بسته آموزشی توربین های گازی (Gas Turbin)

صنایع مختلف به جهت تامین نیازهای بشر امروزی منابع بسیار زیادی از انرژی را مورد استفاده قرار می‌دهند. در این میان انرژی الکتریکی و مکانیکی انواعی از انرژی هستند که به لحاظ کاربرد گستره‌ای که دارند از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند. توربین‌ها تجهیزاتی هستند که به منظور تولید انرژی‌های مذکور از دیگر منابع انرژی مانند سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به طور کلی می‌توان گفت که یک توربین گازی دارای سه بخش اصلی کمپرسور، محفظه احتراق و توربین می‌باشد که در ادامه به توضیحات بیشتری در این خصوص پرداخته می‌شود:

1-ورودی هوا یا Air Intake
هوای مورد نیاز جهت توربین گاز می‌بایست کاملاً تمیز بوده و از ذرات معلق در فضای اطراف خود پاک باشد. در محیط، معمولاًً ذرات معلق زیادی وجود دارد که به نسبت ارتفاع از سطح زمین قطر آنها کمتر می‌شود. وجود این ذرات در مسیر عبور خود از توربین گاز مشکلات زیادی را برای کارکرد دستگاه بوجود می آورند. از این‌رو ، تمامی توربین های گاز مجهز به سامانه های فیلتر متعددی جهت تمیز کردن این هوای ورودی هستند که به مجموعه آنها Air Intake گفته می شود.

در این سامانه‌ها چند ردیف فیلترهای مختلف جهت جلوگیری از ورود قطعات بزرگ تا کوچک وجود دارد که بطور کلی شامل سه ردیف می‌باشند:
1-ردیف اول؛ فیلترهای توری با مش بزرگ
2- ردیف دوم؛ فیلترهای فلزی
3- ردیف سوم؛ فیلترهای اصلی که عمدتاً کاغذی یا پارچه‌ای هستند

در بعضی از توربین‌ها به منظور پاک‌کردن فیلترهای ردیف دوم از Pulse Filter Fan ها استفاده می‌گردد که با اعمال ضربه‌هایی به این فیلترها سبب می‌گردند تا سطوح فیلترها پاک شوند.

همچنین در ورودی هوا سیستم‌های مختلفی وجود دارند که از آن میان می‌توان به سیستم‌های Fog و Anti Icing نام برد.

سیستم Fog

2- کمپرسور
با توجه به وظیفه اصلی یک توربین گاز که عبارت است از تبدیل انرژی نهفته در سوختهای فسیلی به انرژی مکانیکی و کار، به منظور فراهم نمودن شرایط ایده‌ال برای واکنش‌های احتراق و ترکیب کامل اکسیژن با سوخت، اطاق احتراق، نیاز به حجم زیادی از هوای فشرده دارد، که این هوا توسط یک کمپرسور تامین می‌گردد.
کمپرسورهای مورد استفاده در توربین گاز هوا را از اتمسفر مکیده و فشار آن را تا چندین برابر فشار اتمسفر بالا می برند. دو نوع متداول از کمپرسورها، برای فشرده‌سازی هوا در توربینها استفاده می‌شوند که عبارتند از کمپرسورهای سانتریوفوژ و جریان محوری که تفاوت ظاهری این دو نوع، مربوط به جهت جریان هوای عبوری از درون آنها می‌باشد. در کمپرسور سانتریفوژ، جهت حرکت هوا عمود بر امتداد ورود هوا و در کمپرسورهای جریان محوری، این جریان موازی جریان‌های ورودی می‌باشد.

الف- کمپرسور سانتریفوژ
در این نوع کمپرسورها، هوا از مرکز پروانه یا چشم آن، به درون کشیده می‌شود و پروانه، هوا را به اطراف پرتاب می‌کند.

جهت جریان هوا در کمپرسور سانتریفوژ

بخشهای اساسی این نوع کمپرسورها شامل چشمه ورودی، پروانه، دیفیوزر و مجرای خروج می‌باشد.

به طور کلی در اینگونه کمپرسورها، هوا از میان پروانه عبور کرده و بوسیله چرخش سریع پره‌های پروانه، سرعت، فشار و بهعبارت دیگر انرژی آن آن افزایش می‌‌یابد‌.

فشار هوا پس از خارج شدن از پروانه و در طی عبور از دیفیوزر به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. در واقع نقش دیفیوزر کاستن سرعت هوا و افزایش فشار آن می‌باشد.
پروانه کمپرسور ممکن است هوا را از یک جهت و یا از دو جهت بمکد. پروانه تک ورودی، به راحتی جریان را به درون مسیرهای ورودی هدایت می‌کند، در حالیکه پروانه با دو ورودی، از مکانیزم هدایت پیچیده‌تری، برای هدایت هوا به قسمتهای داخلی کمپرسور استفاده می‌کند.

کمپرسور سانتریوفوژ با پروانه تک ورودی

ب-کمپرسور جریان محوری
در کمپرسورهای جریان محوری، هوا موازی با محور چرخنده کمپرسور، وارد آن شده و هم جهت با آن، ادامه مسیر داده و از آن خارج می‌شود.
دو عنصر اصلی کمپرسورهای محوری، روتور و استاتور آن می‌باشد. بر روی روتور و استاتور پره‌هایی وجود دارند که به پره‌های روتور یا متحرک و استاتور یا ثابت موسوم هستند. در کنار هر ردیف پره‌های متحرک یک ردیف پره‌های ثابت وجود دارد. به مجموع یک ردیف پره‌های متحرک و یک ردیف پره‌های ثابت، یک مرحله کمپرسور می‌گویند. عموماً این کمپرسورها دارای چندین مرحله می‌باشند.

در هر مرحله هوای ورودی در ابتدا با پره‌های متحرک برخورد می‌کند. پره‌های متحرک ضمن به جلو راندن هوا، باعث افزایش سرعت و فشار آن نیز می‌گردند. هوای خروجی از پره‌های متحرک وارد پره‌های ثابت می‌گردد. پره های ثابت دارای شکل واگرا بوده و علاوه بر تصحیح مسیر حرکت هوا در جهت محور کمپرسور، سبب تبدیل سرعت سیال به فشار می‌گردد.در بعضی از کمپرسورهای محوری، یک یا چند ردیف پره‌های ثابت با زاویه متغیر وجود دارد که اصطلاحاً Nozzle Guide Vane (NGV) یا Inlet Guide Vane (IGV) نامیده می‌شوند. این پره‌ها در هنگام عملیات عادی با تغییر زاویه، میزان هوای ورودی به توربین را جهت ثابت نگه‌داشتن دما کنترل می‌نماید. تغییرات دما در محفظه احتراق به دلایل زیادی از جمله تغییر ارزش حرارتی سوخت، تغییر دمای محیط، تغییرات میزان بار و ... می‌تواند اتفاق بیافتد.سرج (Surge) و استال (Stall) دو پدیده مخرب در کمپرسورها محسوب می‌گردند که در نرم‌افزار توربین‌های گازی در این خصوص توضیحاتی همراه با انیمیشن سه بعدی ارائه گردیده است.

در کمپرسورها علاوه بر پره‌های با زاویه حمله متغیر از بلید ولوها (Blade Valve) یا بلوآف ولوها (Blow Off Valve) نیز برای جلوگیری از بروز پدیده‌های سرج و استال بهره گرفته می‌شود.

3-محفظه احتراق
در تمام توربین‌های گازی، واکنش احتراق یا آزاد سازی انرژی نهفته در سوخت، در محفظه و یا اطاقهای احتراق انجام می‌شود. در این فرایند که در فشار ثابت انجام می‌پذیرد، انرژی آزاد شده به شکل انرژی گرمایی از اطاق احتراق خارج می‌شود. در حقیقت وظیفه اصلی یک اطاق احتراق دریافت هوای فشرده‌شده از خروجی کمپرسور و انجام عمل احتراق کامل روی سوخت‌های وارد شده به آن، به شکل مداوم است.

محفظه احتراق در توربین گاز

بطور کلی یک اطاق احتراق از سه قسمت اصلی نازلهای سوخت پاش، محفظه احتراق و قطعه و یا قطعات انتقال دهنده گازهای داغ تشکیل شده است.

در هر محفظه احتراق سه منطقه قابل تشخیص است.
•منطقه مخلوط کردن سوخت و هوا یا Mixing Zone 
•منطقه اشتعال یا Combustion Zone
•منطقه رقیق کردن گازهای حاصل Dilution Zone

وظیفة اصلی نواحی اختلاط و اشتعال، تشکیل و برقراری شعله و تأمین همزمان، دما و تلاطم مناسب جهت رسیدن به احتراق کامل در حضور مخلوط سوخت و هوا است. در این ناحیه، چرخش یا سیرکولاسیون در بخشی از گازهای داغ به منظور اشتعال پیوسته در سوخت و هوای ورودی صورت می پذیرد. برخی از محفظه های احتراق شامل سوئیرلر هوا (Air swirler) جهت ایجاد جریان پیچشی است. پس از مخلوط شدن هوا و سوخت توسط هوای به دوران در آمده ، شعله توسط جرقه‌زنهای ثابت و یا موقت بر قرار می شود. پس از برقراری شعله ، مخلوط هوا و سوخت بطور کامل مشتعل شده و دمای سیال بشدت بالا می رود

4-توربین
هدف اصلی در یک توربین گاز، تبدیل انرژی نهفته در سوخت‌های فسیلی به انرژی مکانیکی و کار می‌باشد. این تبدیل در قسمتی از توربین‌گاز به نام توربین اتفاق می‌افتد. در این قسمت بخش اعظمی از انرژی گازهای حاصل از احتراق گرفته می‌شود و این انرژی به محور توربین گاز انتقال داده می‌شود. در واقع، توربین قسمتی است که بعد از محفظه احتراق قرار گرفته و وظیفه تبدیل انرژی گرمایی گازهای خروجی از محفظه احتراق را به انرژی مکانیکی و کار بر عهده دارد.

دو نوع متداول از این توربینها وجود دارند: توربینهای با جریان گردشی و توربین‌های با جریان محوری که تفاوت اصلی آنها در جهت عبور سیال از آنها می‌باشد. در واقع در توربین‌های با جریان گردشی جهت حرکت گازهای خروجی عمود بر امتداد ورود گازهای داغ و در توربین‌های با جریان محوری، این جهت، موازی گازهای داغ ورودی می‌باشد. به عبارت دیگر در توربین‌های با جریان گردشی، جریان گازها از مرکز محور توربین به سمت بیرون و شعاعی می‌باشد که باعث حرکت و چرخش توربین می‌شود. در حالیکه در توربین‌های با جریان محوری، گازها در موازات محور مرکزی توربین وارد می‌شوند و با برخورد به پره‌ها باعث چرخش آنها شده و سپس بدون تغییر مسیر از توربین خارج می‌شوند.

الف-توربین‌های سانتریوفوژ
این توربین‌ها در مقایسه با توربین‌های با جریان محوری، بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر می‌باشند. این نوع توربین به جهت طراحی و ساخت، بسیار شبیه به کمپرسورهای سانتریفیوژ هستند که در بخش کمپرسورهای این نرم افزار آورده شده است.از این نوع توربین‌ها، معمولا در توربین‌های‌گاز کوچک که برای فشرده کردن سیالات گوناگون و یا سایر سامانه‌های انتقال‌دهنده سیالات کاربرد دارند، استفاده می‌شود.

ب-توربین‌های محوری
توربین‌های محوری از دو قسمت اصلی پره‌های ثابت و پره‌های متحرک تشکیل شده‌اند. توربین‌های محوری میتوانند، یک مرحله و یا چند مرحله داشته باشند. در هر مرحله از توربین، دوجزء اصلی وجود دارد که عبارتند از: ابتدا پره های ثابت وسپس پره های متحرک. در هر مرحله از توربین ، گازهای داغ حاصل از احتراق پس از برخورد به پره‌های ثابت که به شکل نازل نیز هستند، تغییر مسیر می‌دهند و علاوه بر کاهش فشار گازهای عبور و افزایش سرعت آنها، در زاویه‌ای مناسب به پره‌های روتور برخورد می‌کنند و باعث چرخش آن می‌شوند. این چرخش باعث حرکت و گردش محور توربین شده و تولید کار می‌کند.

5-اگزوز
گازهای داغ در عبور از مراحل مختلف توربین تمامی انرژی فشاری و مقدار زیادی از انرژی حرارتی خود را از دست می دهند. توربین های گازی عموما به شکلی طراحی می شوند که فشار گازهای داغ در خروجی توربین و پس از آخرین پره متحرک اندکی از فشار اتمسفر کمتر است. لذا برای غلبه بر فشار محیط و خروج از طریق اگزوز یک مجرای واگرا در خروجی توربین گاز، بین توربین و اگزوز، وجود دارد. در این مجرای واگرا با استفاده از سرعت سیال و تبدیل آن به فشار، بر فشار محیط غلبه کرده و از این طریق گازهای خروجی که دارای دمای نسبتاً بالایی هستند از طریق اگزوز به اتمسفر اطراف فرستاده می شود.

این نرم‌افزار شامل مجموعه مباحث ذیل می باشد:
1.مقدمه
2.اصول و مبانی عملکرد
3.ساختمان و اجزاء: شامل قسمت‌های ذیل:
               ورودی هوا (Air Intake)
               اجزاء داخلی (کمپرسور، محفظه احتراق و توربین)
               اگزوز
4.سامانه‌ها یا سیستم‌ها: شامل قسمت‌های ذیل:
               سیستم راه‌اندازی اولیه
               سیستم سوخت‌رسانی
               سیستم کنترل و حفاظت
               سیستم روغن‌کاری
               سیستم شستشوی کمپرسور
               سیستم کوپلینگ
5.بهره برداری؛ شامل قسمت‌های ذیل:
               بازرسی‌های قبل از راه‌اندازی
               راه اندازی
                بارگذاری
                از سرویس‌خارج کردن
6.عیوب و نحوه تشخیص
7.تصاویر سه بعدی
8.تعاریف و اصطلاحات
9.خودآزمایی