توربين گاز

توربين‌های گاز صنعتی مولد توان الکتریکی، که «توربو ژنراتور» گاز نیز نامیده می‌شوند، توربین‌هایی‌اند که توان تولید شده آن‌ها، به طور مستقیم یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه دنده، به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به توان الکتریکی تبدیل می‌شود. توربین گاز به دو صورت سیکل ساده یا سیکل ترکیبی است. در سیکل ساده، گازهای خروجی که تا 600 درجه سانتی‌گراد دما دارند، از اگزوز توربین مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقیمانده در آن هدر می‌رود.

اما در سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام «بویلر بازیاب» (Regenerative Boiler)، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل می‌کنند. در نتیجه، در سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند. بنابراین، با استفاده از این روش، بازده سیکل زیاد می‌شود. از توربو ژنراتورها می‌توان به صورت مولد همزمان برق و حرارت استفاده کرد که در این ترکیب، گاز خروجی برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانه‌ها استفاده می‌شود.

عملکرد توربين گاز

همان‌گونه كه گفتیم، اساس كاركرد توربين گاز چرخه برايتون است. بدین ترتیب که کمپرسور در حال گردش با دور زیاد، هوای محیط را مکیده و فشار آن را به چندین برابر فشار محیط (حدود 10 برابر) می‌رساند. ضمن این که نسبتاً درجه حرارت آن نیز زیاد می‌شود. هوای فشرده شده از کمپرسور خارج و به درون محفظه یا محفظه‌های احتراق هدایت می‌شود.

در داخل محفظه احتراق شعله دائمی برقرار است و سوخت (گاز، گازوئیل و یا بعضاً مازوت) نیز با فشار مناسبی به درون آن پاشیده می‌شود. سوخت به همراه هوای فشرده در مجاورت شعله، آتش گرفته و گاز داغی که دمای آن به 1800 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، با حجم زیاد تولید می‌شود. گاز حاصل که نتیجه یک احتراق کامل بدون تولید دوده است، به سبب محدودیت‌های فنی مستقیماً قابل ارسال به توربین نیست و باید خنک شود. این کار توسط هوای اضافه ورودی به اتاق احتراق، از طریق کمپرسور، انجام می‌گیرد.

گاز داغ مناسب از نظر درجه حرارت، وارد توربین‌شده و بخش اعظم انرژی خود را به صورت انرژی مکانیکی دورانی، به توربین منتقل می‌کند و خود از طریق اگزوز خارج می‌شود. حدود دو سوم انرژی دورانی حاصل از توربین به گرداندن کمپرسور و یک سوم آن برای گردش ژنراتور صرف می‌شود. ژنراتوری که یا به صورت مستقیم و یا از طریق جعبه دنده با توربین هم محور و کوپل است، با میدان گردان خود در استاتور، جریان الکتریکی با ولتاژ از پیش طراحی شده‌تولید‌می‌کند. شكل‌های ۲ و ۳ به ترتيب طرح حرارتی و طرح كلی توربين گاز را نشان می‌دهند.

اساس عملکرد

مبنای فرایندهای توربین‌های گازی از لحاظ علم ترمودینامیک، بر پایه‌ی چرخه‌ی برایتون می‌باشد که در طی آن، هوا به شکل بی‌دررو فشرده‌می‌شود و سپس احتراق در شرایط فشار ثابت صورت‌گرفته 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:

• • فشرده‌کردن هوا داخل کمپرسور توربین گازی به شکل بی‌دررو نباشد. این باعث می‌شود که برای رسیدن به یک نسبت مشخص فشار، دمای خروجی کمپرسور مقدار بیشتری از حالت ایده‌آل داشته‌باشد.
  • 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 بیشترشده 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 ساخته‌می‌شوند.

انواع توربین گازی چیست ؟

توربین‌های گازی انواع مختلفی دارند. رایج‌ترین انواع توربین‌های گازی عبارت هستند از:

• • • «موتور توربوپراپ» (Turboprop engine)
    • «موتور جت« (Jet engine)
    • «توربوجت» (Turbojet)
    • «توربوفن» (Turbofan)
    • «توربوشفت» (Turboshaft)
    • «توربین هوامشتق» (Aeroderivative turbine)
    • «میکروتوربین‌ها» (Microturbines)

در مقاله‌های بعدی به بررسی انواع توربین گازی می‌پردازیم.

بازده توربين گاز

همان‌طور كه گفتیم، بخش زيادی از انرژی در توربين گاز از بين می‌رود. بنابراين، دلايلی چون خروج گاز با دمای زیاد، صرف حدود دو سوم توان توربین در كمپرسور و عدم امكان استفاده از سوخت جامد سبب می‌شود كه توربين گاز بازده پايينی داشته باشد. از پارامترهای مؤثر بر بازده چرخه توربین گاز (چرخه برايتون) می‌توان به نسبت فشار یا نسبت تراکم کمپرسور، دمای محیط، دمای احتراق و بازده کمپرسور اشاره كرد. بر همين اساس می‌توان راه‌های زير را برای افزايش بازده توربين گاز پيشنهاد داد:

• • • افزایش دمای ورودی به توربین گاز
    • افزایش بازده توربین و کمپرسور
    • اصلاح چرخه توربین گاز
    • بهبود مقاومت مواد مورد استفاده در توربين و كمپرسور در برابر دما
    • بهبود راه‌های خنک‌کاری توربین
    • طراحی‌های جدید توربوماشین‌ها
    • بهبود روش‌های نگهداری کمپرسورها و توربین‌ها