X انجام پروژه های نرم افزار های مهندسی مکانیک
توربینهای گازی - وبلاگ مهندسی مکانیک
مهندسی مکانیک, مقالات حرارت و سیالات // ۳:٤۳ ‎ب.ظ - یکشنبه ۱٩ دی ۱۳۸٩

توربینهای گازی

مقدمه :

از زمان تولد توربینهای گازی امروزی در مقایسه با سایر تجهیزات تولید قدرت , زمان زیادی  نمی گذرد . با این وجود امروزه  این تجهیزات به عنوان سامانه های مهمی در امر تولید قدرت مکانیکی مطرح می باشند . از تولید انرژی برق گرفته تا پرواز هواپیماهای مافوق صوت همگی مرهون استفاده از این وسیله سودمند می باشند . ظهور توربینهای گازی باعث پیشرفت زیادی در رشته های مهندسی مکانیک , متالورژی و سایر علوم مربوطه گشته است . بطوری که پیدایش سوپرآلیاژهای پایه نیکل و تیتانیوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره های ثابت و متحرک توربینها که دماهای بالایی در حدود 1500 درجه سانتیگراد و یا بیشتر را متحمل می شوند, از سرعت بیشتری برخوردار شد . به همین خاطر امروزه به تکنولوژی توربینهای گازی تکنولوژی مادر گفته می شود و کشوری که بتواند توربینهای گازی را طراحی کند و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید کند .

 

همانطور که بیان گردید از این تجهیزات در نیروگاهها برای تولید برق ( معمولا برای جبران بارپیک) موتورهای جلوبرنده (هواپیما ,کشتیها و حتی خودروها) , در صنایع نفت و گاز برای به حرکت درآوردن پمپها و کمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده می شود که امروزه کاربرد توربینهای گازی در حال گسترش می باشد .  

 

اجزای توربینهای گازی :

به طور کلی کلیه توربینهای گازی از سه قسمت تشکیل
می شوند :

 

1.کمپرسور     2.محفظه احتراق     3.توربین

 

که بنا به کاربرد قسمتهای دیگری نیز برای افزایش راندمان و کارایی به آنها اضافه می شود . به عنوان مثال در برخی از موتورهای هواپیماها قبل از کمپرسور از دیفیوزر و بعد از توربین از نازل استفاده می شود . که دراین رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گردید

سیکل توربینهای گازی :

سیکل ترمودینامیکی توربینهای گازی سیکل استاندارد هوایی یا برایتون می باشد که در حالت ایده ال مطابق شکل زیر  شامل دو فرایند ایزنتروپیک در کمپرسور و توربین و دو فرایند ایزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهامیباشد

 

سیکلهای توربینهای گازی در دونوع باز و بسته می باشند . در سیکل باز ( شکل فوق) گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه می شوند که این سیکل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد . در نوع بسته که عمدتاً در نیرو گاههای برق مورد استفاده قرار می گیرد گازهای خروجی از توربین ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور کرده و بعد از خنک شدن مجددا وارد کمپرسور گردیده و سیکل تکرار می شود .  

همانطورکه قبلا بیان گردید توربینهای گازی از نظر کاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می شوند که نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می گیریند . که ذیلا در ارتباط با هرکدام از آنها بحث خواهیم نمود .

 

 

توربینهای گازی صنعتی :

منظور از توربینهای گازی صنعتی اشاره به کاربرد آنها غیر از بخش هوانوردی می باشد . در شکل زیر شمایی از یک واحد تولید نیروی برق توسط توربین گاز , نشان داده شده است .

شکل زیر هم نوعی توربین گازی با ظرفیت تولیدی 400 مگاوات را نمایش می دهد.

توربینهای گازی که در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی می باشند که شکل قبل نوعی از این توربینها با ظرفیت 400 مگاوات را نشان می دهد.

 

توربینهای گازی هوایی یا موتورهای جت :

همانطور که گفته شد سیکل توربینهای گازی موتورهای هواپیما شبیه به توربینهای گازی صنعتی می باشد بجز اینکه قبل از ورود هوا به کمپرسور از یک دیفیوزر و بعداز توربین از یک نازی برای بالا بردن سرعت گازهای خروجی و حرکت هواپیما به سمت جلو استفاده می کنند . این گازهای پرسرعت بر هوای خارج از موتور نیرویی وارد می کنند که طبق قانون سوم نیوتن نیروی عکس العمل آن سبب حرکت هواپیما به سمت جلو می شود . شایان ذکر است که نازل در هواپیماهای جت از نوع متغیر می باشد . یعنی دهانه آن با توجه به دبی (گذرجرمی) گازهای خروجی قابل تغییرو تنظیم است .

موتورهای هواپیما انواع مختلفی دارند که به دو سته کلی تقسیم می شوند :

 

1- موتورهای پیستونی :

که از نظر کاری شبیه به موتور خودروها می باشند.

2- موتورهای توربینی :

این موتورها به سه دسته کلی توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسیم بندی می شوند.

توربوجتها اولین موتورهای جت می باشند که امروزه به دلیل مسائلی مثل صدای زیاد و آلودگی محیط زیست بجز در موارد خاص استفاده ای از انها نمی شود . توربوفنها نوع پیشرفته موتورهای توربوجت هستند . به این صورت که ردیف اول کمپرسور در این موتورها به عنوان فن عمل کرده و مقداری از هوای ورودی به موتور را از اطراف موتور by pass کرده که این عمل علاوه بر افزایش نیروی جلوبرندگی  باعث کاهش صدا,آلودگی محیطی و ... می شود .

در موتورهای توربوفن با اتصال یک ملخ به گیربکس و سپس به کمپرسور , نیروی جلوبرندگی ایجاد می شود . در این حالت سعی می شود که بیشترین انرژی جنبشی گازها صرف چرخاندن توربین و از آنجا کمپرسور و در نتیجه ملخ شود . وجود گیربکس به این خاطر است که سرعت دورانی ملخ از حد معینی تجاوز نکند . یعنی باید سرعت انتهای ملخ از عدد ماخ کوچکتر باشد . زیرا سرعتی بیش از این سبب ایجاد ارتعاشات شدید و در نتیجه شکستگی ملخ می شود.

موتورهای توربوشفت نیز نوعی موتور توربوپراپ می باشند که از آنها جهت به حرکت درآوردن هلیکوپترها استفاده می شود .بطور کلی موتورهای توربوپراپ بدلیل اینکه در ارتفاع پروازی کم از قدرت زیادی برخوردار هستند از آنها در هواپیماهای ترابری استفاده می شود ( مثل C130   )

 

آشنایی با برخی اصطلاحات مهم :

 

1- نیروی جلوبرندگی یا تراست (Thrust)

موتورجت بر اساس قانون سوم نیوتن نیروی تراست را تولید می کند . یعنی نیرویی به سمت عقب بر هوا وارد کرده و عکس العمل این نیرو برای ما نیروی جلوبرندگی یا تراست را فراهم می کند . از طرفی میدانیم که از قانون دوم نیوتن داریم :

با توجه به حقایق فوق می توان اقدام به نوشتن دو نوع فرمول برای تراست نمود :

 

1- نت تراست (Net thrust)

این نوع تراست به حالتی اطلاق می شود که هوای ورودی به موتور سرعت داشته باشد . به عبارت دیگر تقریباً می توان گفت موتور در حرکت باشد . در اینصورت فرمول آن به دو شکل زیر خواهد بود :

- وقتی که نازل در حالت choke  نباشد :

- وقتی که نازل در حالت choke باشد :

در فرمولهای فوقجرم هوای ورودی به موتور,سرعت گازهای خروجی از نازل ,  <!--[endif]-->سرعت هوای ورودی به موتور , سطح مقطع نازل , و به ترتیب فشار استاتیک نازل و اتمسفر میباشد .ضمناً در داخل موتور سوخت به هوا افزوده می شود ولی به دلیل نشتی های درون موتور از جرم آن صرف نظر می شود .

 

1-2 گراس تراست(Gross thrust)

حالتی است که سرعت هوای ورودی به موتور صفر بوده یعنی در واقع موتور در حال سکون باشد .پس :

- وقتی که نازل در حالت choke نباشد :

 - وقتی که نازل در حالت choke باشد :

فرمولهای بدست آمده فوق مختص موتورهای توربوجت بوده و برای سایر موتورهای جت مقادیر فوق از روابط پیچیده تری محاسبه می شوند .

 

2-راندمان حرارتی (Thermal Efficiency)

به این راندمان اصطلاحاً راندمان داخلی internal efficiency نیز می گویند و عبارت است از نسبت بین انرژی سینتیک گازها و کل انرژی حرارتی سوخت .

این راندمان در موتورهای جت حدود 35 درصد و بستگی به ضریب تراکم و درجه حرارت احتراق دارد و هرچه این دو عامل زیاد شوند, راندمان حرارتی نیزافزایش پیدا خواهد کرد .

 

3-راندمان جلوبرندگی(Propulsive Efficiency)

این راندمان را می توان بانسبت انرژی جلوبرندگی مفید برمجموع این انرژی وانرژی غیرمفیدجت تعریف نمود . به عبارتی دیگر, راندمان جلوبرندگی حاصل تقسیم کارانجام شده برروی هواپیما بر انرژی سینتیک گازها می باشد .

 

به سادگی می توان ثابت کرد که مقدار آن برابر است با :

درفرمول فوق V سرعت هواپیماو سرعت گازهای خروجی می باشد و بنا به فرمول اگر این مقدار کاهش یابد راندمان افزایش می یابد . این راندمان در موتورهای جت 85 درصد است .

4-راندمان کلی (Overal Efficiency)

این راندمان تلفیقی از دو راندمان قبل بوده به طوری که می توان ثابت کرد :

و تعریف آن چنین است :

یعنی , نسبت کار انجام بر هواپیما به انرژی ناشی از سوخت . راندمان کلی موتورهای جت حدود 30 درصد است .

 

5-مصرف ویژه سوخت((Specific Fuel Consumption-SFC

منظور از این واژه مقدار سوخت مصرفی(gr or lb) به ازای واحد تراست
 
(N or lb) در ساعت است .


موضوعات

صفحات