توربین، نوعی موتور تخصصی چرخان می‌باشد که توانایی این را دارد که از یک سیال، انرژی دلخواه استخراج و تولید کند. کلمه‌ی توربین برای اولین مرتبه توسط کلود بوردین (Claude Burdin)، دانشمند و مهندس فرانسوی قرن هجدهم و نوزدهم میلادی، در سال ۱۸۲۸ پدیدار گشت که در اصل از یک واژه‌ی یونانی در معنای چرخان یا سرگردان برگرفته است. در این مقاله به صورت کلی به آشنایی با توربین های گازی می‌پردازیم.
ساده‌ترین انواع توربین‌ها به طور کلی شامل یک بخش چرخان و شماری پره می‌باشند که به قسمت اصلی توربین متصل شده است. سیال به پره‌های مجموعه اصابت کرده و به این صورت از بخشی از انرژی ناشی از حرکت آن برای متحرک ساختن توربین استفاده میکند. از نخستین توربین‌ها می‌شود به آسیاب های بادی و یا آبی اشاره کرد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً دارای یک پوشش محافظتی در قسمت‌های اطراف پره‌هایشان می‌باشند که مسئول کنترل کردن سیال هستند. پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند دارای اشکال مختلف هندسی باشند که با توجه به نوع توربین و کاربرد آن یا نوع سیال و بازده، هر کدام دارای تفاوت‌هایی می‌باشد. در این مقاله به صورت کلی به آشنایی با توربین های گازی می‌پردازیم.
به طور کلی مراحل کار اکثر انواع توربین‌ها کاملاً برعکس پروسه‌های کار یک موتور یا پنکه است. در پنکه‌ها انرژی الکتریسیته طی فرایندهایی به انرژی مکانیکی تبدیل و باعث چرخش پره می‌شود. اما در توربین‌ها، برخلاف پنکه چرخش پره‌ها باعث می‌شود انرژی جنبشی سیال (مثلا باد) به انرژی مکانیکی تبدیل شود، سپس با پروسه‌های تخصصی به الکتریسیته تبدیل گردد. سیال به پره‌ها اصابت کرده و آنها را به چرخش درمیآورد. چرخیدن پره‌ها موجب چرخش محور اصلی توربین گشته که این میله متصل به یک ژنراتور برق است. چرخیدن این ژنراتور موجب تولید برق متناوب می‌شود.
توربین گازی یک نوع موتور درون‌سوز از گونه ماشین‌های تجهیزات دوار می‌باشد که بر پایه‌ی انرژی‌های گازهای متساعد و تولید شده از احتراق سوخت‌های مختلف عمل میکند. به صورت اصلی کاربرد آن در نیروگاه‌های سوخت فسیلی است اما در موتورهای بالگردها، موتورهای بعضی هواپیماهای مسافری، موتورهای هواپیماهای جنگنده و موتورهای توربینی برخی از انواع کشتی‌ها نیز نسخه‌هایی از توربین‌های گازی استفاده می‌شوند.
در هر توربین گازی یک کمپرسور به جهت فشرده سازی هوا، یک محفظه احتراق به جهت مخلوط کردن سوخت با هوا و احتراق آن و یک توربین برای تبدیل انرژی‌های درونی گازهای داغ و فشار بالا به انرژی مکانیکی است. قسمتی از انرژی مکانیکی تولیدی در توربین، در چرخاندن کمپرسور کمپرسور توربین گازی مصرف شده و بقیه‌ی انرژی تولید شده، با توجه به کاربرد در نظر گرفته شده برای توربین گازی، امکان دارد موجب چرخش مولد الکتریکی شود (توربوژنراتور)، در سرعت دادن به هوا نقش داشته باشد (توربوفن و توربوجت) یا به صورت مستقیم به همان صورت تولیدی مصرف شود (توربوفن، توربوپراپ و توربوشفت). یکی از مهم‌ترین کاربردهای توربین‌های گازی، استفاده در پیشرانه توربین گازی خودرو و یا خودروهای زره‌پوش نظامی در نیروهای مسلح می‌باشد. خوشبختانه در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت چشمگیر و سریع موتور توربین گازی بودیم که روزانه به کاربری‌های آنها افزوده می‌شود.
تاریخچه
در سال ۱۷۹۱ میلادی، یک مهندس طراح به نام جان باربر، ماشینی طراحی کرد که از لحاظ اصل فرایندها و کارکرد شبیه به توربین‌های گازی امروز بود. او در اصل این توربین را به منظور حرکت یک کالسکه بدون استفاده از نیروی حیوانات چهارپا مانند اسب طراحی کرده بود. سپس در۱۹۰۴ میلادی، پروژه ساخت توربین گازی توسط دانشمند آلمانی فرانتس استولز در شهر برلین انجام شد که طی آن نخستین کمپرسور محوری دنیا در روند ساخت آن استفاده شده بود، اما در نهایت این پروژه ناموفق بود.
در طی سال‌های آینده، مهندسین، محققین و دانشمندان مختلف بر ایده توربین گازی فعالیت‌های بسیاری کردند، به‌طوری که شرکت جنرال الکتریک ایالات متحده آمریکا که امروزه عظیم‌ترین تولیدکنندهٔ توربین گاز در تمامی جهان است، در سال ۱۹۸۰ بخش توربین گاز خود را افتتاح نمود. اما در عین حال، نخستین توربین گازی در جهت تولید انرژی الکتریکی، در۱۹۳۹ میلادی در شرکت براون، باوری & سی در سوئیس ساخته شد که ظرفیت نهایی آن مقدار ناچیز ۴ مگاوات بود.
اساس عملکرد
مبنای فرایندهای توربین‌های گازی از لحاظ علم ترمودینامیک، بر پایه‌ی چرخه‌ی برایتون می‌باشد که در طی آن، هوا به شکل بی‌دررو فشرده گشته و سپس احتراق در شرایط فشار ثابت صورت گرفته و منسبط شدن هوای فشار بالا و داغ در توربین، به شکل بی‌دررو صورت می‌گیرد و هوا به فشار اولیه خود بازمی‌گردد. در واقع، اصطکاک و توربولانس موجب می‌شوند که:
- فشرده کردن هوا داخل کمپرسور توربین گازی به شکل بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که برای رسیدن به یک نسبت فشار مشخص، دمای خروجی کمپرسور مقدار بیشتری از حالت ایده‌آل داشته باشد.
- انبساط هوا در توربین به نحوه بی‌دررو نباشد. در نتیجه این مسئله، با ثابت بودن میزان کم شدن دما در توربین، کاهش فشار تابع از آن بیشتر شده و مقدار انبساط کمتری برای بازده کار داخل توربین فراهم باشد.
- افت فشار در دسترس در بخش‌های ورودی هوا، بخش احتراق و اگزوز وجود داشته باشد. این مسئله دلیل بر این می‌شود که نسبت فشار دردسترس جهت تولید کار کاهش یابد. کاهش فشار در بخش ورودی هوا موجب افت فشار در ورودی کمپرسور و نتیجتا کم شدن فشار ورودی محفظهٔ احتراق و توربین می‌گردد. کم شدن فشار داخل محفظه و اگزوز، به ترتیب منتج به افت فشار ورودی به توربین و بیشتر شدن فشار خروجی توربین می‌شود که تمامی این عوامل، موجب افت نسبت فشار داخل توربین در جهت تولید کار می‌شوند.
- در صورت زیاد شدن دمای هوای ورودی توربین، بازده توربین‌های گازی بیشتر می‌شود؛ درنتیجه، بهتر است که این دما تا حد امکان بالا انتخاب شود. اما در این مورد از نظر میزان آستانه طاقت مواد تشکیل‌دهنده‌ی محفظه‌ی احتراق و پره‌های توربین، محدودیت‌هایی وجود دارد؛ درنتیجه، این بخش‌ها از آنها به عنوان بخش‌های داغ یاد می‌شود، با استفاده از مواد مقاوم به دمای بالا مثل ابرآلیاژها ساخته می‌شوند.
انواع مختلف توربین‌های گازی و استفاده‌ی آنها
به صورت کلی در صنایع مختلف انواع متفاوتی از توربین‌های گازی برای مصارف تخصصی متفاوت استفاده می‌شود. در ادامه برخی از انواع رایج‌تر توربین‌های گاز را به همراه توضیحات مختصری ارائه می‌کنیم:
توربین گازی صنعتی جهت تولید الکتریسیته
از انواع توربین‌های گازی، توربین‌های گازی صنعتی برای تولید توان الکتریکی می‌باشند، که در اصطلاحات تخصصی توربوژنراتور گاز هم خوانده می‌شوند، نوعی از توربین‌های گازی می‌باشند که توان الکتریکی تولیدی به واسطهی آنها، یا به صورت مستقیم یا پس از پروسه‌ی تغییر در سرعت چرخش در جعبه‌دنده به وسیله چرخ‌دنده‌ها و تجهیزات ثابت به بخش ژنراتور انتقال یافته و در آنجا طی فرایندهایی به انرژی پتانسیل الکتریکی مبدل می‌شود. عملکرد این نوع از توربین گازی، می‌تواند به صورت فرایند سیکل ساده یا به شکل نیروگاه سیکل ترکیبی باشد.
در انواع سیکل ساده، گازهای خارج شده از اگزوز توربین که بعضا دارای دمای تا حداکثر ۶۰۰ درجه سلسیوس می‌باشند، به صورت مستقیم و بدون واسطه وارد هوا شده و انرژی گرمایی آنها هدر می‌شود؛ اما در نوع سیکل ترکیبی، تعداد یک یا دو توربین گاز به همراه یک واحد توربین بخار کوپل می‌گردند و طی فرایندهایی گاز خروجی از توربین گاز در واحدی به نام بویلر بازیاب، آب برگشتی از کندانسور توربین بخار که به‌وسیله پمپ فشرده‌سازی شده است را تبدیل به بخار می‌کنند.
نتیجتاً در توربین‌های جازی تولید الکتریسیته از نوع سیکل ترکیبی، از انرژی گرمایی که در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز وجود دارد استفاده بهینه شده و بویلر توربین بخار بدون احتیاج به سوخت و تنها با استفاده از خروجی توربین گاز، بخار آب تولید میکند؛ درنتیجه، در صورت استفاده از این فراینده، راندمان نهایی سیکل افزایش قابل توجهی می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین توانایی این را دارند که به صورت هم‌زمان برای تولید برق و گرما مورد استفاده قرار گیرند که در این حالت، گاز خروجی از آنها به منظور تولید آب یا هوای گرم ساختمان‌ها یا کارخانه‌ها استفاده می‌شود.
توربین‌های گاز جهت تولید انرژی مکانیکی
این دسته از توربین‌های گازی که متشکل از توربوکمپرسورها و توربوپمپها می‌باشند، نوعی از توربین‌های گازی هستند که در طی فرایندهای آنها انرژی تولیدی به واسطه توربین، برای چرخاندن یک کمپرسور (برای فشرده‌سازی یک گاز) یا پمپ (برای افزایش فشار مایع) مصرف می‌شود.
موتورهای جت
موتور جت، نوعی موتور است که با استفاده از شتاب دادن و تخلیه سیال بر پایه قانون سوم نیوتن ایجاد پیش‌رانش می‌کنند. دو دسته از موتورهای جت یعنی توربوجتها و توربوفنها شامل توربین گاز بوده و در اصل گونه‌ای از توربین‌های گازی می‌باشند.
توربوجتها، در واقع نوعی توربین گاز هستند که در فرایندهای آنها تمامی انرژی تولیدی در توربین در چرخاندن کمپرسور مصرف می‌شود و هوای بسیار داغ خارج شده از توربین بعد از عبور از یک نازل، سرعت گرفته و به صورت یک جت سیال با سرعتی زیاد از بخش انتهایی آن خارج می‌شود.
توربوفنها، نوعی دیگری از موتورهای جت هستند که در آنها برخلاف توربوجتها، تمامی هوای واردشده به موتور از کمپرسور، بخش احتراق و توربین عبور داده نمی‌شود، بلکه قسمت اعظم هوا، بعد از عبور از یک یا دو ردیف پره با اندازه بزرگ که فن خوانده می‌شوند، از مجاری دورتادور کمپرسور حرکت کرده و از یکی از نازل‌ها خارج می‌شوند. بخشی کم از هوا از کمپرسور عبور داده شده، محترق گشته و توربین را به چرخش درمیآورد. انرژی تولیدی توسط توربین در چرخاندن کمپرسور و فن مصرف می‌شود؛ درنتیجه در این دسته از موتورهای جت، پیش‌رانش هم در نتیجه‌ی جت سیال خروجی و همچنین در اثر گردش فن ایجاد می‌شود.
تولیدکنندگان در ایران
گروه مپنا (توربین‌های بخار و توربین‌های گازی)
صنایع آذرآب (توربین‌های آبی)
ماشین‌سازی اراک (توربین‌های بادی)
هپکو (ساخت بدنه و قطعات توربین‌ها)
دپارتمان آموزش piping design موسسه آموزش آزاد نوین پارسیان
نظرات بسته شده اند.