توربین

واژهٔ توربین برای اولین بار به وسیله ( Claude Burdin )۱۷۹۰-۱۸۷۳ در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده‌است. توربین موتوری چرخنده‌است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد.
ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.
کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به طوری که این دستگاه انرژی را می‌گیرد و باعث حرکت یک سیال می‌شود.

انواع توربین

توربین‌های بخار:

برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به کار برده می‌شوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.

توربین‌های گازی:

این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.

توربین‌های ترانسونیک:

جریان گاز در اکثر توربین‌ها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربین‌ها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربین‌ها در فشار بالاتری کار می‌کند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.

توربین‌های کنترا رتاتینگ:

دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم می‌چرخند این سیستم پیچیدگی‌هایی دارد که تولید آن را کاهش می‌دهد.

توربین‌های سرامیک:

توربین‌های با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته شده‌اند معمولا دارای سیستم‌های خنک کننده پیچیده هستند اخیرا پره‌های سرامیکی روی توربین‌های گازی امتحان شده‌است.
ما در این مقاله به تفصیل توربین بخار و توربین گازی را توضیح می دهیم .

توربین های 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.
یکی از بهترین گزینه ها برای ساخت نیروگاههای حرارتی استفاده از توربین های بخار است چون این توربین ها عمر طولانی دارند و با توجه به اینکه در حرارت و فشار کمتری در مقایسه با توربین های گازی کار می کنند عمر طولانی تری هم دارند و نیز کمتر به تعمیرات اساسی نیاز دارند . از این رو می توان از آنها بعنوان توربین های برای تولید برق پایه کمک گرفت .
اما عیب عمده آنها این است که اولا دستگاههای پر حجم و بزرگی هستند جای زیادی را اشغال می کنند و ثانیا دیر وارد مدار می شوند و مدتی برای پیش گرم کردن =WARM UP آنها باید زمان صرف شود . از همه اینها گذشته توربین های بخاز نیاز به نصب دیگ های بخار =BOILER دارند که این نیز خودش نیاز به تاسیسات و فضای فراوان دارد . ونیز تاسیساتی برای تصفیه آب مورد نیاز برای تغذیه دیگ بخار که همه آنها مستلزم صرف هزینه و فضای لازم است . اما با این حال استفاده از توربین های بخار یک سرمایه گذاری دائمی 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 80-150μm داده شده است و بر روي آن پوشش سد حرارتي با ضخامتي در حدود 300μm 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.

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.

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

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 (سی 130)

توربین های گازی پیشرفته امروزی

توربین های گازی جدید ی که برای موارد تولید انرژی الکتریکی طراحی شده و بکار می روند ، در حالت کلی از نظر اندازه ، مواد به کاررفته در اجزای مختلف و فناوری ، تغییرات اساسی یافته اند . مشخصات کلی به قرار زیر است :
1) توان تولید برق درحدود 150 مگاوات در 60 هرتز یا 200 مگاوات در 50 هرتز
2) دمای گاز ورودی توربین در حدود Cº1260 و نسبت فشار کمپرسور 1: 16؛
3) کارایی کل واحد با گاز طبیعی حدود 35 درصد و در صورت استفاده از سیکل ترکیبی ،47 درصد.
مشخصات کلی توربین گازی سری قبلی این مدل ، 100 مگاوات ، Cº 1100و
33 درصد است .چند نمونه از توربین های گازی پیشرفته ای که سازندگان توربین گازی در کشورهای مختلف ارائه داده اند به قرارزیر است :
مدل GT13E2 ساخت شرکت ABB درسال 1995 در هلند به بهره برداری رسید . توان خالص تولید ی این توربین در 50 هرتز با سوخت گاز طبیعی برابر 164 مگاوات در کارایی 7/35 درصد و با سوخت مایع برابر 161 مگاوات در کارایی 4/35 درصد است . نسبت فشار کمپرسور این واحد برابر 15:1 است . در این نمونه 72 مشعل در محیط محفظه ی احتراق قرار گرفته است که این نوع مشعل ، ظرفیت تولید گاز NOx بسیار کمتری دارد . مقدار NOx تولید شده با سوخت گاز ، کمتر از PPm 25 و با سوخت مایع و تزریق آب ، کمتراز PPm 42 است . دمای ورودی گاز به توربین ºC 1100 و خروجی ºC 525 است .
این توبین 5 مرحله پره دارد که در دو ردیف اول روتور ، و سه ردیف ثابت ، که در آنها سیستم خنک کننده نیز تعبیه شده است . سیستم خنک کننده ، در ریشه پره های دو ردیف آخرنیز نصب شده است. جنرال الکتریک و شرکت اروپایی توربین گازی به طور مشترک ، مدل F 9001 MS را با فرکانس 50 هرتز ارائه داده اند که در نیرو گاه جنویلرس فرانسه ازآن استفاده می شود .
توان تولید ی این واحد 215 مگاوات در کارایی 35 درصد است . توان تولید ی مدل جدید تری ازاین سری به 226 مگاوات افزایش یافته است . کمپرسور این توربین گازی دارای 18 مرحله با نسبت فشار 20:1 و محفظه ی احتراق مجهز به 18 مشعل با سیستم کنترل NOx است .
توربین ، از نوع سه مرحله ای است که در دوردیف اول ، خنک کاری انجام می شود . دمای ورودی توربین ºC 1288 است . از مدل 60 هرتز که FA 7001 MS نامیده
می شود ، در نیروگاه نیو مارتین فلوریدا بهره برداری می شود . توان تولیدی این توربین 149 مگاوات با NOx کمتر از PPm 25 با سوخت گاز طبیعی است . کارایی این واحد با سیکل ترکیبی 47 درصد است . این واحد ها ی بزرگ با کارایی بالا که برای زمانهای حداکثر بار طراحی شده است ، قابلیت مانور بالایی دارند .
توربین گازی جنویلوس از لحظه آغاز راه اندازی تا رسیدن به شرایط تولید با ظرفیت کافی فقط به 12 دقیقه زمان نیاز دارد و چون هزینه تولید این واحد پایین است ، انتظار
می رود که از آن در سیکل های ترکیبی استفاده شود. در این صورت ، تولید الکتریسیته برای بار پایه صورت می گیرد و تعداد دفعات راه اندازی و از کاراندازی آن کاهش خواهد یافت . با تغییر روش استفاده و با بهره برداری بهینه ، ویژگیهای تعمیراتی نیز تغییر خواهد کرد که در این صورت باید به این موارد نیز در طراحی توجه شود .
لازم است ذکر شود که در صورت استفاده در بار پایه ، خروج واحد از شبکه بدون برنامه ریزی قبلی ، ضررمالی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت .

منابع تحقیق:

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