توربین های گازی

[kab]

توربينهاي گازي

مقدمه :

از زمان تولد توربينهاي گازي امروزي در مقايسه با ساير تجهيزات توليد قدرت , زمان زيادي نمي گذرد . با اين وجود امروزه اين تجهيزات به عنوان سامانه هاي مهمي در امر توليد قدرت مكانيكي مطرح مي باشند . از توليد انرژي برق گرفته تا پرواز هواپيماهاي مافوق صوت همگي مرهون استفاده از اين وسيله سودمند مي باشند . ظهور توربينهاي گازي باعث پيشرفت زيادي در رشته هاي مهندسي مكانيك , متالورژي و ساير علوم مربوطه گشته است . بطوري كه پيدايش سوپرآلياژهاي پايه نيكل و تيتانيوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره هاي ثابت و متحرك توربينها كه دماهاي بالايي در حدود 1500 درجه سانتيگراد و يا بيشتر را متحمل مي شوند, از سرعت بيشتري برخوردار شد . به همين خاطر امروزه به تكنولوژي توربينهاي گازي تكنولوژي مادر گفته مي شود و كشوري كه بتواند توربينهاي گازي را طراحي كند و بسازد هر چيز ديگري را هم مي تواند توليد كند .



همانطور كه بيان گرديد از اين تجهيزات در نيروگاهها براي توليد برق ( معمولا براي جبران بارپيك) موتورهاي جلوبرنده (هواپيما ,كشتيها و حتي خودروها) , در صنايع نفت و گاز براي به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده مي شود كه امروزه كاربرد توربينهاي گازي در حال گسترش مي باشد .



اجزاي توربينهاي گازي :

به طور كلي كليه توربينهاي گازي از سه قسمت تشكيل
مي شوند :



1.كمپرسور 2.محفظه احتراق 3.توربين



كه بنا به كاربرد قسمتهاي ديگري نيز براي افزايش راندمان و كارايي به آنها اضافه مي شود . به عنوان مثال در برخي از موتورهاي هواپيماها قبل از كمپرسور از ديفيوزر و بعد از توربين از نازل استفاده مي شود . كه دراين رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گرديد

سيكل توربينهاي گازي :

سيكل ترموديناميكي توربينهاي گازي سيكل استاندارد هوايي يا برايتون مي باشد كه در حالت ايده ال مطابق شكل زير شامل دو فرايند ايزنتروپيك در كمپرسور و توربين و دو فرايند ايزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهاميباشد
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine2.png


سيكلهاي توربينهاي گازي در دونوع باز و بسته مي باشند . در سيكل باز ( شكل فوق) گازهاي خروجي از توربين به درون اتمسفر تخليه مي شوند كه اين سيكل بيشتر در موتورهاي هواپيما مورد استفاده قرار مي گيرد . در نوع بسته كه عمدتاً در نيرو گاههاي برق مورد استفاده قرار مي گيرد گازهاي خروجي از توربين ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گرديده و سيكل تكرار مي شود .

همانطوركه قبلا بيان گرديد توربينهاي گازي از نظر كاربردي به دو گروه صنعتي و هوايي تقسيم مي شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردي مورد استفاده قرار مي گيريند . كه ذيلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهيم نمود .

توربينهاي گازي صنعتي :

منظور از توربينهاي گازي صنعتي اشاره به كاربرد آنها غير از بخش هوانوردي مي باشد . در شكل زير شمايي از يك واحد توليد نيروي برق توسط توربين گاز , نشان داده شده است .

http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine.jpg


شكل زير هم نوعي توربين گازي با ظرفيت توليدي 400 مگاوات را نمايش مي دهد.

http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(1).jpg

توربينهاي گازي كه در صنعت برق مورد استفاده قرار مي گيرند داراي ظرفيتهاي متفاوتي مي باشند كه شكل قبل نوعي از اين توربينها با ظرفيت 400 مگاوات را نشان مي دهد.

توربينهاي گازي هوايي يا موتورهاي جت :

همانطور كه گفته شد سيكل توربينهاي گازي موتورهاي هواپيما شبيه به توربينهاي گازي صنعتي مي باشد بجز اينكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از يك ديفيوزر و بعداز توربين از يك نازي براي بالا بردن سرعت گازهاي خروجي و حركت هواپيما به سمت جلو استفاده مي كنند . اين گازهاي پرسرعت بر هواي خارج از موتور نيرويي وارد مي كنند كه طبق قانون سوم نيوتن نيروي عكس العمل آن سبب حركت هواپيما به سمت جلو مي شود . شايان ذكر است كه نازل در هواپيماهاي جت از نوع متغير مي باشد . يعني دهانه آن با توجه به دبي (گذرجرمي) گازهاي خروجي قابل تغييرو تنظيم است .

موتورهاي هواپيما انواع مختلفي دارند كه به دو سته كلي تقسيم مي شوند :



1- موتورهاي پيستوني :

كه از نظر كاري شبيه به موتور خودروها مي باشند.

2- موتورهاي توربيني :

اين موتورها به سه دسته كلي توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسيم بندي مي شوند.

توربوجتها اولين موتورهاي جت مي باشند كه امروزه به دليل مسائلي مثل صداي زياد و آلودگي محيط زيست بجز در موارد خاص استفاده اي از انها نمي شود . توربوفنها نوع پيشرفته موتورهاي توربوجت هستند . به اين صورت كه رديف اول كمپرسور در اين موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداري از هواي ورودي به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه اين عمل علاوه بر افزايش نيروي جلوبرندگي باعث كاهش صدا,آلودگي محيطي و ... مي شود .

در موتورهاي توربوفن با اتصال يك ملخ به گيربكس و سپس به كمپرسور , نيروي جلوبرندگي ايجاد مي شود . در اين حالت سعي مي شود كه بيشترين انرژي جنبشي گازها صرف چرخاندن توربين و از آنجا كمپرسور و در نتيجه ملخ شود . وجود گيربكس به اين خاطر است كه سرعت دوراني ملخ از حد معيني تجاوز نكند . يعني بايد سرعت انتهاي ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زيرا سرعتي بيش از اين سبب ايجاد ارتعاشات شديد و در نتيجه شكستگي ملخ مي شود.

موتورهاي توربوشفت نيز نوعي موتور توربوپراپ مي باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هليكوپترها استفاده مي شود .بطور كلي موتورهاي توربوپراپ بدليل اينكه در ارتفاع پروازي كم از قدرت زيادي برخوردار هستند از آنها در هواپيماهاي ترابري استفاده مي شود ( مثل C130 )



آشنايي با برخي اصطلاحات مهم :

1- نيروي جلوبرندگي يا تراست (Thrust)

موتورجت بر اساس قانون سوم نيوتن نيروي تراست را توليد مي كند . يعني نيرويي به سمت عقب بر هوا وارد كرده و عكس العمل اين نيرو براي ما نيروي جلوبرندگي يا تراست را فراهم مي كند . از طرفي ميدانيم كه از قانون دوم نيوتن داريم :

با توجه به حقايق فوق مي توان اقدام به نوشتن دو نوع فرمول براي تراست نمود :



1- نت تراست (Net thrust)

اين نوع تراست به حالتي اطلاق مي شود كه هواي ورودي به موتور سرعت داشته باشد . به عبارت ديگر تقريباً مي توان گفت موتور در حركت باشد . در اينصورت فرمول آن به دو شكل زير خواهد بود :

- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :

http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(1).gif


- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :

http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(2).gif

در فرمولهاي فوقجرم هواي ورودي به موتور,سرعت گازهاي خروجي از نازل , سرعت هواي ورودي به موتور , سطح مقطع نازل , و به ترتيب فشار استاتيك نازل و اتمسفر ميباشد .ضمناً در داخل موتور سوخت به هوا افزوده مي شود ولي به دليل نشتي هاي درون موتور از جرم آن صرف نظر مي شود .



1-2 گراس تراست(Gross thrust)

حالتي است كه سرعت هواي ورودي به موتور صفر بوده يعني در واقع موتور در حال سكون باشد .پس :

- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(9).gif


- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(10).gif

فرمولهاي بدست آمده فوق مختص موتورهاي توربوجت بوده و براي ساير موتورهاي جت مقادير فوق از روابط پيچيده تري محاسبه مي شوند .


2-راندمان حرارتي (Thermal Efficiency)

به اين راندمان اصطلاحاً راندمان داخلي internal efficiency نيز مي گويند و عبارت است از نسبت بين انرژي سينتيك گازها و كل انرژي حرارتي سوخت .
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(11).gif


اين راندمان در موتورهاي جت حدود 35 درصد و بستگي به ضريب تراكم و درجه حرارت احتراق دارد و هرچه اين دو عامل زياد شوند, راندمان حرارتي نيزافزايش پيدا خواهد كرد .


3-راندمان جلوبرندگي(Propulsive Efficiency)

اين راندمان را مي توان بانسبت انرژي جلوبرندگي مفيد برمجموع اين انرژي وانرژي غيرمفيدجت تعريف نمود . به عبارتي ديگر, راندمان جلوبرندگي حاصل تقسيم كارانجام شده برروي هواپيما بر انرژي سينتيك گازها مي باشد .

http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(12).gif

به سادگي مي توان ثابت كرد كه مقدار آن برابر است با :
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(13).gif

درفرمول فوق V سرعت هواپيماو سرعت گازهاي خروجي مي باشد و بنا به فرمول اگر اين مقدار كاهش يابد راندمان افزايش مي يابد . اين راندمان در موتورهاي جت 85 درصد است .

4-راندمان كلي (Overal Efficiency)

اين راندمان تلفيقي از دو راندمان قبل بوده به طوري كه مي توان ثابت كرد :
http://www.hamedmonsef.com/images/papers/gas%20turbine%20(14).gif

و تعريف آن چنين است :


يعني , نسبت كار انجام بر هواپيما به انرژي ناشي از سوخت . راندمان كلي موتورهاي جت حدود 30 درصد است .



5-مصرف ويژه سوخت((Specific Fuel Consumption-SFC

منظور از اين واژه مقدار سوخت مصرفي(gr or lb) به ازاي واحد تراست
(N or lb) در ساعت است .

منبع:انجمن علمی مکانیک
__________________

[kab]

بصورت دسته بندی زمانی تاریخچه توربین گازی و موتور جت را میتوان بصورت زیر نشان داد
یکصدوپنجاه سال پیش از میلاد : الکساندریا توربین هوای داغ را برای به حرکت درآوردن اجسامی در جشنهای مذهبی ساخت
هزاروپانصدوده میلادی : لئوناردو داوینچی توربین هوای داغ را برای به حرکت در آوردن و چرخاندن گوشت برای بریان کردن آن استفاده کرد
هزاروهفتصدونود : جان باربر انگلیسی مشخصات توربین گازی را با ارائه دادن الگوی سیکل ترمو دینامیکی توصیف کرد و آنرا برای موتور جت پیشنهاد کرد
هزاروهشتصدوهفت : جورج کالی موتور هوای داغ با توربین نوع عکس العملی را اختراع کرد که این موتور نحوه کارش همانند توربین های گاز امروزی بود
هزاروهشتصدوهجده : جیمز ژول فیزیکدان انگلیسی تئوری سیکل توربین گازی را بررسی و ارائه داد که با نام سیکل ژول معروف است
هزاروهشتصدوبیست وچهار : کارنو مقدمات اولیه تئوری موتور جت (توربین گاز) را ارائه کرد
هزاروهشتصدوبیست و هفت : رابرت استرلینگ برای موتور هایی که در سیکل هوای داغ کار میکنند مبدل حرارتی را اختراع کرد
هزاروهشتصدوسی و هفت : برسون اولین توربین گازی با کمپرسور چرخشی را طراحی کرد
هزاروهشتصدوچهل و شش : بوردن استفاده از کمپرسور و توربین چند مرحله ای را پیشنهاد کرد
هزاروهشتصدوهفتادودو : استالز اولین توربین گازی امروزی را طراحی کرد هزاروهشتصدوهشتادوچهار : چارلز پارسون طراحی توربین گازی را با جزییات بیشتری ارائه داد
هزارونهصدودو : موس دستگاه آزمایش توربین گازی را در دانشگاه کرنل نصب کرد
هزارونهصدوپنج : سوسیتی اولین توربین گازی را که 4 % بازدهی داشت را در پاریس راه اندازی کرد
هزارونهصدوهشت : هلزورس اولین توربین گازی را با حجم ثابت ساخت
هزارونهصدوبیست : شرکت تیسن توربین گازی هلزورس را به عنوان موتور قطار ایالتی بکار برد
هزارونهصدوسی : فرانک ویتل اولین طرح توربین گازی جت را ارائه داد
هزارونهصدوچهل : توربین گازی با سیکل بسته بکار گرفته شد
هزارونهصدو یک : هواپیما با موتور توربین گازی ساخته شده توسط فرانک ویتل به پرواز در آمد
هزارونهصدوچهل و هشت : توربین گازی با سیکل نیمه باز در سوییس آزمایش شد
هزارونهصدوپنجاه و شش : سیکل بسته با سوخت پودر زغال آزمایش شد
هزارونهصدوپنجاه ونه : رزمناو نیروی دریایی سلطنتی انگلیس با بکار گیری سیکل ترکیبی بخار و توربین گاز آزمایش شد
هزارونهصدوشصت : شرکت جنرال الکتریک واحد ترکیبی بخار و گاز را بکار گرفت هزارونهصدوشصت و یک :
انگلیسی ها هاور کرافت با موتور توربین گاز را بکار بردند
هزارونهصدوشصت و دو : شبکه تولید برق انگلستان واحد گازی به ظرفیت 17.5 مگاوات را آزمایش کرد

[kab]

http://www.badrsystem.com/fa/cms_content/images/turbine002.jpg

[kab]

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/fa/0/0f/%D8%AA%D9%88%D8%B1%D8%A8%DB%8C%D9%86_%DA%AF%D8%A7% D8%B2%DB%8C.jpg

[kab]

سیکل ترکیبی چیست؟


سیکل ترکیبی چیست؟
برای پاسخ به پرسش مذکور در ابتدا تعریفی از انواع توربین ها و اصول کلی کار آنها ارائه می دهیم.
توربین ها اصو لا بر اساس عامل ایجاد کننده کار تقسیم بندی می گردند . اگر عامل فوق گاز باشد آن را بخاری اگر آب باشد آبی و چنانچه باد باشد توربین بادی گو یند. توجه داشته باشیم که منظور از گاز گاز ناشی از احتراق است. لذا نوع سوخت دخیل در آن که بر حسب مورد می تواند گازوئیل مازول یا گاز باشد در این تقسیم بندی ها اهمیت ندارد. (اگر چه در کشور ما سوخت گاز سوخت غالب این توربین هاست. )



هر توربین گاز v94.2 متشکل از دو محفظه احتراق است که در طر فین توربین نصب هستند و سوخت گاز یا گازو ئیل پس از ورود به آن همراه با عملکرد سیستم جرقه مشتعل شده و با هوایی که از سمت فیلتر های ورودی وارد کمپرسور شده و پس از انبساط از آن خارج می شود وارد ناحیه محفظه احتراق شده محترق می گردد و گازی با درجه حرارت 1050 در جه سانتیگراد تو لید می نماید.


گاز مذکور وارد توربین گاز شده و سبب گردش توربین و در نتیجه محور ژنراتور ده و تولید برق می کند. محصول خروجی از توربین گاز دودیست با درجه حرارت حدود 550 درجه سانتیگراد که به عنوان تلفات حرارتی از طریق دودکش وارد جو می شود و به ایت ترتیب توربین گاز در بهترین شرایط با بهره برداری حدود 33 درصد تولید انرژی می کند. به بیان دیگر 67 درصد دیگر به عنوان تلفات حرارتی محسوب و فاقد کارایی می باشد.


ایده سیکل ترکیبی در واقع بازیافت مجدد از بخش 67 درصد یاد شده است. به این ترتیب که در بخش خروجی اگزوز هر توربین گاز با نصب دریچه های کنترل شونده گاز داغ فوق را به قسمت دیگ بخار هدایت تا آب موجود در آن به بخار سوپر هیت(بخار خیلی داغ و خشک) با درجه حرارت حدود 530 درجه سانتیگراد تبدیل و به همراه بخار خروجی از بویلر دوم جهت استفاده در توربین بخار به کار گرفته شود.
به این ترتیب در بخش دیگ بخار چون از مشعل و سوخت جهت گرمایش صرفه جویی می شود راندمان در کل افزایش یافته و به رقمی معادل 55 در صد می رسد. (نزدیک به 25 درصد از 67 درصد تلفات فوق الذکر بازیافت و بدون نیاز به سوخت اضافی تبدیل به انرژی الکتریکی می شود. )




این بخار پس از انجام کار در توربین بخار افت درجه حرارت پیدا کرده و دمای آن به رقمی حدود 60 درجه سانتیگراد می رسد و در اینجا به منظور استفاده مجدد از آن بخار فوق توسط سیستم خنک کن ( در نیرو گاه کرمان به کمک فنر های پرقدرت) سرد و تبدیل به آب شده و جهت استفاده مجدد پس از انجام عملیات تصفیه بین راهی وارد تانک تغذیه می گردد تا دوباره وارد دیگ بخار گشته و تبدیل به بخار سوپر هیت شود.
این چرخه را سیکل ترکیبی گویند که نیرو گاه کرمان یکی از نیرو گاه های فوق الذکر در سطح کشور محسوب می شود.


آب مورد نیاز این نیرو گاه از طریق سه حلقه چاه حفر شده در دشت جو پار تامین و به کمک خط لوله به استخر آب خام نیرو گاه به ظرفیت 3000 متر مکعب وارد و ذخیره شده تا پس از انجام عملیات تصفیه مورد استفاده بویلر های نیرو گاه قرار گیرد.
ظرفیت آبدهی چاه های مذکور 80 لیتر در ثانیه است