توربین گازی

توربین گازی یک موتور حرارتی دوار است که انرژی گازهای احتراق را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این تبدیل انرژی به صورت چرخشی انجام می‌شود و انرژی مکانیکی حاصل معمولاً برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور (تولید برق)، یک کمپرسور (در خطوط لوله گاز) یا یک هواپیما استفاده می‌شود. توربین‌های گازی به دلیل نسبت توان به وزن بالا، قابلیت اطمینان و راندمان مناسب، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند.

انواع توربین گازی

توربین‌های گازی را می‌توان بر اساس معیارهای مختلفی دسته‌بندی کرد:

•بر اساس کاربرد:

•توربین‌های نیروگاهی (Power Generation): برای تولید برق در نیروگاه‌ها استفاده می‌شوند. معمولاً بزرگ و با راندمان بالا هستند.

•توربین‌های هواپیما (Aero-Derivative): از طراحی موتورهای جت الهام گرفته‌اند و برای تولید برق در مقیاس‌های کوچک‌تر یا به عنوان محرک مکانیکی استفاده می‌شوند. نسبت توان به وزن بالایی دارند.

•توربین‌های صنعتی (Industrial): برای کاربردهای مختلف صنعتی مانند پمپ‌ها، کمپرسورها و ژنراتورها استفاده می‌شوند.

•بر اساس چرخه ترمودینامیکی:

•چرخه برایتون ساده (Simple Cycle): شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین است. ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع.

•چرخه بازیابی حرارت (Heat Recovery): از حرارت گازهای خروجی برای پیش‌گرم کردن هوای ورودی یا تولید بخار استفاده می‌کند و راندمان را افزایش می‌دهد.

•چرخه ترکیبی (Combined Cycle): گازهای خروجی توربین گازی برای تولید بخار در یک بویلر استفاده می‌شوند و بخار حاصل یک توربین بخار را به حرکت در می‌آورد. راندمان بسیار بالایی دارد.

•بر اساس تعداد محور:

•تک محور (Single Shaft): کمپرسور و توربین روی یک محور قرار دارند و معمولاً برای تولید برق استفاده می‌شوند.

•دو محور (Two Shaft): کمپرسور و توربین در دو محور جداگانه قرار دارند. محور اول کمپرسور را به حرکت در می‌آورد و محور دوم توان خروجی را تولید می‌کند. برای کاربردهایی که نیاز به گشتاور بالا در دورهای پایین دارند (مانند پمپ‌ها و کمپرسورها) مناسب است.

قطعات اصلی و جنس آن‌ها

•یک توربین گازی از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

•کمپرسور (Compressor): هوا را فشرده می‌کند و فشار و دمای آن را افزایش می‌دهد.

•جنس: پره‌ها (Blades) معمولاً از آلیاژهای فولاد ضد زنگ، تیتانیوم یا نیکل پایه ساخته می‌شوند تا در برابر دما، فشار و خوردگی مقاوم باشند. بدنه (Casing) اغلب از فولاد است.

•محفظه احتراق (Combustor): سوخت (معمولاً گاز طبیعی یا سوخت مایع) با هوای فشرده مخلوط شده و احتراق رخ می‌دهد.

•جنس: محفظه از آلیاژهای نیکل پایه ساخته می‌شود تا در برابر دمای بسیار بالا و اکسیداسیون مقاوم باشد. نازل‌های سوخت (Fuel Nozzles) نیز از آلیاژهای مقاوم به حرارت هستند.

•توربین (Turbine): گازهای داغ احتراق از میان پره‌های توربین عبور کرده و آن‌ها را به حرکت در می‌آورند و انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

•جنس: پره‌های توربین (Turbine Blades) از آلیاژهای نیکل پایه با پوشش‌های مقاوم به حرارت (مانند سرامیک) ساخته می‌شوند تا در برابر دماهای بسیار بالا و تنش‌های مکانیکی مقاومت کنند. دیسک (Disk) که پره‌ها روی آن نصب می‌شوند نیز از آلیاژهای نیکل است.

•سیستم سوخت‌رسانی (Fuel System): سوخت را با فشار و دبی مناسب به محفظه احتراق می‌رساند.

•جنس: لوله‌ها و پمپ‌ها از فولاد ضد زنگ و کنترل‌کننده‌ها از آلیاژهای آلومینیوم یا فولاد هستند.

•سیستم روغن‌کاری (Lubrication System): برای روانکاری بلبرینگ‌ها و سایر اجزای متحرک.

•جنس: پمپ‌ها و مخزن روغن از فولاد و لوله‌ها از مس یا فولاد هستند.

•سیستم کنترل (Control System): عملکرد توربین را کنترل و نظارت می‌کند.

•شامل سنسورها، کنترل‌کننده‌ها و عملگرها است که از مواد مختلفی مانند سیلیکون، فولاد و پلاستیک ساخته می‌شوند.

•سیستم اگزوز (Exhaust System): گازهای خروجی را به اتمسفر هدایت می‌کند.

•جنس: معمولاً از فولاد ساخته می‌شود.

اصول طراحی توربین گازی

•طراحی توربین‌های گازی بسیار پیچیده است و نیازمند دانش عمیق در زمینه‌های ترمودینامیک، مکانیک سیالات، انتقال حرارت و مکانیک جامدات است. اصول طراحی کلیدی عبارتند از:

•راندمان: به حداکثر رساندن تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی. این شامل طراحی بهینه پره‌ها برای جریان گاز، کاهش تلفات اصطکاکی و حرارتی و استفاده از چرخه‌های پیشرفته (مانند بازیابی حرارت) است.

•نسبت توان به وزن: به حداقل رساندن وزن توربین برای کاربردهای هوافضا و افزایش قابلیت حمل. این نیازمند استفاده از مواد سبک و قوی و طراحی فشرده است.

•مقاومت در برابر دما: پره‌های توربین در معرض دماهای بسیار بالا قرار دارند. طراحی باید شامل استفاده از آلیاژهای مقاوم به حرارت، پوشش‌های حرارتی و سیستم‌های خنک‌کاری پیشرفته (مانند خنک‌کاری با هوا یا بخار) باشد.

•مقاومت مکانیکی: پره‌ها تحت تنش‌های بسیار بالا ناشی از نیروی گریز از مرکز قرار دارند. طراحی باید استحکام کافی را برای جلوگیری از شکست یا خزش (Creep) فراهم کند.

•کنترل احتراق: طراحی محفظه احتراق برای اطمینان از احتراق کامل سوخت، تولید کمترین آلاینده و توزیع یکنواخت دما در گازهای خروجی.

•پایداری: جلوگیری از پدیده ارتعاشات تشدید (Resonance) در پره‌ها و سایر اجزا.

•قابلیت اطمینان و طول عمر: طراحی برای عملکرد طولانی مدت و کاهش نیاز به تعمیرات. این شامل انتخاب مواد مناسب، طراحی اجزای مقاوم و سیستم‌های کنترل و نظارت است.

ملاحظات تعمیرات و نگهداری

•نگهداری صحیح توربین‌های گازی برای اطمینان از عملکرد ایمن، کارآمد و طولانی مدت ضروری است:

•بازرسی‌های دوره‌ای:

•بازرسی بصری: بررسی پره‌ها، محفظه احتراق و سایر اجزا برای یافتن ترک، خوردگی، رسوب یا آسیب‌های دیگر.

•بازرسی غیرمخرب: استفاده از روش‌هایی مانند اولتراسونیک، رادیوگرافی و جریان گردابی برای بررسی دقیق‌تر قطعات بدون آسیب رساندن به آن‌ها.

•بررسی عملکرد: پایش دما، فشار، جریان و سایر پارامترهای عملیاتی برای شناسایی هرگونه انحراف از عملکرد طبیعی.

•شستشوی کمپرسور: تمیز کردن پره‌های کمپرسور برای حفظ راندمان و جلوگیری از خوردگی.

•بازرسی و تعویض قطعات مصرفی: تعویض فیلترها، نازل‌های سوخت، شمع‌های احتراق و سایر قطعاتی که عمر محدودی دارند.

•بالانس کردن روتور: اطمینان از بالانس بودن روتور برای جلوگیری از ارتعاشات و آسیب به بلبرینگ‌ها.

•بازرسی و کالیبراسیون سیستم کنترل: بررسی عملکرد صحیح سنسورها، کنترل‌کننده‌ها و عملگرها.

•بازرسی و تعمیرات محفظه احتراق: بررسی و تعمیر یا تعویض اجزای آسیب‌دیده محفظه احتراق.

•تعمیرات اساسی (Overhaul): بازرسی و تعمیرات کامل توربین پس از تعداد مشخصی ساعات کارکرد. این شامل باز کردن توربین، بررسی دقیق تمام قطعات، تعمیر یا تعویض قطعات آسیب‌دیده و مونتاژ مجدد است.

•ثبت سوابق: نگهداری دقیق سوابق تعمیرات و نگهداری برای ردیابی عملکرد، پیش‌بینی مشکلات احتمالی و برنامه‌ریزی برای سرویس‌های آینده.