اجزای توربین گازی شامل چه مواردی است؟

توربین‌های گازی ماشین‌های پیچیده‌ای هستند که در تولید برق، هوانوردی و فرایندهای مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آنها انرژی سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

اجزای توربین گازی اساساً یکسان هستند؛ اما به دلیل تفاوت در اصطلاحات برای هر سازنده، روند نام‌گذاری قطعات توربین گاز کمی متفاوت است.

به طور عمده سه مورد از جمله یک کمپرسور، یک موتور احتراقی و یک توربین به اضافه قطعات دیگر مانند روتورها، محفظه‌ها و اجزای کمکی به‌ عنوان اجزای توربین گاز در نظر گرفته می‌شود.

در این مقاله می‌خواهیم در مورد اینکه توربین گازی چیست و چه اجزایی دارد، صحبت کنیم.

1# توربین گازی چیست؟

توربین گازی وسیله‌ای مکانیکی است که انرژی گاز تحت فشار (معمولاً هوا) را برای تولید برق مهار می‌کند.

این روند با فشرده کردن هوای ورودی، مخلوط کردن آن با سوخت، مشتعل کردن مخلوط و سپس اجازه دادن به گازهای خروجی با سرعت بالا برای به حرکت درآوردن توربین عمل می‌کند.

این فناوری در موتورهای هواپیما، نیروگاه‌ها و کاربردهای مختلف صنعتی کاربرد گسترده‌ای پیدا می‌کند و تولید نیروی جنبشی و نیروی محرکه کارآمد و قابل اعتماد را برای این کاربردها فراهم می‌کند.

به طور کلی، توربین گازی به‌عنوان یک موتور احتراق داخلی چرخشی است که به عنوان یک جایگزین ساده برای موتورهای پیستونی رفت و برگشتی سنتی عمل می‌کند.

این یک روش ساده برای تولید نیرو است که با توانایی متمایز آن در فشرده سازی هوای محیط و وارد کردن گرما از طریق احتراق سوخت در یک محفظه احتراق مشخص می‌شود که معمولاً به‌عنوان محفظه احتراق شناخته می‌شود.

توربین‌های گازی در زمینه‌های زیر کاربرد دارند:

• استفاده در نیروگاه‌ها برای تولید برق
• استفاده به‌ عنوان موتورهای جت در هواپیماها
• کاربرد در برخی از کشتی‌های دریایی و کشتی‌های مسافرتی به‌عنوان موتور پیشران
• هدایت تجهیزات صنعتی و سیستم‌های مکانیکی
• به‌‎کارگیری در حفاری و فراوری نفت
• برای انتقال گاز طبیعی از طریق خطوط لوله
• حرکت دادن پمپ‌ها و کمپرسورهای مختلف
• استفاده در ژنراتورهای پشتیبان
• به‌کارگیری به عنوان تولیدکننده نیروی محرکه در برخی از مخازن و وسایل نقلیه

2# اجزای توربین گازی

توربین‌‌های گازی انواع مختلفی دارند ولی به‌طور کلی اجزای توربین‌ گازی در ساختارهای مختلف تقریبا یکسان می‌باشند.

اصلی‌ترین اجزای توربین گاز عبارت‌اند از:

• کمپرسور
• محفظه احتراق
• توربین

در یک توربین گازی، کمپرسور و توربین به یک شفت متصل هستند که توسط سه یاتاقان پشتیبانی می‌شود.

انتهای شفت در کنار هوا به چرخ دنده لوازم جانبی متصل می‌شود که برای چرخاندن پمپ سوخت مایع اصلی، پمپ روغن اصلی، پمپ تأمین روغن هیدرولیک اصلی، کمپرسور اصلی تمیزکننده هوا استفاده می‌گردد.

انتهای شفت در سمت اگزوز با شفت ژنراتور که توسط دو یاتاقان ژنراتور (برینگ) پشتیبانی می‌شود، جفت می‌گردد؛ بنابراین اینگونه می‌توان گفت که ژنراتور، توربین، کمپرسور و موتور برای راه‌اندازی (موتور میل لنگ) همه در یک شفت هستند.

1-2# کمپرسور

کمپرسور به‌ عنوان اصلی‌ترین اجزای توربین گازی می‌باشد.

عملکرد کمپرسور مکش هوا از خارج است، بعد از مکش، هوا تحت فشار قرار می‌گیرد تا تبدیل به هوای پرفشار شود که برای هوای احتراق در محفظه احتراق استفاده می‌گردد.

هوای فشار بالا خروجی از کمپرسور برای نازل‌های توربین خنک کننده هوا، چرخ‌های توربین، قطعات انتقال، سطل‌های توربین مرحله اول و دوم و غیره استفاده می‌شود.

به طور معمول کمپرسور واحد گازی توربین نوعی کمپرسور جریان محوری است که از 17 سطح با نسبت فشار 10 به 1 تشکیل شده است.

پره‌های کمپرسور چرخشی را عموماً پره می‌نامند.

هوا قبل از ورود به سمت مکش کمپرسور از طریق فیلتر ورودی هوا و پره راهنمای ورودی (IGV) پاکسازی می‌شود.

وظیفه IGV یا هر کسی که CSGV (پره راهنمای منبع کمپرسور) را صدا می‌کند هدایت و تنظیم جریان هوا به کمپرسور مرحله اول است.

تغییر زاویه پره‌ها می‌تواند دبی و فشار هوای ورودی به کمپرسور را تحت تأثیر قرار دهد.

2-2# محفظه احتراق

این جزء از اجزای توربین گازی، محفظه‌ای است که احتراق در آن انجام می‌شود.

در محفظه احتراق مشعل‌ها (پیلوت) نصب شده‌اند.

در داخل پیستون شمع، فنری وجود دارد که از آن برای فشار دادن شمع به داخل محفظه احتراق استفاده می‌شود تا پرش شعله (قوس آتش) روی الکترود شمع در محفظه احتراق باشد.

هنگامی که چرخش توربین افزایش می‌یابد، فشار محفظه احتراق شمع پیستون فنری را به سمت بالا فشار می‌دهد تا الکترود شمع از محفظه احتراق خارج شود.

در هنگام راه اندازی گاز توربین، اگر یکی از شمع‌ها کار نکند، باز هم می‌تواند از شمع دیگر جرقه بزند.

آتش از طریق لوله آتش متقاطع به اتاق‌های احتراق دیگر منتقل می‌شود.

به طور کلی در توربین گازی از سه نوع محفظه احتراق استفاده می‌شود:

• محفظه‌های احتراق حلقوی
• محفظه‌های احتراق قوطی (چند قوطی)
• محفظه‌های احتراق حلقوی قوطی

معمولا، سوخت در انتهای بالادست مشعل به شکل اسپری ریز تزریق می‌شود.

نازل‌های سوخت ممکن است از نوع سیمپلکس یا دوگانه سوز باشند.

برخی از توربین‌های گازی «دو سوختی» هستند، به این معنی که می‌توانند مخلوطی از گاز و سوخت مایع را بسوزانند.

3-2# توربین

توربین قطعه‌ای است که انرژی جریان گاز با دمای بالا و فشار بالا را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

عملکرد توربین معمولاً بر اساس اصل واکنش است که گازهای داغ با استفاده از توربین‌های یک یا دو قرقره تا هشت مرحله منبسط می‌شوند.

در توربین‌هایی که بار خارجی را هدایت می‌کنند، بخشی از انبساط اغلب در یک توربین فشار بالا اتفاق می‌افتد که فقط کمپرسور را به حرکت در می‌آورد در حالی که انبساط باقی‌مانده در یک توربین مجزا و “آزاد” متصل به بار انجام می‌شود.

چرخاننده‌های توربین، سطل نامیده می‌شوند.

توربین‌های گازی دارای 3 سطح سطل توربین مرحله اول، دوم و سوم هستند.

اندازه از پره‌های سطح اول تا سوم افزایش می‌یابد؛ زیرا فشار گاز حرارتی پس از عبور از هر سطح از پره‌های توربین کاهش می‌یابد.

3 نازل توربین (سه مرحله نازل ثابت) یعنی نازل توربین مرحله اول، دوم و سوم وجود دارد.

از نازل‌های توربین برای هدایت جریان گازهای داغ پرسرعت به سمت تیغه گردان توربین استفاده می‌شود تا روتورهای توربین بچرخند.

چرخاننده‌های توربین‌های سطح 1 و 2 با هوای گرفته شده از کمپرسورهای سطح 16 خنک می‌شوند، به سوراخ‌های روتور توربین هدایت می‌شوند و از طریق سوراخ‌های کوچک در پایه‌های سطل‌های توربین سطح 1 و 2 خارج می‌شوند.

4-2# اگزوز

سیستم اگزوز وظیفه دفع گاز خروجی از توربین گاز به محیط را بر عهده دارد.

گازهای داغ خروجی مستقیماً به اتمسفر یا فرایند دیگری توسط یکی از اجزای توربین گازی به‌نام اگزوز تخلیه می‌شوند تا گرما قابل بازیافت باشد.

سیستم اگزوز ممکن است شامل یک دیفیوزر باشد که برای کاهش سرعت جریان گاز و افزایش فشار آن و یک پشته برای تخلیه جریان گاز به جو استفاده می‌شود.

به‌ عنوان‌ مثال، یک مولد حرارت بازیابی حرارت (HRSG) ممکن است مستقیماً بعد از یک توربین احتراق به منظور بازیابی گرما از گازهای خروجی نصب شود، سپس این گرما می‌تواند برای تولید بخار استفاده شود.

مقدار گرمای موجود قابل توجه است؛ زیرا دمای گازهای خروجی تخلیه شده از یک توربین گاز معمولی ممکن است تا 550 درجه سانتیگراد (1002 درجه فارنهایت) باشد.

اگزوز شامل دو جزء زیر است:

• نازل اگزوز: گازهای خروجی را در موتورهای جت شکل می‌دهد و سرعت می‌بخشد.
• سیستم بازیابی حرارت: گرمای باقیمانده را برای سایر مصارف (در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی) جذب می‌کند.

3# سایر اجزای توبین گازی

علاوه بر اجزای بالا، اجزای توربین گازی می‌توانند شامل موارد زیر نیز باشند:

• شفت: توربین را به کمپرسور و در برخی موارد به یک بار خارجی مانند ژنراتور یا پروانه متصل می‌کند.
  بسته به نوع موتور ممکن است یک یا چند محور متحدالمرکز (قرقره) وجود داشته باشد.
• ورودی: هوا را به داخل کمپرسور هدایت می‌کند.
  ممکن است در برخی از برنامه‌ها شامل فیلترها، خاموش کننده‌ها یا سیستم‌های یخ زدایی باشد.
• سیستم سوخت: سیستم سوخت رسانی وظیفه رساندن سوخت به توربین گاز را بر عهده دارد.
  سیستم سوخت ممکن است شامل یک پمپ سوخت، شیر کنترل سوخت و نازل‌های سوخت باشد.
• سیستم کنترل: سیستم کنترل وظیفه تنظیم پارامترهای عملکرد توربین گاز مانند جریان هوا، جریان سوخت و سرعت توربین را بر عهده دارد.
  سیستم کنترل ممکن است شامل حسگرها، محرک‌ها و یک پنل کنترل باشد.
• سیستم خنک کننده: این سیستم پره‌های توربین و سایر اجزایی را که در معرض دمای بسیار بالا قرار دارند خنک می‌کند تا از آسیب جلوگیری شود.
  پره‌های توربین ممکن است از گذرگاه‌های خنک کننده داخلی و هوای خنک کننده خارجی استفاده کنند.
• بلبرینگ و مهر و موم: یاتاقان‌ها از محورهای چرخان پشتیبانی می‌کنند و آب بندی‌ها اطمینان حاصل می‌کنند که هوا یا گاز فشار بالا از جایی که مورد نیاز است خارج نمی‌شود.
• سیستم روغن کاری: سیستم روانکاری وظیفه روانکاری قسمت‌های متحرک توربین گاز را برای جلوگیری از ساییدگی و پارگی بر عهده دارد.
  سیستم روغن کاری ممکن است شامل پمپ روغن، فیلتر روغن و خنک کننده روغن باشد.

4# نقش اجزای توربین گازی

نقش اجزای توربین گازی در عملیات به این صورت است که هوا قبل از ورود به کمپرسور از طریق فیلتر ورودی هوا که برای فیلتر کردن خاک، گردوغبار یا ذرات حمل شده در هوا قبل از ورود به کمپرسور عمل می‌کند، فیلتر می‌شود.

به دلیل اهمیت فراوان این‌ کار، تعداد زیادی عنصر فیلتر روی فیلتر ورودی هوا وجود دارد.

روش تمیز کردن فیلتر به صورت Self Cleaning Air Filter System است، به این معنی که عناصر فیلتر به طور خودکار و متوالی با استفاده از هوای فشار تخلیه کمپرسور در طول کار توربین تمیز می‌شوند.

در ورودی آب فیلتر یک سوئیچ فشار برای تعیین کثیفی فیلتر نصب شده است.

سپس هوا از فیلتر ورودی هوا از پره راهنمای ورودی عبور می‌کند که عملکرد آن میزان جریان هوای ورودی به کمپرسور را تنظیم می‌نماید.

هنگام راه‌اندازی یا خاموش شدن، موقعیت پره راهنمای ورودی (IGV) باید بسته باشد و شیر تخلیه کمپرسور باید باز شود تا از موج کمپرسور (تپش) جلوگیری شود.

هوا توسط کمپرسور فشرده می‌شود؛ بنابراین فشار افزایش می‌یابد.

در محفظه احتراق فرایند احتراق با مخلوط کردن هوای تحت فشار و سوخت انجام می‌شود.

فرایند احتراق در یک حالت فشار ثابت انجام می‌شود به‌ طوری‌ که می‌توان گفت محفظه احتراق فقط برای افزایش دما است.

گازهای احتراق از طریق یک نازل به داخل توربین هدایت می‌شوند که جریان گاز داغ را به سمت پره‌های چرخشی توربین هدایت می‌کند.

نیروی تولید شده توسط بخشی از توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور و تا حدی برای به حرکت درآوردن ژنراتور استفاده می‌شود.

برخلاف نیروگاه بخار (PLTU)، توربین گازی فقط ژنراتور را به حرکت در می‌آورد تا توان تولید شده توسط توربین به اندازه توان ژنراتور باشد.

پس از عبور از تیغه توربین سطح 3، گاز داغ از طریق کانال اگزوز به بیرون تخلیه می‌شود.

5# ملاحظات راه اندازی و کنترل

برای راه اندازی اولیه توربین گاز، یک درایو اولیه برای چرخش کمپرسور و توربین مورد نیاز است که از یک موتور الکتریکی (موتور میل لنگ) استفاده می‌کند؛ ولی در کاربری‌های مختلف برای اجزای توربین گازی باید ملاحظاتی را در نظر گرفت.

دماهای بالا در ورودی توربین و تنش‌های بالای پره گریز از مرکز، استفاده از آلیاژهای فلزی ویژه برای پره‌های توربین را ضروری می‌کند.

تیغه‌هایی که در معرض دماهای بسیار بالا هستند نیز باید توسط هوای سردتری که مستقیماً از کمپرسور کشیده می‌شود خنک شوند و از طریق گذرگاه‌های داخلی تغذیه شوند.

در یک موتور توربین گازی که ژنراتور الکتریکی است، سرعت باید بدون توجه به بار الکتریکی ثابت نگه داشته شود.

کاهش بار از حداکثر طراحی را می‌توان با سوزاندن سوخت کمتر و درعین‌حال ثابت نگه داشتن دور موتور مطابقت داد.

کاهش جریان سوخت، دمای خروجی محفظه احتراق و با آن، افت آنتالپی موجود در توربین را کاهش می‌دهد.

اگرچه این کار راندمان توربین را اندکی کاهش می‌دهد؛ اما روی کمپرسور که همچنان همان مقدار هوا را اداره می‌کند، تأثیری نمی‌گذارد.

روش کنترل فوق به طور قابل ملاحظه‌ای متفاوت از روش توربین بخار است که در آن نرخ جریان جرمی باید برای مطابقت با بارهای مختلف تغییر یابد.

کنترل موتور توربین گازی هواپیما دشوارتر است.

نیروی رانش مورد نیاز و همراه با آن سرعت موتور ممکن است با تغییر ارتفاع و سرعت هواپیما تغییر کند.

ارتفاعات بالاتر منجر به کاهش دما و فشار هوای ورودی و کاهش سرعت جریان جرم از طریق موتور می‌شود.

در حال حاضر هواپیماها از کنترل‌های کامپیوتری پیچیده برای تنظیم سرعت موتور و جریان سوخت استفاده می‌کنند درحالی‌که تمام شرایط بحرانی به طور مداوم نظارت می‌شود.

برای راه اندازی، توربین‌های گازی به یک موتور خارجی نیاز دارند که ممکن است الکتریکی یا برای کاربردهای ثابت، یک موتور دیزل کوچک باشد.

6# ایده‌های نوین در طراحی

اخیرا بسیاری از جنبه‌های نوین در طراحی یک موتور و اجزای توربین گازی مدرن وارد شده است که تنها چند نمونه از آنها را می‌توان ذکر کرد.

مثلا در یک ایده به یک واحد چند قرقره‌ای که طراحی همه یاتاقان‌ها از جمله یاتاقان‌های رانشی که نیروهای محوری را جذب می‌کنند و به سیستم روانکاری معطوف شود، توجه زیادی شده است.

به این صورت همانطور که موتور روشن و داغ می‌شود، اجزای توربین گازی رشد می‌کنند و در نتیجه بر روی فاصله‌های عبور و آب بندی تأثیر می‌گذارند.

ملاحظات دیگر شامل خروج هوا از کمپرسور و مجرای آن برای خنک کردن پره توربین یا لوازم جانبی است.

نتیجه گیری

توربین‌های گازی توربین‌های نوآورانه‌ای هستند که از گاز تحت فشار برای تولید برق یا به حرکت درآوردن هواپیما به طور مؤثر استفاده می‌کنند.

این موتورهای پیشرفته با استفاده از چرخه برایتون، با سوزاندن سوخت‌هایی مانند گاز طبیعی، نفت سفید، پروپان یا سوخت جت، نیرو را برای انبساط هوای درون سیستم به دست می‌آورند.

جریان انرژی حاصل از توربین تأمین یکپارچه نیرو را تسهیل می‌کند.

یک توربین گاز از چندین جزء ضروری از جمله کمپرسور، محفظه احتراق، توربین و گاهی اوقات یک توربین قدرت تشکیل شده است.

روند کاری اجزای توربین گازی به این صورت است که کمپرسور هوای ورودی را فشرده می‌کند و سپس با سوخت در محفظه احتراق مخلوط می‌شود و در آنجا مشتعل می‌شود.

گازهای خروجی با سرعت بالا توربین اصلی را به حرکت در می‌آورند و انرژی مکانیکی را برای کاربردهای مختلف مانند نیروی محرکه هواپیما یا تولید برق تولید می‌کنند.