توربین گازی یا Claude Burdin، مانند دستگاه پرتابل تصفیه روغن توربین یکی از انواع ماشین آلات تجهیزات دوار است که قابلیت تبدیل گاز فشرده شده به انرژی جنبشی یا الکتریسیته را دارد. در توربین های گازی فرآیند تامین گاز فشرده شده به واسطه سوختن گاز طبیعی یا پروپان انجام می شود. زمانی که این فرآیند شکل می گیرد، توربین باعث انبساط هوای داخلی شده و در نهایت انرژی تولید خواهد کرد.
توربین گازی چیست؟
هواپیما به واسطه موتورهایی به نام توربوفن حرکت می کند که این موتورها زیر مجموعه ای از انواع توربین گازی هستند. توربین های گازی طی فرآیندی جریان گاز را به انرژی مکانیکی تبدیل کرده و منجر به حرکت هواپیماها یا جت ها می شوند. اما در کشتی ها و قطارها از توربین بخار به عنوان منبع قدرت استفاده می گردد؛ زیرا عملکرد اصلی این نوع توربین ها، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است.
اجزای موتور توربین گازی
موتور توربین گازی از 4 بخش اصلی زیر تشکیل شده است:
- کمپرسور: برای عملکرد صحیح توربین گازی، از هوای فشرده شده استفاده می شود که کمپرسور با تحت فشار قرار دادن هوای ورودی، این وظیفه را بر عهده دارد.
- ناحیه احتراق: تمام فرآیند ترکیب هوا و سوخت در این قسمت انجام می گیرید. در ناحیه احتراق، گازی پرفشار و قوی ایجاد خواهد شد که به تولید انرژی جنبشی کمک می کند.
- توربین: توربین برای دریافت گاز پرسرعت و با فشار زیاد، با ناحیه احتراق در ارتباط است.
- شفت: شفت انرژی مکانیکی تولید شده توسط توربین را به کمپرسور و سایر تجهیزات متصل (مانند ژنراتور یا پروانه) منتقل می کند.
نحوه عملکرد موتور توربین گازی
- ورود هوا: هوا از طریق کمپرسور وارد موتور شده و فشرده می گردد.
- احتراق: هوای فشرده با سوخت در محفظه احتراق مخلوط شده و احتراق رخ می دهد.
- انبساط: گازهای داغ حاصل از احتراق در توربین منبسط شده و انرژی مکانیکی تولید می کنند.
- خروج گازها: گازهای خروجی از توربین به بیرون هدایت می شوند.
انواع توربین گازی
توربین های گازی بر اساس طراحی، کاربرد و عملکرد به انواع مختلفی تقسیم می شوند. هر یک از توربین ها بسته به نیازهای خاص صنایع مختلف طراحی و به کار گرفته می شوند. انتخاب نوع توربین گازی به عواملی مانند توان مورد نیاز، بازدهی، هزینه های نگهداری و شرایط محیطی بستگی دارد. برخی از مهم ترین توربین های گازی که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
- موتور توربوپراپ
- توربوجت
- توربوفن
- توربوشفت
- توربین هوا مشتق
- میکروتوربین
1- موتور توربوپراپ (Turboprop engine)
موتور توربوپراپ از بخش های مختلفی مانند کمپرسور، مکنده، نازل پیشران، گیربکس کاهشی، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است و جزء متداول ترین انواع توربین گازی شناخته می شود. از موتور توربوپراپ معمولاً در موتور هواپیماها استفاده می شود تا به واسطه گیربکس کاهشی، باعث به حرکت درآمدن پروانه هواپیما شود. توربوپراپ ها اندازه کوچک و وزن کمی دارند؛ همچنین به دلیل بازدهی بالا در مسافت های کوتاه و مصرف سوخت پایین محبوبیت زیادی پیدا کرده اند. البته مشکلاتی مانند سرعت پایین در حرکت و صدای زیاد از جمله معایب موتور توربوپراپ هستند.
2- توربوجت (Turbojet)
توربوجت ها از 4 قسمت مختلف به نام کمپرسور، توربین، محفظه احتراق و خروجی تشکیل شده اند که به دلیل طراحی ساده، قابلیت کارکرد در سرعت های بالا، وزن سبک و داشتن ابعاد کوچک مورد توجه زیادی قرار گرفته اند. در مقابل توربوجت ها معایبی دارند که مصرف سوخت زیاد، کاهش عملکرد در سرعت های پایین، صدای زیاد و عدم کارآیی در مسافت های طولانی از جمله مشکلات این موتورها به شمار می آیند.
3- توربوفن (Turbofan)
در توربوفن قطعه ای به نام پنکه کانالی وجود دارد که این قطعه باعث تولید نیرو و توان می شود. توربوفن ها نسبت به انواع توربین گازی سوخت کمتری مصرف کرده و با ایجاد صدای کم، قابلیت استفاده در مسافت های طولانی را دارد. از جمله ویژگی های منفی توربوفن ها می توان به ابعاد بزرگتر نسبت به تجهیزات مشابه، وابستگی به پنکه کانالی و عدم کنترل نوسان های ناگهانی اشاره کرد.
4- توربوشفت (Turboshaft)
توربوشفت برای اولین بار در سال 1949 ساخته شد. از جمله ویژگی های مثبت این دستگاه می توان به قابلیت اطمینان بیشتر، ابعاد کوچک و بازدهی بالا اشاره کرد. اما توربوشفت در کنار مزایای خود، برخی ویژگی های منفی دارد که از جمله آن ها می توان به هزینه تولید بالا و ایجاد صدای زیاد اشاره کرد.
5- توربین هوا مشتق (Aeroderivative turbine)
در مدل های هوا مشتق از تکنولوژی هوانوردی استفاده شده است. این دستگاه ها وزن کم و بازدهی بالایی دارند که مورد توجه بسیاری از فعالان حوزه تولید برق برای تولید برق ثابت، قرار گرفته است.
6- میکروتوربین ها (Microturbines)
برای تولید گرما و الکتریسیته در مقیاس پایین از میکروتوربین ها استفاده می شود که با بازدهی 15 درصد (بدون تبادل گرمایی) و 20 تا 30 درصد (با تبادل گرمایی) به عنوان یکی از انواع توربین های گازی شناخته می شوند. میکروتوربین ها به دلیل تعداد کم بخش های متحرک، نرخ تابش پایین، وزن کم، هزینه انرژی پایین، طراحی فشرده و بازدهی بالا در صنعت مورد استفاده زیادی قرار می گیرد.
انواع محفظه احتراق توربین گازی
محفظه احتراق (Combustion Chamber) یکی از اجزای اصلی موتور توربین گازی است که در آن سوخت و هوا مخلوط شده و مشتعل می شوند تا انرژی حرارتی لازم برای چرخش توربین تولید شود. طراحی محفظه احتراق باید به گونه ای باشد که احتراق به صورت کامل و پایدار انجام شود، آلایندگی کمتری تولید کند و در عین حال، مقاومت لازم در برابر دما و فشار بالا را داشته باشد.
انتخاب نوع محفظه احتراق به عوامل مختلفی مانند کاربرد موتور، اندازه، وزن و هزینه ها بستگی دارد. محفظه های احتراق توربین گازی بر اساس نوع طراحی و نحوه مخلوط شدن سوخت و هوا، به سه دسته اصلی زیر تقسیم می شوند:
1- محفظه احتراق نوع لوله ای (Can Combustor)
این نوع محفظه احتراق از چندین لوله جداگانه تشکیل شده است که به صورت موازی در اطراف موتور نصب شده و در موتورهای توربین گازی قدیمی و برخی موتورهای صنعتی استفاده می شود.
مزایا:
- کنترل احتراق بهتر در بارهای جزئی
- قابلیت استفاده از سوخت های مختلف
- طراحی ساده و تعمیر و نگهداری آسان
- قابلیت تعویض تک تک لوله ها بدون نیاز به تعمیر کل سیستم
- مناسب برای موتورهای کوچک و قدیمی
معایب:
- وزن بالا
- توزیع ناهموار حرارت در لوله ها
- توزیع غیریکنواخت دما در گازهای خروجی
2- محفظه احتراق نوع حلقوی (Annular Combustor)
این نوع محفظه احتراق به صورت یک حلقه پیوسته طراحی شده است که به دور محور موتور قرار می گیرد. مزیت این نوع طراحی، توزیع یکنواخت دما و فشار در محفظه احتراق است و معمولاً در توربین های با قدرت بالا مانند هواپیماها استفاده می شود.
مزایا:
- توزیع یکنواخت دما در گازهای خروجی
- طراحی فشرده و وزن کم
- افت فشار کم
- وزن کمتر و طراحی فشرده
- توزیع یکنواخت حرارت و فشار
- راندمان احتراق بالا و آلایندگی کم
معایب:
- طراحی پیچیده و هزینه ساخت بالا
- تعمیر و نگهداری دشوار
- مشکل در کنترل احتراق در بارهای جزئی
3- محفظه احتراق نوع لوله ای-حلقوی (Can-Annular Combustor)
این نوع ترکیبی از دو نوع لوله ای و حلقوی است. در این طراحی، چندین لوله احتراق به صورت دایره ای در داخل یک محفظه حلقوی قرار می گیرند و در برخی موتورهای توربین گازی صنعتی و هوایی استفاده می شود.
مزایا:
- توزیع یکنواخت دما
- کنترل احتراق بهتر نسبت به محفظه احتراق حلقوی
- قابلیت تعویض لوله ها به صورت جداگانه
معایب:
- وزن بیشتر نسبت به نوع حلقوی
- طراحی پیچیده و هزینه تولید بالا
اجزای اصلی محفظه احتراق توربین گازی
هر محفظه احتراق، صرف نظر از نوع آن، از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:
- نازل سوخت (Fuel Nozzle): سوخت را به داخل محفظه احتراق تزریق می کند و آن را به صورت ذرات ریز پخش کرده تا با هوا مخلوط شود.
- سوخت پاش (Fuel Injector): سوخت را به صورت پودر یا اسپری به داخل محفظه احتراق وارد می کند.
- لوله احتراق (Combustor Liner): دیواره ای است که احتراق در داخل آن اتفاق می افتد و باید در برابر دما و فشار بالا مقاوم باشد.
- سوراخ های هوا (Air Holes): هوای فشرده شده از کمپرسور از طریق این سوراخ ها وارد محفظه احتراق شده تا با سوخت مخلوط شود.
- جرقه زن (Igniter): برای شروع فرآیند احتراق، جرقه زن باعث اشتعال مخلوط سوخت و هوا می شود.
مزایای توربین های گازی
توربین‌های گازی به‌عنوان یکی از اصلی ترین تجهیزات در تولید برق و پیشرانه های هوایی شناخته می شوند. این توربین ها از ویژگی ها و مزایای متعددی برخوردار هستند که در زیر به برخی از مهم ترین آن ها اشاره می شود:
- راندمان بالا: توربین های گازی دارای راندمان حرارتی بالایی هستند، به ویژه زمانی که در چرخه های ترکیبی استفاده شوند راندمان می تواند به بیش از ۶۰٪ برسد.
- زمان راه اندازی سریع: توربین های گازی می توانند در مدت زمان کوتاهی به حداکثر توان خود برسند. این ویژگی باعث می شود برای استفاده در نیروگاه های پشتیبان انتخاب مناسبی باشند.
- قابلیت استفاده در چرخه های ترکیبی: توربین های گازی می توانند در چرخه های ترکیبی با توربین های بخار استفاده شوند تا راندمان کلی سیستم را افزایش دهند. در این حالت، گرمای خروجی از توربین گازی برای تولید بخار و راه اندازی توربین بخار استفاده می شود.
- کاهش نیاز به آب: برخلاف نیروگاه های بخار، توربین های گازی نیاز کمتری به آب برای خنک سازی دارند. این ویژگی در مناطق خشک و کم آب بسیار مهم است.
- قابلیت تنظیم بار الکتریکی: توربین های گازی به سرعت به تغییرات بار الکتریکی پاسخ می دهند که این ویژگی آن ها را برای تنظیم فرکانس شبکه برق مناسب می کند.
- تولید همزمان برق و حرارت: توربین های گازی می توانند در سیستم های تولید همزمان برق و حرارت استفاده شوند که از گرمای تلف شده برای مصارف گرمایشی یا صنعتی استفاده می شود.
- بازدهی بالا: توربین های گازی تا 40 درصد از انرژی را تبدیل به کار مفید خواهند کرد.
- هزینه نگهداری پایین: توربین های گازی به دلیل برخورداری از قسمت های چرخان کم، هزینه نگهداری پایینی دارد.
معایب انواع توربین گازی
- صدای زیاد: اکثر توربین های گازی در حین کار صدای زیاد به وجود می آورند.
- هزینه اولیه بالا: برای نصب و راه اندازی این تجهیزات هزینه اولیه زیادی لازم است.
- حساسیت به دمای محیط: عملکرد توربین‌های گازی به دمای محیط حساس است. با افزایش دمای محیط، توان خروجی و بازده توربین کاهش می یابد.
- راندمان پایین در بارهای جزئی: توربین های گازی در بارهای جزئی (زمانی که زیر حداکثر توان کار می کنند) راندمان کمتری دارند. این موضوع باعث می شود در شرایطی که نیاز به تغییرات مداوم بار وجود دارد، عملکرد بهینه ای نداشته باشند.
جمع بندی
توربین گازی یک نوع موتور حرارتی است که برای تبدیل انرژی حرارتی ناشی از سوختن گازها به انرژی مکانیکی استفاده می شود. توربین گازی از سه بخش اصلی کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است. ابتدا هوا توسط کمپرسور فشرده شده و سپس به محفظه احتراق وارد شده و مشتعل می‌شود. گازهای داغ و پر فشار ناشی از احتراق به سمت توربین هدایت می شود و باعث چرخش پره های توربین خواهد شد. چرخش پره ها انرژی مکانیکی تولید می کند که می تواند برای به حرکت درآوردن ژنراتور برق، پروانه هواپیما یا سایر تجهیزات صنعتی استفاده شود.
شما می توانید برای دریافت اطلاعات بیشتر در رابطه با این تجهیزات، از کارشناسان نیرونماد مشاوره دریافت نمایید.
