نگاهي كلي بر توربين هاي گازي

[ریپورتر]

توربين هاي گازي انرژي حرارتي را به انرژي مكانيكي تبديل مي کنند و به انواع زميني (صنعتي ) و هوايي تقسيم مي شوند . واحدهاي بزرگ اين توربين ها براي توليد بخش مهمي از انرژي الكتريكي مورد استفاده قرار مي گيرند.
مزايا و معايب توربين گازي :
مزايا
1-توربين گازي نسبت به وزن آن توان زيادي تحويل مي دهد.
2-موتورهاي توربين گازي كوچكتر از توربين هاي ديگر هستند.
معايب :
گران بودن اين توربين ها نسبت به انواع مشابه است.
- اجزاي توربين هاي گازي :
اصول همه توربين هاي گازي يكي است و همگي داراي gas generator ( كه شامل كمپرسور، محفظه احتراق و توربين هستند ) مي باشند و هدف آن تامين گاز با دما و فشار بالا است كه در نهايت اين انرژي حرارتي به انرژي مكانيكي تبديل مي شود.

یک توربین شامل:
1-كمپرسور : هوا از محيط اطراف به داخل كمپرسور هدايت مي شود و در كمپرسور، هوا از بين پره‌هاي ثابت و متحرك (روتور و كمپرسور ) عبور كرده و فشرده مي شود و از طريق يك مجراي خروجي از كمپرسور خارج شده و به محفظه احتراق مي رود.

2-محفظه احتراق : هوا و سوخت در محفظه احتراق با يكديگر مخلوط شده و محترق مي‌شوند و گازهايي با دماي بالا ايجاد مي كند. از آنجا كه در اين توربين ها گاز حاصل از احتراق به شكل ديگري از انرژي تبديل مي شود و گاز داغ حاصل از احتراق به عنوان سيال حامل انرژي استفاده مي شود به آن توربين گازي گفته مي‌شود.
از هواي خروجي كمپرسور فقط يك سوم با سوخت مخلوط مي شود و بخشي از آن به اطراف محفظه احتراق جريان يافته و براي خنك نگه داشتن ديواره ها بكار مي رود و بخشي از آن ، قبل از اينكه گازهاي داغ به قسمت توربين انتقال يايد با آن مخلوط مي شود تا دماي آن به 900 تا 1200 درجه كلوين برسد.

3-توربين : در توربين انرژي گاز داغ با فشار بالا كه توسط كمپرسور و محفظه احتراق ايجاد شده است به انرژي مكانيكي تبديل مي شود در واقع انبساط گاز و نيروي ضربه حاصل از برخورد گاز به پره هاي متحرك توان توربين گازي را تامين مي كند و از اين توان دو سوم صرف فشرده شدن هوا مي شود و بقيه صرف كارهاي ديگري مانند توليد برق يا راندن مكانيكي مي‌شود.
علاوه بر موارد بالا، براي افزايش كارايي توربين گازي ممكن است شامل كولرهاي خنك كننده بين كمپرسور ها ، مبدلهاي حرارتي بين توربين ها و مبدل هاي حرارتي براي گرم كردن هواي ورودي به محفظه احتراق باشد.
- انواع توربين هاي گازي
1- توربين گازي تك محوري :
اگر استفاده از توربين گازي به منظور توليد تواني ثابت (سرعت و توليد ثابت) مدنظر باشد در اين صورت به كارگيري توربين گازي تك محوري مناسبتر است در اين نوع واحدها ، كارايي در حالت توليد توان پايين ، كم بوده و لذا مورد توجه نيست .
2- توربين گازي دو محوري :
نوع ديگر توربين گازي دو محوري است كه در آن ، از محورها با سرعت متفاوتي بهره برداري مي‌شود هر يك از اين محورها، توربيني با توان متفاوت دارد و براي شرايطي كه محدوده وسيعي از توان مورد نياز است از آن استفاده ميشود اين نوع واحدها در حمل ونقل زميني و دريايي مانند راه آهن و مقاصد دريايي به كار گرفته مي شود اين نوع توربين داراي يك توربين گازي فشار بالا و يك توربين گازي فشار ضعيف است توان حاصل از توربين گازي فشار بالا صرف چرخاندن كمپرسور مي شود توربين قسمت فشار ضعيف انرژي لازم براي مصرف را كه توان آن ثابت نبوده و بستگي به مصرف كننده دارد (كه در حال تغيير است) توليد مي كند.

3-پره هاي توربين گازي
پره هاي توربين گازي در قسمت كمپرسور و توربين شامل پره ثابت يا نازل
(Stationary Vane) و پره متحرك (Rotor blade)می باشد كه از اين به بعد پره ثابت را با نام نازل وپره متحرك را با نام پره در اين مقاله ذكر مي كنيم.

پره هاي كمپرسور معمولاً از جنس استنلس استيل هستند و شامل دو قسمت ايرفويل و ريشه هستند و بوسيله فرايند فورج ساخته مي شوند و ترتيب عمليات بصورت 1- اكستروژن 2- پهن سازي (upsetting) از ميله فورج است و با چند مرحله فورج و بعد ماشينكاري ، پره بدست مي آيد.
پره هاي توربين ابتدا با روش فورج و از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته مي شدند زيرا در فورج همراستايي مولكولها واستحكام بيشتر است اما با پيشرفت ريخته گري دقيق و طراحي هندسه پيچيده مسيرهاي خنك كاري پره، موجب شد تا پره هاي ريختگي بطور تدريجي جانشين پره هاي فورج شوند.
با توجه به شرايط خشن كاري كه دماي محيط بالا ، تنش مكانيكي بالا، خستگي گرمايي، گاز خورنده و غيره موجب شده است كه پره هاي توربين از سوپر آلياژ ساخته شوند
سوپرآلياژها، با استفاده از عناصر گروه VIII-Aجدول تناوبي، براي كاربرد در دماي بالا و در مواردي كه تنشهاي مكانيكي بالايي در سيستم وجود دارد، در سه گروه: (i) سوپرآلياژهاي پايه نيكل، (ii) سوپر آلياژهاي پايه كبالت و (iii) سوپر آلياژهاي پايه آهن، طراحي و توسعه يافته اند

- معرفي پره ها و نازلها
نازلها داراي : شرود داخلي، شرود خارجي و ايرفويل (شامل سمت مقعر ، سمت محدب ، لبه حمله و لبه فرار) مي باشد.
اجزاي مختلف پره ها شامل ريشه، شنك، پلت فرم، شرود و ايرفويل (شامل سطح مقعر يا فشار، سطح محدب يا مكش ، لبه حمله و لبه فرار ) مي باشد. كه بسته به طراحي پره، ممكن است شنك يا شرود در پره اي وجود نداشته باشد.
پرههاي متحرك توربين غالباً با ريخته گري دقيق بدست مي آيد و بر روي ايرفويل آنها ماشينكاري بعدي صورت نمي گيرد ولي ريشه ، شنك و شرود پره ها بايد ماشينكاري شود. ريشه از نظر ابعادي دقيق ترين قسمت پره مي باشد . دقت بالا شكل پيچيده و جنس چقر (tough) پره ها كه از سوپر آلياژ مي باشند و عمدتاً هم پايه نيكل هستند باعث مي‌شود كه ماشينكاري آنها اهميت ويژه اي پيدا كند و از ميان روشهاي موجود ، سنگرني خزشي مناسبترين روش ماشينكاري ريشه پره مي باشد