كارگاه ماشينهاي حساس

 

 

Wednesday, February 28, 2007

Gas Turbine Usage

کاربردهای توربین گاز :

 

مقدمه :

توربین های گاز از جمله ابداعات ارزشمندی است که طی یک قرن گذشته خدمات زیادی به بشر نموده است بطوریکه تصور دنیایی که در آن از توربین گاز استفاده نشود غیر ممکن است . اما توربین های گاز انواع خیلی متفاوتی دارند و به همین شکل نیز کاربردهای آنان مختلف است امروزه همه هواپیماهای مدرن از موتور جت استفاده می کنند که قلب اصلی آن یک توربین گاز است استفاده از توربین گاز برای تامین نیروی محرکه کشتی های چند صد هزارتنی اقیانوس پیما بصورت امری عادی در آمده است . بخش عمده ای از نیروی برق مصرفی کشورها توسط توربین های گاز تامین می شود که چون اینگونه توربین های ظرف 10 تا 15 دقیقه در سرویس می شوند برای تامین نیروی برق در ساعات حداکثر مصرف از این توربین های استفاده می شود . ضمن اینکه خیلی جاها از این توربین ها برای تامین برق پایه هم استفاده می شود .

این نیروی رانش توربین گاز است که قادر است هواپیماهای مسافربری و باری و نیز هواپیماهای جنگنده بمب افکن را چون برق و صاعقه از زمین کنده شود و به پرواز در آید و به چنان سرعت های مهیبی دست پیدا کند که دیوار صوتی را هم بشکند .

اما توربین های گاز با همه محاسنی که دارند دارای یک عیب عمده هستند و آن راندمان پائین این توربین های در مقایسه با سایر موتورهای درونسوز و حتی توربین های بخار است که متویط راندمان این توربین های حدود 35% است اما بتازگی با پیشرفت هایی که در زمینه متالورژی صورت گرفته است و نیز استفاده از روش هوشمندانه سیکل ترکیبی توانسته اند راندمان توربین های گاز را حتی به 60% هم برسانند و این روند همچنان ادامه دارد .

توربین های بخار بخاطر مانند موتورهای درونسوز دارای سیلندر و پبستون نیستند و مکانیزم عمل آنها متفاوت است کمتر دچار خرابی می شوند و عمر طولانی تری دارند .

علت نامگذاری این توربین های بخاطر این است که سیال مورد استفاده در این توربین های گاز است ولی سوخت آنها هم می تواند گاز باشد و هم سوخت مایع و یا حتی سوخت جامدی که بصورت گاز در آمده است .

توربین گاز قطعات حساسی دارد که از جمله آنها تیغه های توربین است که فن آوری پیچیده ای دارد و نیز سیستم های کنترل آن بسیار پیچیده است بنابراین ساخت توربین گاز نیاز به فن آوری بالایی دارد و کار هر کشوری نیست . در متن زیر به برخی کاربردهای توربین گاز بطور خلاصه و ساده پرداخته شده است :

 

 

درتوربین گاز مورد استفاده در هواپیما از نیروی خروجی توربین برای چرخاندن کمپرسور استفاده می شود . ( که این کمپرسور می تواند یک فن یا محور چرخنده باشد ) سپس این  هوای گرم خروجی از توربین از طریق یک شیپوره (نازل ) بدرون اتمسفر تخلیه می شود و همین خروج گازهای داغ است که نیروی رانش لازم برای حرکت هواپیما را فراهم می کند . شکل 1



Figure 1a. Schematic for an aircraft jet engine

شکل 1 آ : نمای شماتیک از یک موتور هواپیمای جت


Figure 1.b A land-based gas turbine.

شکل 1 ب توربین گاز ثابت

نمونه ای از موتور جت در شکل 2 نشان داده شده است. چنین موتوری می تواند بین 100 پوند تا 100 هزار پوند نیروی تراست (محوری ) تولید کند با وزنی حدود 30 تا 20 هزار پوند . کوچکترین موتورهای جت برای تجهیزاتی چون موشک های کروز مورد استفاده قرار می گیرد و و بزرگترین آنها در نسل های جدید هواپیماهای تجاری مورد استفاده اند . موتور جت شکل 2 یک موتور توربوفن دار است که کمپرسوری باقطر زیاد در دهانه آن نصب شده است . نیروی تراست این موتور هم از طریق عبور هوا از طریق فن (هوای بای پاس ) و نیز از طریق خود ژنراتور گاز تولید می شود . توربوفن های با سطح جلویی فراخی که دارند بیشترین نیروی تراست را با کمترین سرعت برخاستن  (takeoff) تولید می کند و همین امر است که باعث می شود این موتور ها برای استفاده در هواپیماهای مسافربری و تجاری مناسب باشند .


Figure 2. A modern jet engine used to power Boeing 777 aircraft.
This is a Pratt & Whitney PW4084 turbofan which can produce 84,000 pounds of thrust. It has a 112-inch diameter front-mounted fan, a length of 192 inches (4.87 m) and a weight of about 15,000 pounds (6804 kg). The nozzle has been disconnected from this engine.

شکل 2 آ : موتورهای جت جدید که در هواپیمای بوئینگ 777 مورد استفاده قرار می گیرند .

 این نمونه ای از موتورهای توربوفن دار پرات و ویتنی مدل : PW4084  است که می توانند تا 84 هزار پوند نیروی تراست تولید کنند این موتورها دارای فن نصب شده رد قسمت جلو هستند که  قطری معادل 112 اینچ دارد و طول آن هم 192 اینچ (87/4 متر ) است و وزنی حدود 15 هزار پوند (6804 کیلوگرم ) دارند نازل این موتور از آن جدا شده است .

 

توربو جت دارای فن نیستند و تمام نیروی تراست را از طریق عبور هوا از ژنراتور گاز تولید می کنند . توربو جت ها ناحیه پیشانی کوچکتری دارند و بیشترین نیروی تراست را در سرعت بالا ایجاد می کنند و به همین جهت است که این نوع موتورها مناسب استفاده در هواپیماهای جنگنده هستند .

در  توربین های غیر هوانوردی بخش از نیروی توربین گاز برای چرخاندن کمپرسور هوا مورد استفاده قرار می گیرد و باقی مانده نیروی تولید شده توسط توربین که نیروی مفید آن است بعنوان نیروی خروجی برای چرخاندن محور مولد نیرو  مورد استفاده است مثلا این محور می تواند محور یک ژنراتور الکتریکی باشد یا اینکه محور پروانه حرکت دهنده یک کشتی باشد .

نمونه ای از توربین های گازی ثابت در شکل 3 نشان داده شده است . که توربین گاز آیرودرویتیو است که به معنی واحد سبک وزن تر بر گرفته از موتور هواپیمای جت است . واحد های سنگین تر که مخصوص کاربردهای ثابت طراحی شده اند بنام ماشین های صنعتی با فریم می شناسند .

اگر چه توربین های گاز آیرو درویتیو کاربرد گسترده ای در تولید جریان الکتریکی پایه دارند از این توربین های به وفور برای چرخاندن کمپرسورهای مورد استفاده در خطوط گاز طبیعی , تامین نیروی محرکه کشتی های و نیز تامین برق در مواقع حداکثر مصرف استفاده می شود . سیستم های مکمل حداکثر مصرف را به همراه نیروگاههای توربین بخار و نیروگاه برق هیدروالکتریک مورد استفاده است تا در مواقع حداکثر مصرف برق مانند روزهای گرم تابستان که در اغلب شهرها از تهویه مطبوع استفاده می شود از این سیستم های مکمل استفاده شود .


Figure 3. A modern land-based gas turbine used for electrical power production and for mechanical drives. This is a General Electric LM5000 machine with a length of 246 inches (6.2 m) and a weight of about 27,700 pounds (12,500 kg). It produces maximum shaft power of 55.2 MW (74,000 hp) at 3,600 rpm with steam injection. This model shows a direct drive configuration where the l.p. turbine drives both the l.p. compressor and the output shaft. Other models can be made with a power turbine.

شکل 3 توربین های گاز مدرن ثابت برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی  مورد استفاده قرار می گیرند . این مدل LM5000 ساخت کارخانه جنرال الکتریک است که طول آن 246 اینچ (2/6 متر ) و وزنی معادل 277000 پوند (12500 کیلوگرم ) دارد این موتور حداکثر توان خروجی اش 2/55 مگاوات (74هزار اسب بخار ) در 3600 دور در دقیقه است که با تزریق بخار کار می کند . این مدل حرکت را بطور مستقیم از یک توربین کم فشار و یک کمپرسور کم فشار بدست می آورد برخی مدلهای دیگر ممکن است که دارای یک توربین قدرت نیز باشند .

 

برخی از مزیت ها عمده توربین گاز عبارتند از :

1-     قادر است که میزان زیادی توان مفید را به ازای وزن و اندازه کوچکی تولید کند .

2-     بعلت اینکه حرکت همه این قطعات عمده بشکل چرخش محض اشت ( بدین معنی که هیچ حرکت رفت و برگشتی و پیستونی ندارد ) عمر مکانیکی آن طولانی و تعمیر و نگهداری آن هم نسبتا ارزان است .

3-     اگر چه توربین های گاز نیاز دارند که با استفاده از یک نیروی خارجی راه اندازی شوند ( مثلا یک موتور خارجی کوچک یا منبع دیگری مانند یک توربین گاز دیگر ) می توانند برخلاف توربین های بخار که راه اندازی آنها ساعت ها طول می کشد  در مدت کوتاهی به حداکثر نیروی خروجی خود برسند .

4-     این گونه توربین های قادرند که طیف وسیعی از سوخت ها را مورد استفاده قرار دهند . گاز طبیعی رایج ترین سوخت توربین های ثابت است در حالیکه توربین های مورد استفاده در هواپیما از برش های سبک نفتی ( شبیه نفت سفید ) برای سوخت استفاده می کنند . گازوئیل و یا زوائد نفتی که تحت تصفیه خاص قرار گرفته اند نیز می توانند برای سوخت مورد استفاده قرار گیرند و نیز گازهای قابل احتراق خروجی از کوره های بلند blast furnaces و سوخت ها جامدی که بصورت گاز در آمده یا تصفیه مجدد شده اند مانند ذغالسنگ , تراشه های چوب و باگاس bagasse.  نیز می تواند بدین منظور مورد استفاده قرار گیرد .

5-     سیال مورد استفاده در این توربین ها ؛ هوای اتمسفر است توربین گاز هنگامی که بعنوان منبع تولید برق پایه مورد استفاده است نیازی به خنک کننده ندارد ( منظور آب است ) .

در گذشته یکی از معایب  اصلی توربین گاز , راندمان پائین آن بوده است ( که سوخت بیشتری را هم هدر می داده است ) که در مقایسه با سایر موتورهای احتراق داخلی و نیز نیروگاههای توربین بخار راندمان پائینی داشته است . اما در طی تین 50 سال گذشته تحقیق و توسعه پیوسته ای که در زمینه مهندسی صورت گرفته است باعث شده است که راندمان این توربین های از 18% در سال 1939 به 40% برای توربین های چرخه ساده  در حال حاضر برسد . و نیز تا حدود 55% برای توربین های سیکل ترکیبی افزایش پیدا کند .

ساخت توربین هایی با راندمان باز هم بالاتر از این مقدار در دست مطالعه است و پیش بینی می شود که راندمان توربین های چرخه ساده به بیش از 45 تا 47% برسد و این راندمان در حالت سیکل ترکیبی به 60% هم خواهد رسید . این پروژه های در نظر دارند که این راندمان رابه مقداری بیشتر از راندمان نیروگاههای توربین  بخاری برساند .

مقاله اصلی این بخش از : مقدمه ای بر توربین های گاز برای غیر مهندسان که توسط لی .اس لانگستون از دانشگاه کانکتیکت نوشته شده است اخذ شده است که می توان آن را در انتشارات موسسه بین المللی توربین گاز " اخبار جهانی توربین گاز " جلد 37 شماره 2 ساتل 1997 پیدا کرد .

 

.....................................................مقدمه و ترجمه از محمد توکلی – 8 اسفندماه 1385

منبع :

http://www.allstar.fiu.edu/aero/turbine2.html

پيام هاي ديگران ()        link        ۱۳۸٥/۱٢/٩ - محمد توکلی