বাষ্পীয় টার্বাইন

বাষ্পীয় টার্বাইন (ইংরাজি ভাষায়: Steam turbine) এক ধরনের যন্ত্র যা উচ্চ চাপবিশিষ্ট জলীয় বাষ্প থেকে তাপশক্তি শুষে নিয়ে সেটিকে ঘূর্ণন গতিশক্তিতে রূপান্তরিত করে। আধুনিককালে বাষ্পীয় টার্বাইন বলতে যে যন্ত্রটিকে বোঝায়, ইংরেজ বিজ্ঞানী স্যার চার্লস পার্সন্স ১৮৮৪ সালে সেটি উদ্ভাবন করেন। 
ঘূর্ণন গতিশক্তি উৎপাদন করে বলে বাষ্পীয় টার্বাইন বৈদ্যুতিক জেনারেটর চালনার জন্য খুবই উপযোগী। সারা বিশ্বের প্রায় ৮০% বৈদ্যুতিক জেনারেটরে তাই বাষ্পীয় টার্বাইন ব্যবহার করা হয়।
বাষ্পীয় টার্বাইন হল এক ধরনের তাপ ইঞ্জিন, যাতে ধাপে ধাপে জলীয় বাষ্পের সম্প্রসারণ ঘটিয়ে যন্ত্রটির তাপগতিভিত্তিক দক্ষতা (thermodynamic efficiency) অত্যন্ত উচ্চমানে নিয়ে যাওয়া হয়েছে।
স্টিম টারবাইনের আধুনিক সংস্করণ ১৮৮৪ সালে চার্লস পার্সনস আবিষ্কার করেন। এটি প্রথম বাণিজ্যিকভাবে জাহাজচালনা এবং বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য ব্যবহৃত হয়েছিল।
প্রথম রিঅ্যাকশন স্টিম টার্বাইন যন্ত্রটি ছিল মূলত একটি খেলার সামগ্রী, যা প্রথম শতাব্দীতে হিরো অব আলেকজান্দ্রিয়া দ্বারা বর্ণিত Aeolipile ছিল। ১৫৫১ সালে তাকি আল-দিন ওটোমান মিশরে একটি স্টিম টার্বাইন বর্ণনা করেন, যার উদ্দেশ্য ছিল স্পিট (রান্নার সহায়ক), অথবা সূপ রান্না করার যন্ত্র চালানো। পরবর্তীতে, জিওভান্নি ব্রাঙ্কা (১৬২৯) এবং জন উইলকিন্স (১৬৪৮) এই ধরনের যন্ত্রের বর্ণনা দেন। ১৬৭২ সালে ফার্ডিনান্দ ভারবিস্ট একটি স্টিম টার্বাইন চালিত ছোট গাড়ি ডিজাইন করেন, এবং ১৮শতকের শেষের দিকে এক অজানা জার্মান মেকানিক এর আধুনিক সংস্করণ তৈরি করেন। ১৭৭৫ সালে জেমস ওয়াট সোহোতে একটি রিঅ্যাকশন টার্বাইন ডিজাইন করেন। ১৮০৭ সালে পোলিকার্প জালেসভ একটি ইম্পালস টার্বাইন ডিজাইন করেন এবং এটি ফায়ার পাম্প অপারেশনে ব্যবহার করেন। ১৮২৭ সালে ফরাসী প্রকৌশলী রিয়েল এবং পিচন একটি যৌগিক ইম্পালস টার্বাইন পেটেন্ট করেন।
মডার্ন স্টিম টার্বাইন ১৮৮৪ সালে ইংরেজ প্রকৌশলী চার্লস পারসন্স দ্বারা আবিষ্কৃত হয়। তার প্রথম মডেলটি একটি ডাইনামোতে সংযুক্ত ছিল, যা ৭.৫ কিলোওয়াট (১০.১ hp) বিদ্যুৎ উৎপাদন করত। পারসন্সের স্টিম টার্বাইন আবিষ্কার সস্তা এবং প্রচুর পরিমাণে বিদ্যুৎ উৎপাদন সম্ভব করে এবং এটি সামুদ্রিক পরিবহন ও নৌযুদ্ধে বিপ্লবী পরিবর্তন আনে। পারসন্সের ডিজাইন ছিল একটি রিঅ্যাকশন টাইপ টার্বাইন এবং তার পেটেন্টটি শীঘ্রই লাইসেন্স করা হয়। আমেরিকান প্রকৌশলী জর্জ ওয়েস্টিংহাউস পরে এই টার্বাইনটি স্কেল আপ করেন। পারসন্সের টার্বাইনটি স্কেল আপ করা সহজ প্রমাণিত হয়, এবং তার আবিষ্কারের ফলে পাওয়ার স্টেশনে শক্তি উৎপাদনের ক্ষমতা বৃদ্ধি পায়, যা প্রথম ৭.৫ কিলোওয়াট (১০.১ hp) থেকে ৫০,০০০ কিলোওয়াট (৬৭,০০০ hp) পর্যন্ত পৌঁছেছিল।
স্টিমের সাথে কাজ করা অন্যান্য টার্বাইন ভেরিয়েন্টও বিকশিত হয়েছে। গস্টাফ ডি লাভাল কর্তৃক আবিষ্কৃত ডি লাভাল টার্বাইন স্টিমকে সম্পূর্ণ গতিতে ত্বরান্বিত করে এবং তা টার্বাইন ব্লেডের বিরুদ্ধে চালিত করে। এই ইম্পালস টার্বাইনটি তুলনামূলকভাবে সস্তা এবং সহজ, এবং এটি চাপ-প্রুফ হওয়ার প্রয়োজনীয়তা ছাড়াই যেকোনো স্টিম চাপের সাথে কাজ করতে পারে, যদিও এর কার্যক্ষমতা কিছুটা কম। ১৮৯৬ সালে অগাস্ট রাটেউ ডি লাভাল নীতির ভিত্তিতে একটি প্রেসার কম্পাউন্ড ইম্পালস টার্বাইন তৈরি করেন। ১৯০৩ সালে তিনি এর জন্য একটি মার্কিন পেটেন্ট পান এবং এটি ১৯০৪ সালে একটি ফরাসী টরপেডো বোটে ব্যবহার করেন। পরবর্তীতে তিনি একটি সফল কোম্পানি প্রতিষ্ঠা করেন, যা তার মৃত্যুর পর আলস্টম কোম্পানিতে অন্তর্ভুক্ত হয়।
ব্রাউন-কারটিস টার্বাইন, যা একটি ইম্পালস টাইপ টার্বাইন, প্রথমে ইন্টারন্যাশনাল কারটিস মেরিন টার্বাইন কোম্পানি দ্বারা আবিষ্কৃত এবং পেটেন্টকৃত হয়। এটি ১৯০০-এর দশকে জন ব্রাউন & কোম্পানির সহযোগিতায় উন্নত করা হয় এবং পরে এটি জন ব্রাউন-ইঞ্জিনযুক্ত বাণিজ্যিক জাহাজ এবং যুদ্ধজাহাজে ব্যবহৃত হয়, যার মধ্যে রয়্যাল নেভি যুদ্ধজাহাজও অন্তর্ভুক্ত ছিল।
বর্তমান সময়ে স্টিম টারবাইন উৎপাদনকারী শিল্পে নিম্নলিখিত কোম্পানিগুলো অন্তর্ভুক্ত:
স্টিম টারবাইন একটি ঘূর্ণনশীল যন্ত্র যা উচ্চচাপের বাষ্প ব্যবহার করে শক্তি উৎপাদন করে। এটি সাধারণত একটি স্ট্যাটর এবং একটি রোটর নিয়ে গঠিত ।
একটি আদর্শ বাষ্পীয় টারবাইনকে **সমতাপীয় প্রক্রিয়া** (Isentropic Process) হিসেবে বিবেচনা করা হয়, যেখানে টারবাইনে প্রবেশকারী বাষ্পের অ্যান্ট্রপি (Entropy) এবং টারবাইন ত্যাগকারী বাষ্পের অ্যান্ট্রপি সমান হয়। তবে বাস্তবে কোনো বাষ্পীয় টারবাইন পুরোপুরি সমতাপীয় হয় না। সাধারণত, টারবাইনের প্রয়োগের ওপর নির্ভর করে এর সমতাপীয় দক্ষতা ২০% থেকে ৯০% পর্যন্ত হতে পারে। 
একটি টারবাইনের অভ্যন্তরে একাধিক **ব্লেড বা বালতি** (Buckets) থাকে। এক সেট **স্থির ব্লেড** (Stationary Blades) ক্যাসিংয়ের (Casing) সাথে সংযুক্ত থাকে এবং এক সেট **ঘূর্ণায়মান ব্লেড** (Rotating Blades) শ্যাফটের (Shaft) সাথে সংযুক্ত থাকে। এই ব্লেডগুলো নির্দিষ্ট দূরত্ব বজায় রেখে পরস্পরের সাথে বিন্যস্ত থাকে। প্রতিটি স্তরে বাষ্পের সম্প্রসারণের কার্যকারিতা সর্বাধিক করার জন্য ব্লেডগুলোর আকার এবং বিন্যাস বিভিন্ন হয়ে থাকে।
প্রভাবিত টারবাইনে স্থির নোজল থাকে, যা বাষ্পকে উচ্চ গতির জেটে পরিণত করে। এই উচ্চ গতিসম্পন্ন জেটের মধ্যে উল্লেখযোগ্য **গতিজনিত শক্তি** (Kinetic Energy) থাকে, যা ব্লেডের উপর আঘাত করে **শ্যাফটের ঘূর্ণন** (Shaft Rotation) সৃষ্টি করে। এই ধরণের টারবাইনে শুধুমাত্র **স্থির ব্লেডের মধ্য দিয়ে প্রবাহের সময় চাপ হ্রাস** (Pressure Drop) ঘটে, এবং একক স্তরের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হওয়ার সময় বাষ্পের গতি বৃদ্ধি পায়।
যখন বাষ্প নোজল দিয়ে প্রবাহিত হয়, তখন এর চাপ প্রবেশদ্বার চাপ থেকে নির্গমন চাপ পর্যন্ত কমে যায় (সাধারণত পরিবেষ্টিত বায়ুচাপ বা কনডেনসারের শূন্যচাপ পর্যন্ত)। এই উচ্চ প্রসারণ অনুপাতের কারণে, বাষ্প নোজল ত্যাগ করার সময় অত্যন্ত উচ্চ গতিতে প্রবাহিত হয়। তবে, **চলন্ত ব্লেড ত্যাগ করার পরেও বাষ্পের গতি কিছুটা অবশিষ্ট থাকে**, যা শক্তি ক্ষয়ের কারণ হয়। এই ক্ষতিকে **বাহিত গতি ক্ষতি** (Carry Over Velocity Loss) বা **প্রস্থান ক্ষতি** (Leaving Loss) বলা হয়।
যখন বাষ্প প্রবাহিত হয়, তখন এটি **প্রাথমিক ব্যাসার্ধ** (formula_1) এ **প্রাথমিক ঘূর্ণন গতিবেগ** (formula_2) নিয়ে প্রবেশ করে এবং **চূড়ান্ত ব্যাসার্ধ** (formula_3) এ **চূড়ান্ত ঘূর্ণন গতিবেগ** (formula_4) সহ নির্গত হয়।
এই প্রক্রিয়াগুলোর মাধ্যমে প্রভাব টারবাইন কার্যকরভাবে **বাষ্পীয় শক্তিকে যান্ত্রিক শক্তিতে রূপান্তরিত** করে, যা টারবাইনের ঘূর্ণনশক্তি উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।
স্টিম টারবাইন বিভিন্ন আকারে তৈরি করা হয়, যা ছোট <0.75 কিলোওয়াট (<1 এইচপি) ইউনিট থেকে শুরু করে বৃহৎ ক্ষমতার টারবাইন পর্যন্ত বিস্তৃত। এই টারবাইনগুলো বিদ্যুৎ উৎপাদনসহ বিভিন্ন যান্ত্রিক কাজে ব্যবহৃত হয়। আধুনিক স্টিম টারবাইন বিভিন্ন শ্রেণিবিভাগে বিভক্ত।
টারবাইনের ব্লেড প্রধানত দুটি ধরনের হয়ে থাকে: ব্লেড এবং নোজল। ব্লেড সম্পূর্ণভাবে স্টিমের আঘাতের মাধ্যমে পরিচালিত হয় এবং এদের প্রোফাইল সংকুচিত হয় না। ফলে স্টিমের গতি কমে আসে কিন্তু চাপের কোনো পরিবর্তন হয় না। ব্লেড ও স্থির নোজলের পর্যায়ক্রমিক বিন্যাসে গঠিত টারবাইনকে ইমপালস টারবাইন বলা হয়। যেমন: কার্টিস টারবাইন, রেটো টারবাইন, এবং ব্রাউন-কার্টিস টারবাইন।
নোজল দেখতে ব্লেডের মতো হলেও এদের প্রোফাইল প্রস্থানে সংকুচিত হয়, যা স্টিমের চাপ কমিয়ে গতি বৃদ্ধি করে। নোজলগুলো স্টিমের আঘাত ও উচ্চ গতির স্টিমের প্রতিক্রিয়ার মাধ্যমে চলে। যদি একটি টারবাইন চলমান নোজল এবং স্থির নোজল পর্যায়ক্রমে সাজানো হয়, তবে সেটিকে রিয়াকশন টারবাইন বলা হয়। উদাহরণস্বরূপ, পারসন্স টারবাইন।
টারবাইন নকশার অন্যতম বড় চ্যালেঞ্জ হলো উচ্চ তাপমাত্রা ও চাপে ব্লেডের ক্রিপ (বিকৃতি) প্রতিরোধ করা। কার্যক্ষমতা উন্নত করতে উচ্চ তাপমাত্রা ব্যবহারের ফলে ক্রিপের সমস্যা দেখা দেয়। ক্রিপ রোধে সুপারঅ্যালয় ও থার্মাল কোটিং ব্যবহার করা হয়।
নিকেল-ভিত্তিক ব্লেডের সাথে অ্যালুমিনিয়াম ও টাইটানিয়াম যুক্ত করা হয়, যা শক্তি ও ক্রিপ প্রতিরোধ ক্ষমতা বৃদ্ধি করে। রেনিয়াম ও রুথেনিয়াম সংযোজনের মাধ্যমে ব্লেডের ক্লান্তি প্রতিরোধ ও শক্তি সংরক্ষণ করা হয়।
টারবাইনের ধরন নিম্নলিখিতভাবে বিভক্ত:
কনডেনসিং টারবাইন – বিদ্যুৎ কেন্দ্রের জন্য ব্যবহৃত হয়, যেখানে স্টিম কনডেন্সারে নিষ্কাশিত হয়।
নন-কনডেনসিং টারবাইন – শিল্পপ্রক্রিয়ার জন্য ব্যবহৃত হয়, যেখানে স্টিম পুনরায় ব্যবহার করা হয়।
রি-হিট টারবাইন – স্টিমকে পুনরায় উত্তপ্ত করে অধিক বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য ব্যবহৃত হয়।
এক্সট্রাকশন টারবাইন – টারবাইন থেকে স্টিম বের করে অন্যান্য শিল্প কাজে ব্যবহারের জন্য প্রস্তুত করা হয়।
টারবাইন নিম্নলিখিত শ্যাফট বিন্যাসে তৈরি করা হয়:
একক ক্যাসিং টারবাইন – একক শ্যাফট ও ক্যাসিং বিশিষ্ট সাধারণ নকশা।
ট্যান্ডেম যৌগিক টারবাইন – দুটি বা তার বেশি ক্যাসিং যুক্ত করে এক শ্যাফটের মাধ্যমে চালানো হয়।
ক্রস যৌগিক টারবাইন – একাধিক শ্যাফট বিশিষ্ট, যা বিভিন্ন গতিতে একাধিক জেনারেটর চালাতে পারে।
দুই-প্রবাহী রোটরে, স্টিম মাঝখান দিয়ে প্রবেশ করে ও দুই পাশে সমানভাবে বের হয়। ফলে অক্ষীয় বল পরস্পরকে প্রতিহত করে এবং কার্যকারিতা বৃদ্ধি পায়। এটি বিশেষত নিম্ন-চাপ টারবাইনের ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হয়।
স্টিম টারবাইন একসময় বৃহৎ সামুদ্রিক জাহাজ চালনার জন্য ব্যবহৃত হত। এটি উচ্চ কার্যকারিতা এবং দীর্ঘস্থায়ী শক্তি উৎপাদনের জন্য জনপ্রিয় ছিল। বর্তমানে কিছু আধুনিক নৌযানে স্টিম টারবাইন ব্যবহৃত হয়।
স্টিম টারবাইনের কর্মদক্ষতা ও কার্যকারিতা মূল্যায়নের জন্য বিভিন্ন আন্তর্জাতিক পরীক্ষার মান অনুসরণ করা হয়, যার মধ্যে ব্রিটিশ, জার্মান এবং অন্যান্য আন্তর্জাতিক মান উল্লেখযোগ্য। কোন পরীক্ষার মান অনুসরণ করা হবে, তা সাধারণত ক্রেতা ও নির্মাতার পারস্পরিক চুক্তির ভিত্তিতে নির্ধারিত হয়। এটি শুধুমাত্র পরীক্ষার পদ্ধতিকে প্রভাবিত করে না, বরং টারবাইনের নকশা ও সংশ্লিষ্ট সিস্টেমের উপরও গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা রাখে (ASME, 2004)।
বিশ্বব্যাপী আমেরিকান সোসাইটি অফ মেকানিক্যাল ইঞ্জিনিয়ার্স (ASME) কর্তৃক নির্ধারিত কিছু গুরুত্বপূর্ণ পরীক্ষার মান রয়েছে, যার মধ্যে ASME PTC 6–2004, ASME PTC 6.2–2011, এবং ASME PTC 6S–1988 অন্যতম। এগুলো স্টিম টারবাইনের সাধারণ ও যৌথ চক্র ভিত্তিক পারফরম্যান্স মূল্যায়নের জন্য স্বীকৃত ও নির্ভরযোগ্য মান হিসেবে বিবেচিত হয় (ISO, 2020)। বিশেষভাবে, ASME পরীক্ষার মান পরীক্ষার নির্ভুলতা নিশ্চিত করার জন্য পরীক্ষার অনিশ্চয়তা (Test Uncertainty) পরিমাপ করে, তবে এটি বাণিজ্যিক সহনশীলতার (Commercial Tolerance) অংশ নয়, যা নির্মাতাদের মানসম্মত পণ্য নিশ্চিত করতে সাহায্য করে (ASME, 2011)।