که به صورت قائم قرار می دهند و با سرعت بسیار دوران می کند (3). سی سال بعد از آن تاریخ ویکتور کاپلان Victor Kaplan اطریشی (1934-1876) توربین های پروانه دار را اختراع کرد که به خصوص در ارتفاعات بسیار کم و در مواردی که آب رودخانه ای زیاد است به خوبی به کار می رود (4).

پی نوشت ها :

1- در توربین های محوری رشته های آب از محور دوران توربین دور نمی شوند؛ اما در توربین های شعاعی این رشته ها در داخل صفحه ای عمود بر این محور به حرکت دورانی در می آیند، به طوری که در بعضی از انواع آن (مانند توربین فوریرون) به تدریج از این محور دور می شوند، اما در بعضی از انواع دیگر (مانند توربین فرانسیس) به سوی محور نزدیک می گردند.
2- به عنوان مثال سد بور Bort را ذکر می کنیم که مجهز به دو توربین فرانسیس با محور قائم است و هر یک از این دو توربین 136000 اسب بخار قدرت ایجاد می کنند.
3- به عنوان مثال، در سد تینی- مالگوور، مرکز نیروی برق مجهز به چرخهای پلتون است که با سرعت 428 دور در هر دقیقه دوران می کنند و قدرتی معادل 50 هزار اسب بخار ایجاد می نمایند.
4- به عنوان مثال در مرکز نیروی برق آندره بلوندل (واقع در ناحیه ی دونزر- موندراگون در فرانسه) پروانه ی کاپلان بیش از 6 متر قطر و 120 تن وزن دارد و قدرت حاصل معادل 70 هزار اسب بخار است.

منبع: روسو، پی یر، تاریخ صنایع و اختراعات، حسن صفاری، تهران: امیر کبیر، چاپ هشتم، 1390.