معرفی انواع توربین گازی (۱۸ مدل رایج آن)

انواع توربین گازی که اغلب به عنوان موتور جت از آن یاد می‌شود، یک وسیله مکانیکی قدرتمند و همه کاره هستند که در کاربردهای مختلف از جمله نیروی محرکه هواپیما، تولید نیرو و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شوند.

این نوع توربین‌ها بر اساس اصل فشرده سازی و احتراق هوا با سوخت عمل می‌کنند تا گازهای خروجی با سرعت بالا تولید کنند که یک توربین را به حرکت در آورد و بتواند انرژی را به کار مکانیکی مفید تبدیل کند.

این فناوری کارآمد نقش مهمی در حمل و نقل مدرن و تولید انرژی ایفا می‌کند.

در این مقاله به بررسی انواع توربین گازی خواهیم پرداخت.

1# انواع توربین گازی

انواع توربین گازی بر اساس کاربرد و ویژگی‌های طراحی به دسته‌های مختلفی طبقه بندی می‌شوند.

توربین‌های گازی به شکلی گسترده در صنایع مختلف برای تولید برق، نیروی محرکه و کاربردهای مکانیکی استفاده می‌شوند.

آنها بر اساس چندین معیار از جمله روش احتراق، تعداد مراحل و توان خروجی طبقه بندی می‌شوند.

در این بخش به انواع توربین گازی اشاره خواهیم کرد.

1-1# توربین گازی چرخه باز

توربین گازی چرخه باز از سه جزء اصلی تشکیل شده که عبارت‌اند از:

• محفظه احتراق
• توربین
• کمپرسور

کمپرسور با کشیدن هوای محیط به داخل خود، فشار هوا را بالا می‌برد، در حالی که احتراق سوخت در محفظه احتراق باعث افزایش دمای هوا می‌شود.

گازهای گرم شده از محفظه احتراق منبسط می‌شوند و فعالیت‌های مکانیکی را در توربین انجام می‌دهند.

توربین‌های گازی چرخه باز معمولاً برای تولید برق در اوج و در کاربردهای هوانوردی استفاده می‌شوند.

2-1# توربین گازی سیکل بسته

در این نوع توربین گاز، سیال عاملی گازی مانند هلیوم است که در مبدل حرارتی با استفاده از یک منبع حرارتی خارجی مانند راکتور هسته‌ای گرم می‌شود.

در یک توربین گاز سیکل بسته، سیال، معمولاً هوا یا یک گاز مناسب دیگر از کمپرسور خارج می‌شود و با فشار نسبتاً ثابتی از طریق یک منبع حرارت خارجی تحت گرمایش قرار می‌گیرد.

سپس هوای با فشار و دمای بالا به سمت توربین هدایت می‌شود.

پس از توربین، سیال قبل از چرخش مجدد به کمپرسور وارد می‌شود که توسط یک عامل خنک کننده خارجی تا دمای اولیه خنک می‌شود.

این فرآیند حلقه بسته استفاده مداوم از سیال را با حداقل میزان نیاز به تغییر فاز ممکن می‌سازد.

توربین‌های گازی چرخه بسته معمولاً در نیروگاه های هسته‌ای و در کاربردهای فضایی استفاده می‌شوند.

3-1# موتورهای جت مقیاس

موتورهای جت در مقیاسی که به عنوان توربین‌های گاز مینیاتوری نیز شناخته می‌شوند، می‌توانند تا 22 نیوتن، نیروی رانشی تولید کنند و توسط بسیاری از مهندسان مکانیک با استفاده از ابزارهای اولیه مانند تراش فلزی به راحتی قابل ساخت هستند.

4-1# توربین گاز کمکی

توربین‌های گازی کمکی کوچکتر، عملکردهای مختلفی را برای هواپیماها همانند تأمین تهویه مطبوع، تهویه و نیروی هوای فشرده برای موتورهای جت را فراهم می‌کنند.

آنها همچنین نیروی مکانیکی لازم را برای راه اندازی موتورهای جت بزرگتر یا راه اندازی لوازم جانبی شفت تأمین می‌کنند.

5-1# توربین گاز سیکل ترکیبی

در این نوع توربین گاز، گازهای خروجی از یک توربین گازی چرخه باز به یک مولد بخار بازیابی حرارت هدایت می‌شوند و در آنجا برای تولید بخار استفاده می‌شوند که یک توربین بخار را به حرکت در می‌آورد.

توربین گاز سیکل ترکیبی یک سیستم بسیار کارآمد است که معمولاً در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود.

6-1# توربین گازی Aeroderivative یا مشتق

توربین‌های گازی مشتق از هوا به دلیل پاسخگویی سریع بار و قابلیت خاموش شدنی که دارد، در تولید برق مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این نوع توربین گازی بر پایه موتور جت ساخته می‌شود و به گونه‌ای فشرده و سبک طراحی شده است که آن را برای استفاده در کاربردهای دریایی نیز مناسب می‌کند.

توربین‌های گازی مشتق‌ شده هوا، معمولاً در نیروی محرکه هواپیما، نیروی محرکه دریایی و در تولید برق متحرک استفاده می‌شوند.

توربین‌های گازی مشتق از موتورهای هواپیما مشتق شده؛ اما برای استفاده صنعتی نیز سازگار شده‌اند.

آنها سبک‌تر، فشرده‌تر و برای راه اندازی سریع و تغییر بار طراحی شده‌اند.

از این نوع توربین‌های گازی برای تولید برق، برق اضطراری و درایوهای مکانیکی در صنعت نفت و گاز استفاده می‌شود.

از جمله مزایای توربین گازی مشتق می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• راندمان بالا
• راه اندازی سریع
• سبک وزن
• مناسب برای اوج گیری
• قدرت آماده به کار

معایب آن نیز عبارت اند از هزینه اولیه بالاتر آن و شرایط حساس‌تری که نسبت به محیط در مقایسه با توربین‌های سنگین دارد.

7-1# توربین گازی سنگین

این نوع توربین گازی برای توان خروجی بالا طراحی می‌شود و معمولاً در تولید برق و کاربردهای صنعتی مانند کارخانه‌های پتروشیمی و پالایشگاه‌های نفت استفاده می‌شود.

در تأسیسات برق مقیاس شهری، توربین های گاز سنگین برای تولید برق پیوسته طراحی شده‌اند.

این نوع توربین، معمولاً در تأسیسات قدرت سیکل ترکیبی استفاده می‌شود که در آنها از گرمای باقیمانده از یک توربین گاز برای تولید بخار استفاده می‌شود و توربین بخار را برای تولید برق اضافی به حرکت در می‌آورد.

آنها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به صورت مداوم برای دوره‌های طولانی کار می‌کنند و مقادیر زیادی از توان را ارائه می‌دهند.

مشابه بسیاری از توربین‌های گازی، آنها با استفاده از چرخه برایتون کار می‌کنند که در آن هوا فشرده می‌شود، با سوخت مخلوط و سپس سبب احتراق می‌شود و از طریق یک توربین منبسط خواهد شد تا الکتریسیته تولید شود.

این نوع توربین گازی برای نیروگاه‌ها، تولید همزمان صنعتی و درایوهای مکانیکی (به عنوان مثال، پمپ‌ها و کمپرسورها) استفاده می‌شود.

از جمله مزایای آن می‌توان به راندمان بالا، قابلیت عملکرد مداوم و مقیاس پذیری برای خروجی‌های برق اشاره کرد.

معایب آن عبارت اند از اندازه بزرگ و هزینه‌های نگهداری بالاتری که در مقایسه با توربین‌های کوچکتر دارند.

8-1# میکروتوربین

این نوع توربین گازی از نظر اندازه کوچک است و برای تولید برق پراکنده، مانند مکان‌های دورافتاده یا تولید همزمان در کاربردهای صنعتی و تجاری در مقیاس کوچک استفاده می‌شود.

آنها معمولاً از 30 تا 500 کیلو وات در توان خروجی متغیر هستند.

میکروتوربین‌ها معمولاً در کاربردهای مسکونی، تجاری و صنعتی استفاده می‌شوند.

به صورت کلی، توربین‌های گازی ماشین‌های همه کاره ای هستند که در طیف وسیعی از کاربردها در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انتخاب نوع توربین گاز به کاربرد خاص و توان خروجی مورد نیاز بستگی دارد.

اصل کار میکروتوربین‌ها با استفاده از اصول اولیه مشابه توربین‌های گازی بزرگتر است؛ اما در مقیاس کوچکتر عمل می‌کنند.

این نوع توربین‌ها، می‌توانند از انواع سوخت‌ها از جمله گاز طبیعی، گازوئیل و سوخت‌های زیستی استفاده کنند.

از جمله کاربردهای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تولید برق در محل
• سیستم‌های ترکیبی حرارت و برق (CHP) برای کارخانه‌های کوچک صنعتی
• ساختمان‌های مسکونی
• بیمارستان‌ها

مزایای استفاده از میکروتوربین‌ها عبارت اند از:

• جمع و جور
• انعطاف پذیری سوخت
• انتشار کمتر
• تعمیر و نگهداری کم

از معایب آن نیز می‌توان به راندمان کمتر آن در مقایسه با توربین‌های بزرگتر و همچنین توان خروجی محدود آن اشاره کرد.

9-1# توربین‌های گازی تولید برق

این توربین‌های گازی منحصراً برای تولید برق، اغلب در نیروگاه‌های سیکل ساده یا سیکل ترکیبی استفاده می‌شوند.

آنها برای کارایی بالا و عملکرد قابل اعتماد در مدت طولانی طراحی شده‌اند.

اصل کار این نوع توربین‌های گازی به صورت زیر است:

1. هوا فشرده می‌شود.
2. با سوخت مخلوط می‌شود.
3. مشتعل می‌شود.
4. گازهای داغ از طریق توربین منبسط می‌شوند تا یک ژنراتور الکتریکی را به حرکت در آورند.

در پیکربندی‌های سیکل ترکیبی، گرمای تلف شده از اگزوز برای تولید بخار برای تولید برق اضافی استفاده می‌شود.

از جمله کاربردهای این نوع از انواع توربین گازی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نیروگاه‌ها
• تثبیت شبکه
• سیستم‌های انرژی توزیع شده

مزایای استفاده از توربین‌های گازی تولید برق عبارت اند از:

• راندمان بالا
• مقیاس پذیری
• توانایی استفاده از تنظیمات چرخه ترکیبی برای کارایی بیشتر

معایب آن نیز هزینه اولیه بالا، نیاز به سیستم‌های خنک کننده و اجزای اضافی برای عملیات سیکل ترکیبی هستند.

10-1# توربین گازی شعاعی (گریز از مرکز)

این توربین‌های گازی از کمپرسور و توربین جریان شعاعی استفاده می‌کنند که در آن جریان هوا به جای محوری از مرکز پروانه به سمت بیرون حرکت می‌کند. (حرکت گریز از مرکز)

اصل کار توربین‌های گازی شعاعی به صورت زیر خواهد بود:

1. هوا وارد کمپرسور می‌شود.
2. توسط نیروی گریز از مرکز به بیرون رانده می‌شود.
3. فشار آن را افزایش می‌دهد.
4. هوای فشرده با سوخت مخلوط شده و سوزانده می‌شود.
5. سپس از طریق یک توربین منبسط می‌شود.

از جمله کاربردهای توربین‌های گریز از مرکز می‌توان به سیستم‌های تولید برق کوچک، میکروتوربین‌ها و کاربردهای صنعتی آن اشاره کرد.

مزایای استفاده از این نوع توربین عبارت اند از:

• طراحی ساده
• کم هزینه
• عملکرد قوی
• فشرده

معایب آن نیز راندمان و توان خروجی کمتر در مقایسه با طرح‌های جریان محوری هستند.

11-1# توربوجت

از دیگر انواع توربین گازی می‌توان به توربوجت اشاره کرد که ساده‌ترین شکل موتور توربین گازی است که عمدتاً در هواپیما استفاده می‌شود.

با بیرون راندن گازهای خروجی با سرعت بالا مستقیماً از عقب موتور، نیروی رانش ایجاد می‌کند.

اصل کار توربوجت به صورت زیر خواهد بود:

1. هوا توسط کمپرسور محوری یا گریز از مرکز فشرده می‌شود.
2. هوای فشرده با سوخت مخلوط می‌شود و در محفظه احتراق مشتعل می‌شود.
3. گازهای داغ از یک توربین عبور می‌کنند که کمپرسور را به حرکت در می‌آورد.
4. انرژی باقیمانده در گازها برای تولید اگزوز با سرعت بالا استفاده می‌شود که باعث ایجاد نیروی رانش می‌شود.

از جمله کاربردهای توربوجت می‌توان در هواپیماهای جت اولیه، هواپیماهای مافوق صوت و نظامی اشاره کرد.

از مزایای استفاده از این نوع توربین گازی می‌توان به سرعت بالا و سادگی در طراحی اشاره کرد.

معایب آن نیز کارایی کمتر در سرعت‌های زیر صوت و مصرف سوخت بالا در مقایسه با موتورهای پیشرفته تر مانند توربوفن‌ها است.

12-1# توربوفن

توربوفن از دیگر انواع توربین گازی است که یک موتور جت پیشرفته‌تر است و به صورت گسترده در هواپیماهای تجاری و نظامی استفاده می‌شود.

ترکیبی از یک موتور توربین گازی با یک فن بزرگ در جلو است که باعث افزایش راندمان موتور و کاهش صدا می‌شود.

اصل کار توربوفن عبارت است از:

1. هسته موتور مانند یک توربوجت کار می‌کند.
2. وجود یک فن بزرگ در بخش جلویی، هوای اضافی (هوای بای پس) را به اطراف هسته فشار می‌دهد.
3. فن بخش قابل توجهی از رانش را فراهم می‌کند، در حالی که هسته باقیمانده را ایجاد خواهد کرد.

کاربردهای آن در هواپیماهای تجاری به عنوان مثال، بوئینگ 737، ایرباس A320 و هواپیماهای نظامی است.

از جمله مزایای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• راندمان بالا
• کم صداتر
• مصرف سوخت بهتر، به ویژه در سرعت‌های زیر صوت

معایب توربوفن‌ها این است که پیچیده تر از توربوجت و سنگین تر از آنها هستند.

13-1# توربوپراپ

یک موتور توربوپراپ از یک توربین گاز برای به حرکت درآوردن ملخ استفاده می‌کند که بیشترین نیروی رانش را ایجاد خواهد کرد.

این موتورها برای هواپیماهای با سرعت پایین و پروازهای کوتاه برد ایده آل هستند.

اصل کار توربوپراپ‌ها به صورت زیر است:

1. یک توربین گاز نیروی مکانیکی تولید می‌کند که از طریق جعبه دنده کاهشی به پروانه منتقل می‌شود.
2. بیشتر نیروی رانش توسط پروانه ایجاد می‌شود، در حالی که مقدار کمی از گازهای خروجی حاصل خواهد شد.

از جمله کاربردهای توربوپراپ‌ها در هواپیماهای تجاری منطقه ای و کوچک مانند موارد زیر خواهد بود:

• ATR 72
• Bombardier Q400
• هواپیماهای حمل و نقل نظامی

مزایای استفاده از آن نیز عبارت اند از اینکه این نوع از انواع توربین گازی در سرعت‌ها و ارتفاعات کمتر بسیار کارآمد و دارای مصرف سوخت مناسب و بهینه است.

معایب آن نیز عبارت اند از اینکه این نوع توربین گازی برای پرواز با سرعت و ارتفاع بالا مناسب نیست.

14-1# توربوشفت

یکی دیگر از انواع توربین گازی توربوشفت است که یک موتور شبیه به یک توربوپراپ بوده؛ اما برای ارائه قدرت برای حرکت شفت به جای تولید نیروی رانش بهینه شده است.

این موتورها در هلیکوپترها و کاربردهای مختلف صنعتی کاربرد دارند.

اصل کار توربوشفت‌ها به صورت زیر است:

1. توربین گاز محوری را به حرکت در می‌آورد که می‌توان از آن برای تأمین انرژی سایر سیستم‌های مکانیکی مانند روتور هلیکوپتر یا ماشین آلات صنعتی استفاده کرد.
2. از یک توربین قدرت برای استخراج انرژی از گازهای خروجی برای به حرکت درآوردن شفت استفاده می‌شود.

از جمله کاربردهای توربوشفت‌ها می‌توان در موارد زیر اشاره کرد:

• هلیکوپترها به عنوان مثال Sikorsky UH-60 Black Hawk
• نیروی محرکه دریایی
• تولید برق
• صنعت نفت و گاز

مزایای استفاده از این نوع توربین‌های گازی نسبت قدرت به وزن بالا، اندازه جمع و جور و قابلیت اطمینان مناسبی که دارند، می‌باشد.

معایب آن نیز سیستم‌های انتقال پیچیده مورد نیاز در برخی از کاربردها، مانند هلیکوپتر است.

15-1# کمپرسور هوا

کمپرسور هوا یک دستگاه مکانیکی است که برای تبدیل نیرو از یک منبع انرژی اولیه مانند موتور الکتریکی یا موتور احتراق داخلی استفاده می‌شود.

کمپرسور هوا و توربین گازی در فضای واسطه‌ای که محفظه احتراق و توربین را به یکدیگر متصل می‌کند، به یک شفت مشترک متصل می‌شوند.

توربین‌های گاز به دلیل عدم وجود قابلیت خود راه ‌اندازی ذاتی، وجود یک موتور راه ‌انداز را ضروری می‌کنند.

وظیفه اصلی یک کمپرسور هوا جذب و فشرده سازی هوا است، بنابراین فشار آن را افزایش می‌دهد.

استفاده از کمپرسورهای طراحی محور شامل مراحل بسیاری در زمینه توربین‌های گازی مدرن و بزرگ است.

16-1# تک شفت

در توربین‌های گازی می‌توان از پیکربندی تک شفت یا دو شفت استفاده کرد.

ساختار تک شفت از یک شفت تشکیل شده که قسمت چرخشی کمپرسور هوا، سازنده توربین گاز و توربین قدرت را به هم متصل می‌کند.

این طرح برای کاربردهایی با سرعت ثابت، مانند ژنراتورهای الکتریکی برای فرکانس ثابت، مناسب است.

17-1# دو شفت

پیکربندی دو شفت شامل کمپرسور هوا، تأمین کننده گاز و توربین قدرت در دومین شفت مستقل است.

این طراحی، سرعت را به گونه‌ای انعطاف ‌پذیر ارائه می‌کند که برای پوشش مؤثر نقشه وسیع‌تری از سیستم نیرومند لازم است.

بنابراین، تولید کننده گاز می‌تواند با سرعت لازم برای تولید اسب بخار مورد نیاز تجهیزات برقی از جمله کمپرسورهای گریز از مرکز یا پمپ‌ها کار کند.

18-1# واحدهای برق کمکی

توربین‌های گازی کوچک به عنوان واحدهای قدرت کمکی (APU) برای تأمین نیروی کمکی ماشین‌های بزرگتر و متحرک مانند هواپیما استفاده می‌شوند.

از جمله کاربردهای آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• هوای فشرده برای تهویه مطبوع و تهویه سبک دستگاه چرخه هوا
• قدرت راه اندازی هوای فشرده برای موتورهای جت بزرگتر
• قدرت مکانیکی (شفت) به یک گیربکس برای راندن لوازم جانبی شفت
• برق، هیدرولیک و سایر منابع انتقال نیرو به دستگاه‌های مصرف کننده دور از APU