اجزای توربین گاز در واقع یک موتور احتراق داخلی چرخشی از خانواده توربوماشین‌ها است که در ذهن عموم موتور جت هواپیما به ‌عنوان پرمصرف‌ترین کاربرد آن شناخته شده است.

توربین گاز با احتراق اختلاف هوای فشرده و سوخت و عبور ماحصل آن از یک سری دیسک‌های چرخنده توربین کار می‌کند که موجب بروز قدرت چرخشی یک شافت و یا ایجاد نیروی عکس‌العمل رانشی و یا ترکیبی از این دو پدیده می‌شود.

در این توربین‌ها مقداری گاز طبیعی و هوای فشرده در محفظه احتراق می‌سوزد و در اثر سوختن حرارت ایجادشده حجم گاز زیاد می‌شود و گاز با حجم زیاد و فشار و درجه حرارت معینی به تیغه‌های توربین برخورد کرده و سبب چرخش توربین می‌شود.

سیکل توربین گاز

پایه و اساس توربین گازی یک کمپرسور هوا – یک اتاق احتراق و یک توربین است که پشت سر هم و به صورت سری در یک مجموعه قرار گرفته‌اند.

شکل ساده آن در زیر رسم شده است. بدواً هوای ورودی فشرده می‌شود و سپس وارد اتاق احتراق می‌گردد.

در اثر مکانیزم احتراق همراه با سوخت موجب افزایش فشار و درجه حرارت هوا (گاز) می‌شود.

نهایتاً این گاز در یک توربين منبسط می‌شود که موجب چرخش آن می‌شود. توربین کمپرسور را می‌چرخاند و مازاد انرژی آن به صورت عکس‌العمل رانشی یا قدرت مکانیکی و تلفیقی از این دو در انتهای شافت خروجی ظاهر می‌شود شکل (1-1).

شکل ۱-۱ سیکل توربین

هر توربین گازی بر همین اساس ولی با متغیرهای متفاوت کار می‌کند تعداد مراحل و یا آرایش آن می‌تواند تغییر کند ولی همواره مراحل فشارافزائی احتراق (گرماافزائی) و در انتها انبساط سیال (هوای داغ فشرده) به دنبال هم و به صورت همسان در تمامی توربین‌ها موجب تولید قدرت می‌شود.

این مجموعه ممکن است ابتدا کمی پیچیده به نظر برسد ولی با تشریح موارد ضمن آشنایی با اجزاء مختلف تمامی رفتار آن مشخص خواهد شد.

اجزاء توربین گازی

توربین گازی با نسبت عددی بالای قدرت به وزن (در مقابل سایر انواع موتورهای احتراق داخلی) عدم نیاز به آب قابل بهره‌برداری بدون حضور نیروی انسانی کنترل از راه دور و دارای توانایی‌های راه‌اندازی سریع است که عدم حضور قطعات با حرکت رفت و برگشتی موجب کاهش هزینه تعمیر و نگهداری و افزایش عمر آن می‌شود.

در یک جمله توربین گازی یک ماشین ساده و قابل توجه است.

کمپرسور هوا، اتاق احتراق و توربین سرعنصر اصلی یک توربین گازی است.

کاربرد و انتظار از کارایی دستگاه نوع و مشخصه آن را تعیین می‌کند برای افزایش قدرت خروجی و راندمان در مقابل پیچیدگی افزایش وزن و هزینه مجموعه ممکن است تجهیزاتی در اشکال مختلف به آن اضافه شود.

اجزای توربین گاز : کمپرسور هوا (AIR COMPRESSOR)

دو نوع کمپرسور هوا در توربین‌های گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

این دو نوع عبارتنداز:

1- کمپرسور گریز از مرکز (جریان شعاعی) 2- کمپرسور جریان محوری

در کنار توجه به راندمان، اندازه و عمر کمپرسور از عوامل مهم انتخاب انواع کمپرسور است.

در مقام مقایسه کمپرسور جریان محوری با کمپرسور جریان شعاعی، قطر کمپرسور جریان محوری کوچک‌تر و طول آن بیشتر از کمپرسور جریان شعاعی است.

هم‌محوری جریان سیال در کمپرسورهای جریان محوری آن را به خصوص برای کاربرد در موتور هواپیما موثرتر ساخته است از طرف دیگر کمپرسور جریان شعاعی در شرایط نامناسب عملیاتی عکس‌العمل نامناسب‌تری از خود نشان می‌دهد.

هواپیماهای بزرگ و موتورهای زمینی صنعتی تقریباً و تماماً از کمپرسورهای جریان محوری استفاده می‌کنند.

به دلیل راندمان نسبتاً بالای کمپرسورهای جریان شعاعی و نیز ملاحظات ابعادی و همچنین در بعضی اوقات در عملیات مدال‌های صنعتی از این کمپرسورها استفاده می‌شود.

اجزای توربین گاز : کمپرسورهای گریز از مرکز (CENTRIFUGAL COMPRESSOR) جریان شعاعی

این نوع کمپرسورها که در هواپیماهای اولیه توربین بکار می‌رفتند نسبت به کمپرسورهای جریان محوری از نظر ساختمان ساده‌تر می‌باشند.

یک کمپرسور گریز از مرکز انرژی تامین شده از طریق محرکه آن را به سیال منتقل می‌کند.

این انرژی به سرعت سیال، فشار سیال و یا تلفیقی از این دو تبدیل می‌شود. چگونگی تغییر و تبدیل انرژی در تمامی کمپرسورهای گریز از مرکز تقریباً یکسان است.

عامل تبدیل انرژی که به ‌وسیله موتور به چرخش در می‌آید پروانه نام دارد. که انواع آن در شکل ذیل نمایش داده شده است.

نیروهای وارد بر سیال، یکی در جهت شعاعي و موازی راستای تیغه سمت بیرون از مرکز پروانه که به نیروی گریز از مرکز معروف است و دیگری مماس بر محیط پروانه در نقطه نوک تیغه و در جهت چرخش پروانه است.

برآیند عملی این دو مؤلفه سومی است که سیال را با سرعت و فشار و با زاویه معینی از نوک تیغه پروانه خارج می‌کند.

البته میزان افزایش سرعت در این مقطع به مراتب بیشتر از افزایش فشار است.

شیپوره VOLUTE

اجازه بدهید لحظه‌ای به چگونگی وضعیت سیال در هنگام خروج از نوک تیغه‌های پروانه برگردیم.

جمع شدن سیال از تمامی نقاط به اطراف پروانه را به یاد دارید. همچنین به یاد دارید که این سیال در جهتی خارج از مرکز پروانه به حرکت در می‌آید. هم‌اکنون باید به طریقی این سیال پرانرژی (جنبشی) را برای تبدیل به انرژی پتانسیل از مجاری خاص به بیرون هدایت کنیم.

وظیفه این عمل به عهده بخشی از پوسته است. پوسته طوری طراحی شده است که در یک نقطه به نوک تیغه بسیار نزدیک است.

این نقطه زبانه پوسته COSING OF TONGNE می‌گویند، شکل زیر طراحی عمومی یک پوسته را نشان می‌دهد از نقطه زبانه تا نقطه خروجی از پوسته سطح مقطع مجرای ورودی رو به افزایش است به طوریکه شکل شیپوره را به خود گرفته است.

در هنگام چرخش پروانه سیال بلافاصله پس از زبانه پوسته به سمت چپ در صورتی­که جهت چرخش پروانه عکس عقربه‌های ساعت باشد از پروانه خارج می‌شود.

این روند ادامه دارد که به موجب آن سیال بیشتر و بیشتری در حد فاصله پروانه و پوسته VOLUTE جمع می‌شود و سپس از پوسته خارج می‌شود. در عبور از این مسیر بخش عمده‌ای از انرژی جنبشی سیال به لحاظ ورود به سطح مقطع وسیع‌تر به انرژی پتانسیل (فشار) تبدیل می‌شود.

اجزای توربین گاز : کمپرسور جریان محوری AXIAL COMPRESSORS

حرکت در طول یک محور را (axial motion) گویند و این حرکت به ‌صورت یک خط مستقیم می‌باشد،

کمپرسوری که جریان گاز را به ‌موازات محور حرکت دهد کمپرسور جریان محوری AXIAL FLOW COMPRESSOR گویند.

این کمپرسورها دارای تعدادی تیغه ثابت (STATOR BLADS) و همچنین تعدادی تیغه متحرک (ROTOR BLADS) می‌باشند.

تیغه‌های ثابت درون بدنه (CASING) نصب می‌گردند و تیغه‌های متحرک بر روی محور (SHAFT) قرار دارند و با محور می‌چرخند.

توجه کنید که ترتیب قرار گرفتن تیغه‌ها بدین ‌صورت می‌باشد که یک ردیف تیغه متحرک در بین دو ردیف تیغه‌های ثابت قرار دارد، ضمن اینکه هیچ‌گونه تماسی با یکدیگر ندارند.

تیغه‌های متحرک همانند پره‌های پنکه عمل می‌کنند و باعث افزایش فشار و سرعت هوا می‌گردند در اثر برخورد هوا با تیغه‌های ثابت هوا از بین فاصله تیغه که همانند پخش‌کننده عمل می‌کنند عبور کرده و درنتیجه کم شدن سرعت و افزایش فشار هوا را حاصل می‌نمایند.

پس از افزایش فشار در این کمپرسورها بدین‌ صورت است که هوا را به‌ تدریج به فضای تنگ‌تری میرانند و درنتیجه کم شدن حجم فشار هوا بالا می‌رود.

انواع تیغه‌های کمپرسور جریان محوری

ریشه تیغه‌های متحرک و تیغه‌های ثابت کمپرسور معمولاً شبیه دم چلچله یا نمونه‌های دیگری است که در شکل ذیل نمایش داده شده، شیارهای مشابهی در محیط دیسک‌ها و داخل بدنه استاتورها ساخته شده که ریشه تیغه‌ها (BLADE ROOTS) به‌ خوبی در این شیارها قرار می‌گیرند شكل (1-2).

شکل ۱-2 انواع تیغه‌ها

اسامی تیغه‌ها در ذیل آورده شده است: 1- دم‌چلچله‌ای معکوس ۲- سه‌راهی 3- ریشه صنوبری 4- سه‌راهی معکوس ۵- ریشه صنوبری ۶- ته­ گرد

ویژگی‌های کمپرسور هوا و سرج SURGING

ویژگی‌های کمپرسور

ویژگی‌های مهم کارکرد کمپرسور عبارت است از نسبت تراکم، نرخ جریان هوا سرعت چرخشی موتور یک دستگاه نسبتاً نو دارای توانایی‌های فیزیکی معینی است که معمولاً شاخص بهترین وضعیت طراحی آن توربین است.

از طرفی درجه حرارت و فشار هوای ورودی نقش مهمی در وضعیت کارکردی نهایی کمپرسور بازی می‌کند.

بنابراین برای ارزیابی وضعیت کمپرسور در شرایط عملیاتی مختلف انتخاب یک مأخذ معین ضروری است.

تشریح وضعیت کلی عملیاتی کمپرسور درگیر و تحلیل یک سری اعداد و ارقام یا منحنی‌های خاص است.

بدین ترتیب ارزیابی شرایط عملیاتی مختلف کمپرسور پس از انجام محاسبات و تبدیل آن به شرایط معادل شرایط استاندارد مأخذ (که به آن نرخ جریان معادل، سرعت معادل) گفته می‌شود از منحنی‌های موسوم به منحنی کارکرد کمپرسور (PER FERMANCE CURVE) قابل دسترسی است.

سرج در کمپرسور (SURGING)

فرض کنید یک کمپرسور در سیستم بزرگی که احتیاج به حجم هوای زیاد دارد تعبیه شده است چون این کمپرسور به منظور تهیه هوا در نظر گرفته ‌شده در لحظه استارت مقدار کمی مقاومت در قسمت خروجی هوا ایجاد می‌گردد.

همین مقاومت کم در قسمت خروجی کمپرسور ظرفیت آن را در لحظه اول استارت بالا می‌برد.

زمانی که کمپرسور هوا را به‌ طرف سیستم می‌فرستد ولی سیستم پر باشد، احتياج سیستم به حجم هوا کمتر می‌شود و چنانچه در این شرایط مصرف‌کننده‌ها به‌ اندازه هوای تحویلی کمپرسور مصرف نداشته باشند.

باعث می‌شود که فشار سیستم بالا برود و درنتیجه افزایش فشار مقاومت خروجی کمپرسور زیاد می‌گردد.

این امر خود باعث کم شدن ظرفیت کمپرسور می‌شود. همچنین با افزایش فشار سیستم کار کمپرسور برحسب پوند هوا بیشتر می‌گردد.

اگر همچنان از هوا استفاده نشود فشار در سیستم آن‌قدر افزایش پیدا می‌کند تا حدی که فشارش بیشتر از توان کمپرسور گردد و در این حالت است که جریان هوا متوقف می‌شود و چون فشار سیستم بیشتر از فشار کمپرسور می‌گردد این امر باعث می‌شود که جریان هوا از درون سیستم به‌ طرف کمپرسور برگردد.

بعد از مدتی که مقداری از فشار هوا به طرف کمپرسور برگشت و یا اینکه درون سیم مصرف شد و فشار سیستم از ماکزیمم فشار کمپرسور کمتر گردید کمپرسور دومرتبه شروع به فشرده کردن هوا به داخل سیستم می‌کند در این مرحله کمپرسور با ظرفیت بسیار ناچیز ولی فشار زیاد بایستی کار کند.

اگر استفاده از سیستم هنوز به مقدار کم ادامه داشته باشد کمپرسور دومرتبه باز می‌ایستد و این رفت و برگشت سریع هوا به کمپرسور را موج زدن یا (SURGING) گویند.

اگر عمل (SURGING) ادامه داشته باشد باعث ایجاد لرزش شدید خرابی برینگ­ها، نشت­بندها، محور، فانديشن و به‌ طور کلی خسارت‌های جبران‌ناپذیر منجر خواهد شد.

لذا برای جلوگیری از سرج در کمپرسورها با استفاده از شیرهای تخلیه BLEED VALVE و تیغه‌های متغیر در ورودی کمپرسور INLET GUIDVANE استفاده می‌کنند.

تبدیل انرژی در کمپرسور هوا

کمپرسور هوا دو بخش متمایز فشاری هوا را از هم جدا می‌کند.

در یک سمت فشار قرار دارد و در سمت دیگر نتیجه کارکرد کمپرسور که توان فشارافزایی معین قرار گرفته است به محض ورود هوا به داخل کمپرسور انرژی از طریق چرخش تیغه‌های موجود روی دیسک کمپرسور به هوا منتقل می‌شود.

مشخصه فیزیکی کمپرسور، نرخ جریان هوا، نسبت تراکم، راندمان آن را تعیین می‌کند و این عوامل مقداری انرژی را که کمپرسور می‌تواند به هوا منتقل کند تعیین می‌کند که میزان انرژی ذخیره‌شده در کمپرسور از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

اجزای توربین گاز : محفظه احتراق

محفظه احتراق CHAMBER COMBUSTION

اگر بعد از فشار افزایش هوا به ‌وسیله کمپرسور هوا مستقیماً وارد توربین شود (توربینی که کمپرسور را می‌چرخاند) و هیچ انرژی در این میان از بین نرود انرژی حاصل‌شده در محور خروجی توربین تقریباً معادل انرژی مورد نیاز برای چرخش کمپرسور می‌بود و هیچ توان اضافی در خروجی شافت توربین باقی نمی‌ماند. پس، کاری صورت نگرفته جز هرزرفت انرژی منتقل‌شده توسط استارتر.

لذا می‌بایست کاری کرد که انتالپی هوای خروجی کمپرسور را به مقدار زیاد افزایش داد که این افزایش با استفاده از سوخت FUEL در محفظه احتراق صورت می‌گیرد.

در توربین‌های گازی چند نکته مهم در طراحی سیستم احتراق در نظر گرفته می‌شود به ‌جز بعضی کاربردهای خاص فضای احتراق نسبتاً کوچک و توزیع حرارت هوای خروجی از اتاق احتراق تا حد امکان یک‌دست است تا کارایی خوبی داشته باشد.

همچنین جهت جلوگیری از ایجاد حرارت اضافه نقطه‌ای (HOT SPOT) احتراق می‌بایستی مستمر و پایدار باشد، اگر فرآیند احتراق کامل نباشد موجب تشکیل ذرات کربنی شده که به لحاظ سرعت بالای این ذرات سایش و کندگی تیغه توربین و به طبع آن کاهش عمر مفید تیغه‌ها و توربین را به دنبال دارد.

پیامد دیگر مسائل اتاق احتراق فشار و درجه حرارت زیاد خستگی مصالح، تنش حرارتی وارده به اجزاء آن است که توجه به آن‌ها اهمیت بسیاری دارد. توزیع هوا در اتاق احتراق به شرح ذیل است.

۱۵ تا %۲۰ (هوا) از تیغه‌های شکل‌دهنده جریان SWIR/RANE عبور می‌کند عبور هوا از این بخش موجب افشان شدن کامل سوخت (که معمولاً بعضی اوقات با قطرات سوخت همراه است) می‌شود.

که نتیجه آن اختلاط کامل سوخت و هوا و نيز احتراق آن در درجه حرارت بالا است حدود %۳۰ هوا از مجازی خاص به بخش دوم اتاق احتراق هدایت می‌شود تا عمل سوختن کامل شود. بقیه هوا در بخش سوم اتاق احتراق برای همگن کردن محصول احتراق و نیز خنک کردن اتاق احتراق مصرف می‌شود.

تا برای ورود به تیغه‌های ثابت توربین آماده شود. در این بخش همگن کردن محصول احتراق در حدی بایستی صورت گیرد که از ایجاد نقطه‌های داغ HOT SPOT در مسیر عبوری خود جلوگیری کند. تعداد محفظه احتراق بستگی به طراحی ساخت و قدرت مورد نیاز می‌باشد که ممکن است توربین دارای یک محفظه احتراق یا چندین محفظه احتراق مجزا باشد.

تبدیل انرژی در اتاق احتراق

دومین مرحله ذخیره‌سازی انرژی در درون اتاق احتراق اتفاق می‌افتد. اگر بعد از فشارافزایی هوا مستقیماً وارد توربین شود و هیچ انرژی در این میان از بین نرود انرژی ترخیص شده در محور توربین معادل انرژی مورد نیاز برای چرخش کمپرسور می‌بود و هیچ توانی در خروجی شافت توربین باقی نمی‌ماند.

هدف از احتراق هوا افزودن انرژی حرارتی در هوا به ‌وسیله افزودن درجه حرارت آن است باید به این نکته توجه کرد که افزایش درجه حرارت ورودی به توربین (خروجی اتاق احتراق) عموماً با افزایش فشار خروجی کمپرسور همراه است و حد نهایی فشار مقداری است که به کمپرسور توانایی تامین آن را دارد در اتاق احتراق انرژی شیمیایی به افزایش انتالپی هوا تبدیل می‌شود.

به فرض احتراق کامل انرژی موجود در یک توربین گازی برای تعدادی سوخت در جدول ذیل نشان داده شده است، جدول ۳-۱.

جدول ۳-۱ تبدیل انرژی

میزان تغییر انتالپی هوا در اتاق احتراق از رابطه ذیل محاسبه می‌شود:

جرم سوخت

بنابراین موتور توربین گازی وسیله‌ای است که نهایتاً انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی قابل استفاده تبدیل می‌کند کمپرسور انرژی را از چرخش محور خود به انتالپی هوا تبدیل می‌کند.

محفظه احتراق تسهیلات لازم را برای ترخیص انرژی شیمیایی از سوخت فراهم می‌کند و موجب افزایش انتالپی هوا در اتاق احتراق می‌شود و نهایتاً توربین انرژی جنبشی و انتالپی را از سوخت محترق­شده بازیافت می‌کند و انرژی بیش از نیازمندی چرخش کمپرسور را تولید می‌کند. انرژی باقی‌مانده در شافت خروجی معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ درصد انرژی شیمیایی سوخت مصرفی است.

اجزای توربین گاز : توربین

توربین TURBINE

اساساً دو نوع توربین همچون انواع کمپرسورها وجود دارد. جریان شعاعی و جریان محوری به لحاظ امکان ایجاد تنش‌های حرارتی ناشی از درجه حرارت زیاد توربین‌های جریان شجاعی معمولاً برای توربین‌های گازی با درجه حرارت بالا قابل استفاده نیستند.

همچون کمپرسورهای جریان محوری هوای داغ فشرده درون اتاق احتراق از یک سری مراحل توربین عبور می‌کند. هر مرحله شامل یک ردیف تیغه‌های ثابت است که در بدنه قرار دارد (نازل NOZZLE) و یک ردیف تیغه‌های متحرک که روی یک دیسک قرار گرفته‌اند به محض آنکه گاز داغ به تیغه‌های ثابت برسد منبسط می‌شود و فشار گاز آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود، این فرآیند کاملاً برعکس فرآیند فشارافزایی است.

طرح و پروفیل تیغه‌های ثابت و متحرک، در درجه حرارت و فشار هوای ورودی توربین و تعداد مراحل آن میزان انرژی مکانیکی قابل استحصال را مشخص می‌کند.

هوای داغ از قسمت خروجی محفظه احتراق به ‌وسیله کانال انتقال‌دهنده هوا (TRANSITION PIECE) به طرف توربین هدایت می‌شود.

در کانال انتقال هوای داغ (TRANSITION PIECE) هوا کاملاً مخلوط شده به ‌طوری که توده‌های گاز داغ وجود نداشته باشد. دستگاه چرخنده توربین (ROTOR TURBINE) مثل دستگاه چرخنده کمپرسور ROTOR-COMPRESSOR شامل تعدادی صفحه (DISC) می‌باشد که بر روی هر صفحه تعدادی تیغه قرار دارد صفحه‌ها هم روی محور محکم شده‌اند، بین هر مرحله از تیغه‌های دستگاه چرخنده توربین، هوای داغ از طریق یک مرحله از ثابت (STATOR) عبور می‌کند.

برای چرخاندن صفحه چرخنده هوا باید جریان داشته باشد، بنابراین فشار گاز داغ باید به سرعت و جریان بیشتر تبدیل گردد.

هوای فشرده نیروی خود را در تمام جهات وارد می‌کند ولی جریان سریع هوا بیشتر نیروی خود را در یک جهت بکار می‌برد، هنگامی‌که فشار به سرعت تبدیل می‌گردد بیشتر نیروی آن در یک جهت بکار می‌رود و نیروی آن در جهت دیگر کمتر می‌شود، هرگاه سرعت هوا زیاد شود فشار آن کم می‌گردد.

به همین منظور از شیپوره (NOZZLE) برای ازدیاد سرعت هوا استفاده می‌شود. شیپوره (NOZZLE) هوا را از یک سمت هدایت می‌کند، هوا با سرعت زیاد از شیپوره خارج می‌شود و انرژی فشاری به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد.

شیپوره طریق از هوای داغ با سرعت زیاد برای چرخاندن محور چرخنده توربین استفاده می‌شود.

توربین ضربه‌ای IMPLUSE TURBINE

در این نوع توربین‌ها از خاصیت ضربه‌ای برای حرکت دادن تیغه‌ها استفاده می‌شود، یک شیپوره بزرگ در قسمت جلوی تیغه‌ها قرار دارد و فشار گاز داغ ورودی به شیپوره بیشتر از فشار داغ خروجی از شیپوره است.

شیپوره برای زیاد شدن سرعت گاز بکار می‌رود جهت سریع گاز (JET VELOCITY H HIG) از شیپوره به تیغه‌های محور چرخنده ضربه وارد می‌آورد و با حرکت تیغه‌ها مکانیکی به وجود می‌آید و چون گاز داغ به تیغه‌های توربین ضربه زده و در اثر ضربه‌ها تیغه‌ها به چرخش در می‌آیند، این نوع توربین را ضربه‌ای نامند.

در توربین بجای یک شیپوره بزرگ می‌توان از تیغه‌های ثابت کوچک یک سری شیپوره تشکیل داده، صحرای شیپوره همان فاصله بین دو تیغه ثابت می‌باشد.

مجرای ورودی گاز داغ به شیپوره بزرگ‌تر از مجرای خروجی گاز از شیپوره است به همین جهت هوا با سرعت خارج می‌شود.

توربین‌های ضربه‌ای در مواردی که اختلاف فشار زیاد است بکار می‌روند، بنابراین در توربین‌های ضربه‌ای فشار ورودی توربین باید خیلی زیاد باشد.

در توربین‌های احتراقی گازی، کمپرسور هوای با فشار زیاد تولید نمی‌کند و به همین علت در بین نوع توربین‌ها کمتر از اصل ضربه‌ای (IMPLUSE PRINCIPLE) استفاده می‌شود.

توربین‌های عکس‌العملی REACTION TURBINE

هوا با فشار زیاد در بین تیغه‌ها منبسط می‌شود و در اثر انبساط فشارش کم و سرعتش وقتی‌که هوا به انتهای تیغه می‌رسد، سرعتش زیادتر گشته و محور چرخنده در خلاف جهت خروج هوا حرکت می‌کند، بیشتر توربین‌های عکس‌العملی از هر دو اصل ضربه‌ای و استفاده می‌کنند.

تیغه‌های ثابت در توربین‌های عکسل‌العملي و ضربه‌ای یک‌شکل هستند، اما تیغه‌ها فرق می‌کنند.

تیغه‌ای ثابت هوا با سرعت زیاد را به تيغه متحرک هدایت می‌کنند.سریع جهت هوا به تیغه‌ها برخورد کرده و شروع بچرخاندن محور چرخنده می‌کنند،

هوا، تیغه‌ها منبسط شده و نیروی عکس‌العملی بر تیغه‌ها وارد می‌کند و فشار هوا کم شده و چرخنده افزونی می‌یابد هوا حین عبور از لابلای تیغه‌ها زیاد می‌گردد و پدیده عکس‌العملی باعث ادامه این جریان و بیشتر توربین‌های عکس‌العملی، دستگاه‌های چرخنده و ثابت طوری طرح‌ریزی که از تاثیر ضربه‌ای و عکس‌العملی جهت دوران دستگاه چرخنده استفاده شود، توربین بیش از یک دستگاه چرخنده و ثابت دارد، وقتی‌که هوا از یک سری تیغه‌های متحرک عبور یک سری تیغه‌های ثابت می‌شود و البته فشار هوا در تيغه ثابت سری دوم کمتر از فشار ثابت سری اول است. نام توربین را بر حسب طریقه‌ای که نیرو روی آن‌ها اثر می‌کند نام‌گذاری می‌کنند.

کمپرسور و توربین بار THE COMPRESSOR TURBINE AND LOAD TURBINE

کمپرسور توربینی است که کمپرسور هوا را می‌چرخاند تا کمپرسور هوای مورد لزوم توربین بازده توربین کمپرسور تقریباً دو برابر بازده توربین بار یا نیرو است و در اغلب توربین‌ها صفحات دستگاه چرخنده توربین کمپرسور از توربین نیرو یا بار بیشتر است، هوای داغ محفظه احتراق خارج می‌شود ابتدا به تیغه‌های توربین کمپرسور برخورد کرده و آن را به حرکت در می‌آورد سپس به سمت توربین بار یا نیرو هدایت شده و گاز داغ با فشار کمتر به تیغه‌های بار برخورد کرده و سبب چرخش توربین بار می‌گردد، نظر به اینکه در کمپرسور هوا که فشرده می‌شود آن کم می‌گردد و در قسمت توربین فشار هوا کم شده و حجم آن زیاد می‌گردد پس برای اینکه از هوا به تیغه‌های توربین بار برخورد کند، تیغه‌های توربین بار را بزرگ‌تر می‌سازند.

چون تیغه‌های توربین بار بلندتر هستند، پس شکستن آن‌ها هم آسان‌تر است، بنابراین تیغه‌ها باید قوی‌تر بوده و کاملاً محکم به صفحه چرخنده وصل شده باشند برای کاهش فشار بر تیغه‌ها و جلوگیری از شکستن آن‌ها، سرعت توربین نیرو اغلب کمتر از سرعت توربین کمپرسور می‌باشد، همان‌طور که حرارت هوا در کمپرسور در اثر فشردن بالا می‌رود، در توربین چون هوا منبسط می‌شود حرارت هوا کم می‌شود، این درجه حرارت هوای داغ ورودی به توربینی کمپرسور بیشتر از درجه حرارت هوای داغ ورودی سه توربین بار است و همچنین جنس و نوع فلز توربین کمپرسور باید در برابر حرارت مقاومت بیشتری داشته باشد.

پس اکثراً توربین‌ها دارای دو محور چرخنده توربین می‌باشند که یکی کمپرسور هوا را می‌چرخاند و دیگری توربین نیرو یا بار است که محور بازده یعنی محوری که به تلمبه نفت یا ژنراتور برق وصل است می‌چرخاند.

دستگاه مولد گاز THE HOT GAS GENERATOR

هرگاه توربین بار برداشته شود، گاز داغ خروجی از توربین کمپرسور دارای مقدار زیادی انرژی حرارتی قابل استفاده است.

فشار و حرارت گاز خروجی چنین توربینی زیاد است بعضی اوقات توربین‌های احتراقی گازی فقط به منظور تهیه حرارت برای خشک کردن، تولید بخار آب و یا کار دیگر در نظر گرفته می‌شوند، پس اگر در یک توربین قسمت توربین بار را جدا کنیم مشاهده می‌کنیم که توربین می‌تواند هوای فوق‌العاده داغ تولید نماید.

توربین بار از همین فشار هوای داغ و انرژی آن به ‌عنوان منبع انرژی استفاده می‌کند. در موتورهای جت کمپرسور هوا، محفظه احتراق و توربین کمپرسور وجود دارد و هنگامی‌که هوا از توربین کمپرسور خارج می‌گردد فشار زیاد تبدیل به سرعت می‌شود. وقتی‌که توربین جهت تولید گاز گرم بکار رود، توربین مولد گاز گرم نامیده می‌شود.

اجزاء کمکی (Accessory Components)

در جائی که فشردگی ابعادی توربین گازی مد نظر نباشد.

اصلاح سیستم احتراق (از دیدگاه اقتصادی) با نصب خنک‌کننده بین مرحله‌ای کمپرسور، پیش گرم‌کن احتراق برای گرم کردن هوای بین مراحل توربین بر افزایش قدرت خروجی توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

قدرت مورد نیاز برای فشارافزائی یک پوند هوا مستقیماً با درجه حرارت ورودی آن متناسب است بنابراین اگر بتوان بین دو مرحله فشارافزائی هوا را خنک کرد در این صورت قدرت مورد نیاز برای فشار افزایی کاهش می‌یابد.

بر این اساس ممکن است یک خنک‌کننده بین مراحل کمپرسور برای کاهش قدرت موردنیاز آن نصب گردد.

به همین ترتیب درجه حرارت بیشتر هوای ورودی توربین موجب استحصال بیشتر قدرت می‌گردد.

بنابراین افزودن درجه حرارت هوای داغ بین مراحل توربین از طریق تزریق سوخت اضافی در یک باز گرم‌کن Reheaet می‌تواند به افزایش قدرت خروجی توربین منجر شود. همچنین از آنجایی­که گازهای اگزوز توربین دارای حرارت زیادی است با استفاده از یک سیستم بازیافت  Re. Generator می‌تواند حرارت مازاد اگزوز را برای گرم کردن هوای ورودی محفظه احتراق بکار برد. به این طریق و با استفاده از امکانات مشروحه فوق قدرت خروجی توربین را به حداکثر ممکن می‌توان رساند.

تبدیل انرژی در توربین گاز

عمل تبدیل انرژی در توربین اساساً عکس کمپرسور است، به محض ورود جریان گاز (هوای داغ) پر فشار به داخل توربین انرژی به تیغه‌های توربین منتقل می‌شود.

افت درجه حرارت در توربین، قدرت خالص در شافت خروجی و راندمان حرارتی (راندمان کلی) از روابط ترمودینامیکی به دست می‌آید.

همچنین تغییر درجه حرارت هوا در کمپرسور هوا از رابطه ذیل تبعیت می‌کند.

اجزای توربین گاز : فیلتراسیون هوای ورودی

تاریخچه فیلتراسیون در مقطع هوای ورودی به مولدهای پره‌دار گازی

آنچه مسلم است مصرف فیلتر در هوای ورودی به توربین‌ها و کمپرسورها در گذشته وجود نداشته است.

در آغاز تنها از توری‌های مخصوص جهت گرفتن ذرات درشت و همچنین استفاده از برج‌های بلند جهت ارسال هوای نسبی به داخل سیستم احتراق استفاده می‌شده است که نهایتاً به دلیل وجود رطوبت، ذرات، غبار و بسیاری از عوامل دیگر امکان جلوگیری از خوردگی پره‌ها و کاهش بازدهی توربین به مرور زمان میسر نبوده است.

پس از آن استفاده از تکنیک‌هایی همچون مصرف حوضچه‌های روغنی و فیلترهای رلی در ورودی هوا باب می‌گردد. در این سیستم ذرات درشت قابل کنترل هستند و خوردگی کاهش می‌یابد ولی کماکان ذرات زیر پنج میکرون در هوا وجود دارد، ضمن اینکه وجود روغن همراه با هوا در اتاقک احتراق خود از عوامل مشکل‌زا بوده است.

استفاده از سیستم‌های جداکننده اولیه (Inertial spin filter) که قابل شستشو نیز هستند قبل از فیلترهای رل به گرفتن ذرات درشت (در مقایسه با پیش فیلترهای قبلی) کمک بیشتری می‌نمایند.

با توجه به اینکه این فیلترها قابل شستشو و مصرف مجدد باشند و از نظر محیط زیست ایجاد مشکلی نمی‌کنند، لذا در سیستم به‌ طور دائم مستقر می‌شوند و تا حدودی بحث هوای ورودی را کنترل می‌نمایند، اما یکی از دلایل حذف این سیستم‌ها از هوای ورودی به جنس آن و آتش‌سوزی‌های احتمالی در یونیت‌ها می‌باشد از آنجایی­که سیستم رلوسیستم Spin به تنهایی قادر به حل مسئله ذرات ریز و غبار نمی‌باشند.

لذا فیلترهای کیسه‌ای با بازدهی بالا و سطح فیلتراسیون زیاد پس از پیش فیلترها در جهت جذب ذرات ریزتر در هوای ورودی به توربین تعبیه می‌گردند.

آنچه در این سیستم فیلتراسیون چندمرحله‌ای بیش از هر چیز نظر کارشناسان را جلب می‌کند، افت فشاری است که در طول مسیر فیلتراسیون ایجاد می‌شود.

در مجموع آنچه در پایان پس از مهر و موم‌ها تلاش بر سر راه هوای ورودی در حال حاضر موجود می‌باشد در بسیاری از مراکز و پالایشگاه‌های کشورمان ترکیبی از چندین نوع فیلتر ذکرشده فوق است که علاوه بر هزینه‌های بالای خرید و زمان­های کوتاه تعویض و انبارداری پرهزینه کماکان از نظر کیفی قادر به حل معضل فیلتراسیون جهت جلوگیری از انواع خوردگی و افت تولید نمی‌باشد و کماکان نیاز به شستشوی زود هنگام و پی‌درپی پره‌های توربین، تعویض‌های متوالی فیلترها و هزینه‌های بالای خرید و نگهداری وجود دارد.

در اغلب تعویض‌های سالیانه که به کرات انجام می‌شود، سیستم را خاموش نموده و متوقف می‌سازند که در طول سال به معنای افت بازدهی موثر و نیز ضررهای اقتصادی بی‌شمار می‌باشد. همچنین در بسیاری از موارد به دلیل گرفتگی زود هنگام فیلترها سیستم فیلتراسیون توسط یک مسیر انحرافی از خط خارج می‌گردد لذا هوای فیلتر نشده به طرف توربین ارسال می‌گردد که علاوه بر تاثیرگذاری بر احتراق، در خوردگی پره‌ها نیز نقش موثر داشته و در نهایت به وقایعی با هزینه‌های میلیون دلاری منجر می‌گردد.

اجزای توربین گاز : دستگاه از کار انداختن توربین در دور بیش از حد

دستگاه از کار انداختن توربین در دور بیش از حد OVER SPEED TRIP MECHANISM

گاورنر در وضع عادی سرعت توربین را تنظیم می‌کند، اگر به‌ طور ناگهانی بار توربین برداشته شود سرعت توربین زیاد می‌شود، بعضی اوقات گاورنر بکندی عمل کرده و یا اصلاً در این حالت ناگهانی عملی انجام نمی‌دهد، هرگاه گاورنر سوخت ورودی به توربین را قطع نکند، ممکن است سرعت توربین به حدی رسد که قطعات چرخنده آن متلاشی و از هم جدا گردند.

در حالت اضطراری میله از کار انداختن توربین در دور بیش از حد، جریان سوخت به محفظه احتراق را قطع کرده تا از خطرات سرعت بیش از حد، توربين محافظت شود میله از کار انداختن توربین در دور بیش از حد وزنه‌ای است که در محور گاورنر (یا توربین) قرار گرفته است.

در سرعت عادی میله از کار انداختن توربین در سرعت بیش از حد در داخل محور گاورنر یا توربین باقی می‌ماند، وقتی‌که محور می‌چرخد نیروی گریز از مرکز به‌ طرف بیرون کشیده می‌شود ولی نیروی کشش فنر تا اندازه‌ای از این حرکت جلوگیری می‌کند.

اجزای توربین گاز : نشت‌بندی و یاتاقان‌ها

نشت‌بندهای بدنه CASING SEAL

محور چرخنده کمپرسور و توربین از میان بدنه ثابت عبور می‌کنند، بنابراین باید فاصله کمی بین محور چرخنده و بدنه ثابت و تیغه‌ها وجود داشته باشد تا به هم سائیده نشوند، هرگاه این فاصله زیاد شود هوا با فشار زیاد از آن خارج می‌شود.

هرگاه هوای زیاد از توربین به فضای اطراف خارج شود، قدرت توربین کم شده و راندمان آن کاهش می‌یابد و نیز اگر فاصله کم باشد، محور چرخنده و بدنه ثابت یا تیغه‌ها با هم تماس پیدا کرده و حرارت زیاد تولید می‌شود و این حرارت ممکن است باعث کجی یا خوردگی محور، تیغه‌های ثابت و بدنه ثابت گردد.

اجزای توربین گاز : یاتاقان‌ها BEARINGS

محورهای چرخنده کمپرسور و توربین باید در حین چرخش در محل و وضع معینی قرار بگیرند محور برای چرخیدن باید آزاد بوده و به ‌راحتی بچرخد ولی نه آن‌قدر که حرکت افقی زیاد داشته باشد.

غیر از حرکت دورانی، محور به حالت دیگر می‌تواند حرکت کند، زمانی که گاز داغ به تیغه‌های توربین برخورد می‌کند، نیرویی افقی بر آن وارد شده و آن را به یک سمت می‌کشد و این نوع حرکت را محوری یا افقی (AXIAL MOVEMENT) نامند.

محور ممکن است خارج از خط مرکزی دور بزند، این نوع حرکت را شعاعی (RADIAL MOVEMENT) نامند. یاتاقان‌ها (BEARINGS) محور را نگه داشته و باعث می‌شوند که محور با حداقل اصطکاک بچرخد و حرکات شعاعی یا افقی محور را کنترل می‌کنند.

یک قشر مایع روغنکاری بین محور و یاتاقان قرار می‌گیرد.

یاتاقان شعاعی (JOURNAL BEARING) حرکت شعاعی محور را کنترل کرده و همچنین وزن محور را تحمل می‌کند.

یاتاقان صفحه­گرد محوری (THRUST BEARING) حرکت افقی محور را محدود می‌کند در توربین‌های کوچک گازی از یاتاقان‌های ساچمه‌ای برای کنترل حرکت شعاعی و محوری استفاده می‌شود.

یاتاقان­های ساچمه‌ای روغنکاری شده و غالباً اصطکاکی بین گلوله‌ها و دیگر قسمت‌ها نمی‌باشد و محور که می‌چرخد یاتاقان‌های ساچمه‌ای هم به ‌راحتی دور می‌زنند.

یک یاتاقان ساچمه‌ای را در محلی که بار آن زیاد باشد می‌توان به ‌عنوان یاتاقان شعاعی یا محوری بکار برد یاتاقان‌های ساچمه‌ای در توربین‌های کوچک بکار می‌روند.

توربین‌ها و کمپرسورهای بزرگ از یاتاقان‌های استوانه‌ای یا بوشی (SLEEVE BEARING) که برای تحمل بار سنگین ساخته شده‌اند استفاده می‌کنند،

یاتاقان‌های استوانه‌ای می‌توانند محورهای خیلی سنگین و بزرگ را نگهدارند.

اجزای توربین گاز : روغن‌کاری

دستگاه گردش روغن THE OIL CIRCULATION SYSTEM

در دستگاه روغنکاری روغن با فشار برای یاتاقان‌ها تامین می‌شود، هرگاه فشار روغن کم شود یاتاقان‌ها روغنکاری نمی‌شوند.

اغلب دستگاه‌های کنترل سرعت و حرارت توربین از دستگاه‌های تقویتی هیدرولیکی استفاده می‌کنند.

دستگاه گاورنر احتیاج به روغن پر فشار برای حرکت گاورنر ولو دارد.

پس روغن در توربین‌ها به دو منظور بکار می‌رود:

۱- روغنکاری یاتاقان‌ها

2- برای کنترل توربین

روغن در مخزن بزرگی ذخیره می‌شود و به ‌وسیله پمپ اصلی روغن (MAIN OIL PUMP) از مخزن کشیده شده و با فشار به یاتاقان‌ها و دستگاه‌های کنترل هیدرولیکی می‌رود.

هرگاه حرارت روغن زیاد شود، خاصیت روغنکاریش از بین می‌رود (تجزیه می‌شود) و دیگر قشری از روغن بین قطعات فلزی تشکیل نمی‌شود، بنابراین روغن باید خنک باشد تا بتواند یاتاقان‌ها را خنک‌کند، برای سرد کردن روغن آن را از دستگاه خنک‌کننده COOLER عبور می‌دهند.

همچنین هرگاه روغن خیلی سرد باشد غلیظ شده و روغن به‌ خوبی در یاتاقان‌ها جریان پیدا نمی‌کند و یاتاقان‌ها کاملاً روغنکاری نمی‌شوند.

روغن پس از عبور از دستگاه خنک‌کننده از یک صافی گذشته و ذرات کثیف و ناخالصی‌های آن گرفته می‌شود، هرگاه دستگاه روغنکاری نتواند روغن به یاتاقان‌ها برساند آسیب شدید در اثر اصطکاک و حرارت به آن‌ها وارد شده و ممکن است ذوب یا سوخته شوند، بنابراین تا وقتی‌که توربین کار می‌کند باید روغن در یاتاقان‌ها با فشار معین جریان داشته باشد، اگر فیلتر یا دستگاه خنک‌کننده روغن گرفته شود یا تلمبه روغن خراب شود و جریان روغن قطع گردد،

توربین به احتمال قوی باید بسته شود، پس در چنین وضع اضطراری یک صافی و دستگاه خنک‌کننده روغن تلمبه کمکی باید وجود داشته باشند تا جریان روغن را در این حالت برقرار کنند.

از آنجایی­که هرگاه دستگاه روغن دچار اشکال شود باید توربین بسته شود. اغلب توربین‌های گازی دارای دو عدد تلمبه روغن می‌باشند.

پمپ اصلی روغن در وقتی‌که توربین کار می‌کند روغن مورد لزوم را تامین می‌کند و در مواقع اضطراری تلمبه کمکی روغن بکار افتاده و جریان روغن را در دستگاه برقرار می‌کند.

تلمبه اصلی روغن به ‌وسیله محور توربین می‌چرخد، در وقت بکار انداختن توربین چون محور توربین سرعت ندارد.

پمپ اصلی روغن کار نمی‌کند، در چنین وقتی، تلمبه کمکی روغن به ‌وسیله دستگاه جداگانه دیگری مستقل از توربین کار می‌افتد.

در وقت بکار انداختن توربین روغن مورد لزوم برای یاتاقان‌ها به ‌وسیله تلمبه کمکی روغن تامین می‌شود تا زمانی که سرعت توربین به اندازه عادی برسد و همچنین وقتی ‌که توربین از کار می­‌افتد، تلمبه اصلی روغن هم کار نمی‌کند در این هنگام دوباره تلمبه کمکی روغن بکار افتاده و روغن به یاتاقان‌ها جریان پیدا می‌کند.

همچنین دو عدد صافی روغن (فیلتر) و دستگاه خنک‌کننده روغن در دستگاه گردش روغن وجود دارند.

هرگاه فشار روغن روغنکاری کم شود بعضی از توربین‌ها ممکن است به ‌وسیله دستگاه هیدرولیکی از کار بیفتند و دستگاه خودکار به ‌وسیله شیر تخلیه،

روغن هیدرولیک را به مخزن تخلیه کرده و سبب از کار افتادن توربین می‌گردد، بعضی از توربین‌ها مجهز به دستگاه اعلام خطر فشار کم روغنکاری می‌باشند

و همچنین دستگاه اطلاع­دهنده که حرارت زیاد روغن را نشان داده یا به ‌وسیله سوت مسئول مربوطه خبر می‌شود، بنابراین دستگاه خبرکننده هرگاه فشار روغن کم شده با حرارت روغن زیاد شود مسئول دستگاه را مطلع می‌سازد.

نتیجه‌گیری

روش‌های بهینه‌سازی بازدهی و قدرت خروجی توربین گازی را می‌توان بر حسب مورد به دو دسته تقسیم‌بندی نمود:

1- واحدهای گازی در حال بهره‌برداری با تغییرات جزیی

2- واحدهای گازی در دست برنامه‌ریزی و طراحی با تغییرات اساسی

ویژگی‌های متمایز این دو نوع حالت، باعث کارایی و امکان اعمال روش‌های خاص برای هر یک می‌شود.

به عنوان مثال از ویژگی‌های واحدهای در حال بهره‌برداری می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

۱- بسیاری از شرایط اساسی واحد که بستگی به اجزاء اصلی نظیر توربین و کمپرسور دارد تعیین شده‌اند.

۲- تغییرات اساسی پرهزینه است.

۳- تغییر هر یک از پارامترها می‌تواند بر بقیه تأثیر بگذارد و باید این تأثیرات بررسی شوند. شرایط آب و هوایی، ارتفاع، نوع توربین و مکان و فضای مورد نیاز برای نصب هر سیستم بهبود و توان خروجی، محدودیت‌های را اعمال می‌نمایند.

خنک­کاری میانی هوا در کمپرسور باعث افزایش قدرت خروجی از توربین می‌شود اما اجرای این روش نیازمند اصلاحات بر روی کمپرسور توسط شرکت سازنده می‌باشد و برای توربین‌های در حال بهره‌برداری توصیه نمی‌گردد. ضمن اینکه این سیکل راندمان کلی را کاهش می‌دهد.

سرمایه‌گذاری اولیه برای نصب کمپرسور و خنک‌کن میانی، میزان مصرف انرژی و هزینه‌های نگهداری بسیار بالا می‌باشد.

روش پاشش آب به ورودی کمپرسور به طریق مه (Fog) نیز برای مناطق گرم و خشک کاربرد دارد و در مناطق با رطوبت بالا جواب نمی‌دهد.

منبع: حسین غفاری، احسان صفرزاده، “توربین های گاز – سیکل توربین گاز” سومین کنفرانس بین المللی یافته های نوین علوم و تکنولوژی با محوریت علم در خدمت توسعه

.