واژه? توربين براي اولين بار به وسيله ( Claude Burdin )1790-1873 در سال 1828 به وجود آمد که از لغت يوناني به معني چرخنده يا سر گردان مشتق شدهاست. توربين موتوري چرخندهاست که ميتواند از يک سيال انرژي بهدست آورد.
سادهترين توربينها يک بخش چرخنده و تعدادي پره دارند که به بخش اصلي متصل شدهاست سيال به پرهها برخورد ميکند و بدين ترتيب از انرژي ناشي از متحرک بودن آن استفاده ميکند به عنوان اولين توربينها ميتوان آسياب بادي و چرخاب را نام برد.
توربينهاي گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظي در اطراف پرههايشان دارند که سيال را کنترل ميکنند پوششها و پرهها ميتوانند اشکال هندسي مختلفي داشته باشند که هر کدام براي نوع سيال و بازده متفاوت است.
کمپرسور يا پمپ دستگاهي مشابه توربين است ولي با عملکرد بر عکس به طوري که اين دستگاه انرژي را ميگيرد و باعث حرکت يک سيال ميشود.
انواع توربين
توربينهاي بخار:
براي توليد برق در نيروگاههاي حرارتي که از ذغال سنگ، نفت و انرژي هستهاي استفاده ميکنند به کار برده ميشوند روزي از آنها براي هدايت وسايل نقليه مانند کشتي استفاده ميشد.
توربينهاي گازي:
اين توربينها معمولاً داراي يک ورودي، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و يک نازل است.
توربينهاي ترانسونيک:
جريان گاز در اکثر توربينها همواره سرعتي زير صفر دارد در اين نوع توربينها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. اين توربينها در فشار بالاتري کار ميکند ولي معمولاً بازده کمي دارند و خيلي هم مرسوم نيستند.
توربينهاي کنترا رتاتينگ:
دو توربين که يکي بالا ديگري پايين در جهت مخالف هم ميچرخند اين سيستم پيچيدگيهايي دارد که توليد آن را کاهش ميدهد.
توربينهاي سراميک:
توربينهاي با فشار بالا که از آلياژ نيکل و فولاد ساخته شدهاند معمولا داراي سيستمهاي خنک کننده پيچيده هستند اخيرا پرههاي سراميکي روي توربينهاي گازي امتحان شدهاست.
ما در اين مقاله به تفصيل توربين بخار و توربين گازي را توضيح مي دهيم .
توربين هاي بخار
توربين بخار يك دستگاه مكانيكي است كه انرژي گرمائي از بخار تحت فشار دريافت و آنرا به كار مكانيكي مفيد تبديل ميكند. توربين بخار تقريباً جانشين موتور بخار پيستوني، كه توسط توماس نيوكامن Thomas New Comen اختراع شد و توسط جيمز وات James watt توسعه يافت، شد. توربين بخار براي به حركت درآوردن ژنراتور برق بسيار مناسب است و 86 درصد برق در جهان از طريق استفاده از اين توربين توليد ميشود. اين توربين نوعي موتور حرارتي است كه بيشتر راندمان ترموديناميكي را از استفاده چند مرحلهاي انبساط بخار آب دريافت ميكند.
يکي از بهترين گزينه ها براي ساخت نيروگاههاي حرارتي استفاده از توربين هاي بخار است چون اين توربين ها عمر طولاني دارند و با توجه به اينکه در حرارت و فشار کمتري در مقايسه با توربين هاي گازي کار مي کنند عمر طولاني تري هم دارند و نيز کمتر به تعميرات اساسي نياز دارند . از اين رو مي توان از آنها بعنوان توربين هاي براي توليد برق پايه کمک گرفت .
اما عيب عمده آنها اين است که اولا دستگاههاي پر حجم و بزرگي هستند جاي زيادي را اشغال مي کنند و ثانيا دير وارد مدار مي شوند و مدتي براي پيش گرم کردن =WARM UP آنها بايد زمان صرف شود . از همه اينها گذشته توربين هاي بخاز نياز به نصب ديگ هاي بخار =BOILER دارند که اين نيز خودش نياز به تاسيسات و فضاي فراوان دارد . ونيز تاسيساتي براي تصفيه آب مورد نياز براي تغذيه ديگ بخار که همه آنها مستلزم صرف هزينه و فضاي لازم است . اما با اين حال استفاده از توربين هاي بخار يک سرمايه گذاري دائمي و با ارزش است
تاريخچه
اولين دستگاهي را كه ممكن است آنرا به عنوان توربين بخار به حساب آورد چيزي كه بهتر از يك اسباب به نظر ميرسيد بود كه توسط قهرمان اسكندريه در مصر رومي ساخته شد. اولين توربين بخار واقعي در سال 1551 در مصر عثماني توسط تقيالدين اختراع شد. در سال 1629 توربين ديگري به وسيله يك فرد ايتاليايي بنام Giovanni Branca ساخته شد. بهرحال اين توربينهاي بخار اوليه با مدل جديد بسيار متفاوت بودند. مدل جديد توربين در سال 1884 توسط يك مهندس انگليسي به نام چارلز پارلز Charles Parsons اختراع شد. اولين مدل توربين او به يك دينام وصل شد كه 5/7 كيلووات برق توليد كرد. اختراع وي به ثبت رسيد و سپس توربين وي توسط يك فرد آمريكايي بنام جرج وستينگهاس توسعه يافت.
تعدادي توربين متفاوت ساخته شدند و به خوبي با بخار عمل كردند. توربين de laval turbine كه توسط Gustaf de laval اختراع شد راندمان بخار را افزايش داد. اين توربين سادهتر، ارزانتر بود و ميتوانست با هرگونه فشار بخار عمل كند.
انواع توربين
توربينهاي بخار با ظرفيتهاي مختلف ساخته ميشدند. از توربينهاي باظرفيت يك اسب بخار (75/0 كيلووات) كه براي پمپها و كمپرسورها و غيره تا توربينهاي دو ميليون اسب بخار (000/500/1 كيلووات) كه براي توليد برق مورد استفاده قرار ميگيرند. توربينهاي بخار از نظر عملكرد طبقهبندي ميشوند.
توربينهاي ايمپالس (Impulse)
يك توربين ايمپالس چند نازل ثابت دارد كه بخار را به ژيگلورهاي با سرعت بالا هدايت ميكنند. اين ژيگلورها حاوي انرژي جنبشي قابل توجه هستند كه از طريق تيغههاي رتور كه شبيه بيلچه ميباشند اين انرژي را به شفت انتقال ميدهند، در توربينهاي ايمپالس انبساط بخار فقط در نازلها اتفاق ميافتد.
انواع توربينهاي ايمپالس به قرار زير هستند:
توربين بانكي - Banki Turbine
توربين كرارد - Girard Turbine
توربين پلتون - pelton Turbine
توربين تورگو - Turgo Turbine
توربينهاي ري اكشن (Reaction)
در توربين رياكشن تيغههاي رتور به حالتي قرار ميگيرند كه باعث همگرائي نازلها ميشوند. در اين نوع توربين از نيروي رياكشن (عكسالعمل) استفاده ميشود.
انواع توربينهاي رياكشن به قرار زير هستند:
توربين فورنيرون - Fourneyron Turbine
توربين فرانسيس - Francis Turbine
توربين تامسون - Thompson Turbine
توربين كاپلان - Kaplan Turbine
توربين پروپيلر - Propeller Turbine
انواع توربينهاي بخار شامل: توربين هاي متراكم كننده، غير متراكم كننده، با حرارت مجدد، كششي و القائي است. توربينهاي غير متراكم اغلب براي كاربردهاي بخار فرآيند استفاده ميشوند. فشار تخليه گاز به وسيله شير تنظيم كننده متناسب با نياز فشار بخار كنترل ميشود. اين توربينها معمولاً در پالايشگاهها واحدهاي حرارتي، كارخانههاي كاغذسازي و دستگاههاي آب شيرين كن و در مكانهائي كه مقادير زيادي بخار كم فشار بايستي در دسترس وجود داشته باشد يافت ميشود.
- توربينهاي متراكم كننده اغلب در نيروگاهها مخصوصاً نيروگاههاي هستهاي وجود دارند. اين توربينها بخار را در حالت بسيار متراكم تخليه ميكنند. اين نوع توربينها آب در حال تراكم در آخرين توربين به مواد گرانتر احتياج دارد، در غير اينصورت خوردگي تيغههاي توربينها مسائل بزرگي به وجود ميآورد. اين مواد بهرحال به دلائل مختلف در نيروگاههاي هستهاي بسيار معمول است.
- توربينهاي با حرارت مجدد نيز تقريباً به طور انحصار در نيروگاهها مورد استفاده قرار ميگيرند. در اين نوع توربين جريان بخار از بخش فشار زياد در داخل توربين خارج ميشود و براي افزايش حرارت آن به بويلر (ديگ بخار) برميگردد. اين بخار سپس به بخش فشار متوسط توربين برميگردد و در آنجا منبسط ميشود.
- توربيـنهـاي اكستركتينگ (Extracting Turbines) در بسيـــاري از مــوارد مخصوصــاً در بخشهاي توليدي مانند صنعت كاغذسازي كه به بخار با فشار و حرارت معين نياز دارند بسيار معمول است. در اين نوع توربين، بخار از يك نقطه توربين با درجه حرارت و فشار مطلوب دريافت ميشود و يا به سيستم گرمكننده آب تغذيه بويلر ارسال ميشود. افزايش گرماي سيستم گرم كننده آب تغذيه بويلر باعث بهبود راندمان توربين خواهد شد.
- توربينهاي كروزينگ (Cruising Turbines)
اين توربينها در دهههاي 1950 و 1960 در نيروي دريائي آمريكا استفاده شد. توربينهاي كروزينگ براي سرعتهاي كم و متوسط طراحي شد.
- توربينهاي معكوس (Reversing Turbines) داراي يك يا چند سري تيغه هستند كه در جهت عكس محور اصلي قرار ميگيرند. ترتيب دريچهها به صورتي است كه باعث ميشود خط اصلي بخار به طرف تيغههاي جلو بسته ميشود و به طرف تيغههاي معكوس باز ميگردد. تيغههاي معكوس روي همان شفت تيغههاي جلوئي نصب شدهاند. توربينهاي بخار معكوس زماني در صنعت دريائي مورد استفاده قرار ميگرفت.
توربين هاي گازي
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 . توربين هاي گازي داراي شرايط کاري سخت مي باشند و قطعاتي نظير پره هاي توربين بايد در درجه حرارت هاي بالا استحکام مناسبي داشته باشند.همچنين به دليل اتمسفرشديدا اکسيدکننده و خورنده توربين ها، قطعات مختلف توربين بويژه پره ها بايد مقاومت بالايي در برابر خوردگي داغ و اکسيداسيون داشته باشند. تاکنون آلياژهاي پايه نيکل و پايه کبالت بهترين آلياژها براي ساخت قطعات توربين بوده اند اما حتي با بهينه کردن ترکيب شيميايي سوپر آلياژها امکان دستيابي به کليه خواص مطلوب فوق وجود ندارد لذا براي مقاوم سازي اين آلياژها در برابر خوردگي داغ، اکسيداسيون و سايش، پوشش هايي در سطح آنها صورت مي گيرد . يک نوع از پوشش هاي کار آمد براي اين منظور پوشش هاي سد حرارتي (Thermal Barrier Coatings) هستند که به اختصار پوشش هاي TBC ناميده مي شوند.
اغلب پوشش هاي TBC بر پايه زيرکونيا ( Zro2 ) مي باشند که با افزودن ترکيباتي مثل ايتر يا (Y2o3 ) پايدار مي گردند. Zro2 داراي هدايت حرارتي کم و ضريب انبساط حرارتي بالا مي باشد و افزودن Y2o3 به آن موجب ايجاد مقاومت بيشتر در برابر شرايط سيکل حرارتي مي گردد. با بکارگيري اين پوشش ها و با استفاده از خاصيت هدايت حرارتي کم آنها راندمان توربين هاي گازي افزايش مي يابد زيرا با حضور اين پوششها دماي فلز پايه تا 170?C کاهش پيدا ميکند ودرنتيجه امکان افزايش دماي کاري توربين فراهم ميشود.
در حال حاضر تحقيقات براي توسعه اينگونه پوشش ها و همچنين بکارگيري نوع ديگري از پوشش هاي فلزي که بعنوان لايه bond coat بين فلز پايه و پوشش سراميکي قرار مي گيرند، درحال گسترش مي باشد.
لايه bond coat معمولا يک پوشش فلزي است که چسبندگي پوشش سراميکي را به فلز پايه افزايش مي دهد. درحال حاضر برروي سوپر آلياژها ابتدا يک لايه از پوشش فلزي bond coat به ضخامت 80-150?m داده شده است و بر روي آن پوشش سد حرارتي با ضخامتي در حدود 300?m تا 2 mmبکار گرفته مي شود.
برنامه (Industrrial Power Generation) IPG يک همکاري مشترک از سازندگان توربين گاز، دانشگاهها، شرکتهاي گاز طبيعي، توليد کنندگان انرژي الکتريکي، آزمايشگاههاي ملي و استفاده کنندگان صنعتي مي باشد. همکاري فوق که شامل طيف وسيعي از مشارکت کنندگان مختلف است منابع و امکانات فني- اقتصادي- تحقيقاتي مناسبي را براي ايجاد يک تحول اساسي در فن آوري توربين گاز فراهم مي آورد. يکي از قدمهاي اوليه اين برنامه توليد پوشش سد حرارتي TBC براي توربينهاي گاز بوده است.
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.
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 گازها مي باشد.
.jpg)
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.
.jpg)
شكل زير هم نوعي توربين گازي با ظرفيت توليدي 400 مگاوات را نمايش مي دهد.
.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 (سي 130)
توربين هاي گازي پيشرفته امروزي
توربين هاي گازي جديد ي که براي موارد توليد انرژي الکتريکي طراحي شده و بکار مي روند ، در حالت کلي از نظر اندازه ، مواد به کاررفته در اجزاي مختلف و فناوري ، تغييرات اساسي يافته اند . مشخصات کلي به قرار زير است :
1) توان توليد برق درحدود 150 مگاوات در 60 هرتز يا 200 مگاوات در 50 هرتز
2) دماي گاز ورودي توربين در حدود C?1260 و نسبت فشار کمپرسور 1: 16؛
3) کارايي کل واحد با گاز طبيعي حدود 35 درصد و در صورت استفاده از سيکل ترکيبي ،47 درصد.
مشخصات کلي توربين گازي سري قبلي اين مدل ، 100 مگاوات ، C? 1100و
33 درصد است .چند نمونه از توربين هاي گازي پيشرفته اي که سازندگان توربين گازي در کشورهاي مختلف ارائه داده اند به قرارزير است :
مدل GT13E2 ساخت شرکت ABB درسال 1995 در هلند به بهره برداري رسيد . توان خالص توليد ي اين توربين در 50 هرتز با سوخت گاز طبيعي برابر 164 مگاوات در کارايي 7/35 درصد و با سوخت مايع برابر 161 مگاوات در کارايي 4/35 درصد است . نسبت فشار کمپرسور اين واحد برابر 15:1 است . در اين نمونه 72 مشعل در محيط محفظه ي احتراق قرار گرفته است که اين نوع مشعل ، ظرفيت توليد گاز NOx بسيار کمتري دارد . مقدار NOx توليد شده با سوخت گاز ، کمتر از PPm 25 و با سوخت مايع و تزريق آب ، کمتراز PPm 42 است . دماي ورودي گاز به توربين ?C 1100 و خروجي ?C 525 است .
اين توبين 5 مرحله پره دارد که در دو رديف اول روتور ، و سه رديف ثابت ، که در آنها سيستم خنک کننده نيز تعبيه شده است . سيستم خنک کننده ، در ريشه پره هاي دو رديف آخرنيز نصب شده است. جنرال الکتريک و شرکت اروپايي توربين گازي به طور مشترک ، مدل F 9001 MS را با فرکانس 50 هرتز ارائه داده اند که در نيرو گاه جنويلرس فرانسه ازآن استفاده مي شود .
توان توليد ي اين واحد 215 مگاوات در کارايي 35 درصد است . توان توليد ي مدل جديد تري ازاين سري به 226 مگاوات افزايش يافته است . کمپرسور اين توربين گازي داراي 18 مرحله با نسبت فشار 20:1 و محفظه ي احتراق مجهز به 18 مشعل با سيستم کنترل NOx است .
توربين ، از نوع سه مرحله اي است که در دورديف اول ، خنک کاري انجام مي شود . دماي ورودي توربين ?C 1288 است . از مدل 60 هرتز که FA 7001 MS ناميده
مي شود ، در نيروگاه نيو مارتين فلوريدا بهره برداري مي شود . توان توليدي اين توربين 149 مگاوات با NOx کمتر از PPm 25 با سوخت گاز طبيعي است . کارايي اين واحد با سيکل ترکيبي 47 درصد است . اين واحد ها ي بزرگ با کارايي بالا که براي زمانهاي حداکثر بار طراحي شده است ، قابليت مانور بالايي دارند .
توربين گازي جنويلوس از لحظه آغاز راه اندازي تا رسيدن به شرايط توليد با ظرفيت کافي فقط به 12 دقيقه زمان نياز دارد و چون هزينه توليد اين واحد پايين است ، انتظار
مي رود که از آن در سيکل هاي ترکيبي استفاده شود. در اين صورت ، توليد الکتريسيته براي بار پايه صورت مي گيرد و تعداد دفعات راه اندازي و از کاراندازي آن کاهش خواهد يافت . با تغيير روش استفاده و با بهره برداري بهينه ، ويژگيهاي تعميراتي نيز تغيير خواهد کرد که در اين صورت بايد به اين موارد نيز در طراحي توجه شود .
لازم است ذکر شود که در صورت استفاده در بار پايه ، خروج واحد از شبکه بدون برنامه ريزي قبلي ، ضررمالي قابل توجهي را به دنبال خواهد داشت .
منابع تحقيق:
http://cmw.persianblog.ir
http://news.tavanir.org.ir
http://chengr.parsiblog.com
http://www.vmrpcr.ir
http://www.iran-eng.com
http://www.newaerospace.blogfa.com
/س