نحوه عملکرد انواع توربین های گازی

توربین (Turbine) دستگاه مکانیکی دواری است که انرژی موجود در حرکت سیال را به کار تبدیل می کند. توربین ها یکی از انواع توربو ماشین ها می باشند که حداقل یک بخش دوار را دارا هستندکه به آن روتور می گویند. زمانی که سیال با سرعت مشخص به توربین برخورد می کند پره های آن به حرکت در می آیند . این پره ها در زمان حرکت دارایانرژی مکانیکی هستند . پس می توان با تبدیل این انرژی به انرژی الکتریکی تولید برق کرد.

توربین نمونه پیشرفته یک آسیاب آبی یا بادی است.

امروزه توربین ها در انواع مختلفی و برای کاربرد های مختلفی ساخته می شوند. از این جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:

·         توربین گازی

·         توربین بخار

·         توربین بادی

·         انواع خاصی از توربین نیز وجود دارد که برای کاربرد های منحصر به فرد مورد استفاده قرار می گیرند مانند:

·         توربین پلتون

·         توربین فرانسیس

·         توربین کاپلان

·         توربین دریاز

توربین گاز(Gas Turbine) :

یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

 توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی

توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین ۴۸۰ مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی ۶۰٪ دارد.

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی، که توربوژنراتور گاز هم نامیده می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که توان تولیدشده به وسیله آنها، مستقیماً و یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه‌دنده، به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت (Single Cycle) یا  (Combined Cycle) باشد. در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود؛ ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل می‌کنند. در نتیجه در حالت سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین می‌توانند به صورت تولید همزمان برق و گرما (Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آنها برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانجات استفاده می‌شود.

توربین‌های گاز برای تولید انرژی مکانیکی :

این نوع از توربین‌های گاز که شامل توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که در آنها انرژی تولید شده توسط توربین، صرف به گردش درآوردن یک کمپرسور جهت فشرده‌کردن یک ماده گازی یا پمپ جهت بالابردن فشار یک مایع می‌شود.

موتورهای جت :

اصول کار توربوجت :

موتورهای جت، نوعی موتور هستند که از شتاب دادن و تخلیه سیال برای ایجاد پیش‌رانش بر پایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کنند. دو نوع از موتورهای جت یعنی توربوجت‌ها و توربوفن‌ها شامل توربین گاز بوده و در واقع یک نوع توربین گاز هستند.

توربوجت‌ها، نوعی توربین گاز هستند که در آنها همه انرژی تولید شده در توربین صرف چرخاندن کمپرسور می‌شود و هوای داغ خروجی از توربین پس از عبور از یک نازل، سرعت گرفته و به صورت یک جت سیال با سرعت زیاد از انتهای آن خارج می‌شود.

اصول کار موتور توربوفن

توربوفن‌ها، نوع دیگری از موتور جت هستند که در آنها برعکس توربوجت‌ها، همهٔ هوای ورودی به موتور از کمپرسور، محفظهٔ احتراق و توربین عبور نمی‌کند، بلکه بیشتر هوا، پس از عبور از یک یا دو ردیف پره بزرگ که فن نامیده می‌شوند، از مجرای اطراف کمپرسور حرکت کرده و از یک نازل خارج می‌شوند. بخش کمی از هوا از کمپرسور عبور کرده، محترق شده و توربین را می‌چرخاند. انرژی تولیدشده توسط توربین صرف چرخاندن کمپرسور و فن می‌شود؛ بنابراین در این نوع موتور جت، پیش‌رانش هم در اثر جت سیال خروجی و هم در اثر چرخش فن ایجاد می‌شود. بازده حرارتی توبوفن‌ها در سرعت‌های پایین‌تر از سرعت حرکت صوت (ماخ کمتر از ۱)، که سرعت حرکت هواپیماهای مسافربری است، از توربوجت‌ها بیشتر است. بنابراین، پس از اختراع توربوفن، به تدریج در هواپیماهای مسافربری از آنها استفاده شد و امروزه موتور بیشتر هواپیماهای مسافربری، توربوفن است.

توربوشفت‌ها :

اصول کار موتور تورشفت

توربوشفت: موتور بیشتر بالگردهای امروزی است که علاوه بر بالگردها در کشتی‌ها، تانک‌ها، هواناوها و برخی قایق‌ها هم کاربرد دارد. توربین گاز در توربوشفت‌ها مشابه توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها، برای تولید انرژی مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این تفاوت که در توربوشفت، انرژی مکانیکی تولیدشده صرف چرخاندن کمپرسور یا پمپ نمی‌شود. در این موتورها، انرژی خروجی از توربین، پس از کاهش سرعت دوران در جعبه‌دنده، باعث چرخاندن پروانه بالگرد، کشتی و یا هواناو می‌شود.

موتورهای توربوشفت به صورت دوشفته هستند. شفت نخست که شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین فشار بالا (High Pressure Turbine) می‌شود، شفت کمپرسور یا شفت مولد گاز (به انگلیسی(Gas Generator Shaft)  نامیده می‌شود. شفت دوم که شامل توربین فشار پایین (Low Pressure Turbine) است، توان مکانیکی را به جعبه‌دنده منتقل می‌کند تا پس از کاهش دور به مصرف برسد. این شفت، شفت توان(Power Shaft)  نامیده می‌شود. همه توان تولیدشده به وسیله توربین فشار بالا، صرف چرخاندن کمپرسور و ایجاد هوای فشرده می‌شود و از این رو، این شفت، مولد گاز نامیده می‌شود. توان تولیدی توسط توربین فشار پایین، به مصرف‌کننده منتقل می‌شود.

توربوپراپ‌ها :

اصول کار موتور توربوپراپ

توربوپراپ: (Turboprop) نوعی موتور هوایی است که معمولاً در هواپیماهای کوچک و کم‌سرعت استفاده می‌شود. این نوع موتور، شبیه به توربوشفت بوده و در آن از گردش محور توربین برای گرداندن ملخ وایجاد پیش‌رانش استفاده می‌شود. توربوپراپ‌ها در سرعت‌های کم، کارایی بهتری نسبت به توربوفن‌ها و توربوجت‌ها دارند ولی در سرعت‌های بیشتر، راندمان آنها کاهش یافته و نویز آنها افزایش می‌یابد.