توربین گازی چیست؟ – از کاربرد تا طرز کار به زبان ساده

توربین گازی یکی از انواع توربین است که از گاز فشرده شده برای چرخیدن به منظور تولید الکتریسیته یا تولید انرژی جنبشی برای هواپیما یا جت استفاده می‌کند. به فرایند انجام این کار «چرخه برایتون» (Brayron cycle) می‌گوییم. در تمام توربین‌های گازی مدرن، گاز فشرده شده یا تحت فشار از سوزاندن گاز طبیعی، پروپان یا سوخت جت تامین می‌شود. گرمای ایجاد شده توسط این سوخت، هوای جریان یافته در توربین را منبسط و انرژی مفید تولید می‌کند. در این مطلب از مجله فرادرس، در مورد توربین‌ گازی صحبت می‌کنیم و چگونگی عملکرد و مهم‌ترین کاربردهای آن را به زبان ساده توضیح می‌دهیم.

توربین گازی چیست ؟

شاید در یکی از سفرهای خود، با هواپیما سفر کرده باشید. در فرودگاه به جت‌های تجاری و موتورهای عظیمی که آن‌ها را به حرکت درمی‌آورند دقت کنید. بیشتر جت‌های تجاری توسط موتورهای توربوفن هدایت می‌شوند. این موتورها نمونه‌ای از دسته کلی از موتورهایی به نام موتورهای توربین گازی هستند. توربین گازی نوعی موتور احتراق داخلی است که انرژی حاصل از جریان گاز را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. از این توربین در تولید برق، نیروی محرکه هواپیما و بسیاری از صنایع دیگر استفاده می‌شود. شاید نام موتورهای توربین گازی را نشنیده باشید، اما آن‌ها در جاهایی که انتظار ندارید، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، بسیاری از هلیکوپترهایی که در آسمان به هنگام پرواز مشاهده کرده‌اید یا بسیاری از نیروگاه‌های برق کوچک از توربین‌های گازی استفاده می‌کنند.

فیلم آموزش مبانی توربین گاز – به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

توربین‌ها انواع مختلفی دارند:

• به طور حتم نام توربین بخار را شنیده‌اید یا در کتاب‌های درسی خود در مورد آن مطالعه کرده‌اید. بیشتر نیروگاه‌های برق از ذغا‌ل‌سنگ، گاز طبیعی، نفت یا راکتور هسته‌ای برای تولید بخار استفاده می‌کنند. بخار تولید شده از میان توربینی چندمرحله‌ای که با دقت بالایی طراحی شده است، عبور می‌کند و محور خروجی را می‌چرخاند. چرخش این محور، ژنراتور نیروگاه را به حرکت درمی‌آورد.
• سدهای هیدروالکتریکی از توربین‌های آبی برای تولید برق استفاده می‌کنند. توربین‌های استفاده شده در نیروگاه‌های هیدروالکتریکی به طور کامل با توربین‌های بخار تفاوت دارند، زیرا چگالی آب از چگالی بخار آب بسیار بزرگ‌تر است.
• توربین‌های بادی از باد به عنوان نیروی محرک استفاده می‌کنند. این توربین‌ها هیچ شباهتی به توربین‌های بخار یا آبی ندارد، زیرا باد به کندی حرکت می‌کند و بسیار سبک است. اما عملکرد این توربین‌ها یکسان است.

توربین گازی توربینی همانند توربین‌های توضیح داده شده در بالا و گسترش یافته آن‌ها است. این توربین توسط گاز فشرده شده می‌چرخد. در تمام موتورهای توربین‌های گازی مدرن، موتور گاز فشرده خود را تولید می‌کند. این کار با سوزاندن ماده‌ای مانند پروپان، گاز طبیعی یا سوخت هواپیما انجام می‌شود. گرمای حاصل از سوزاندن ماده موردنظر، هوا را منبسط می‌کند. هوای گرم شده به دلیل سرعت بالا سبب چرخاندن توربین خواهد شد.

تا اینجا فهمیدیم توربین گازی چیست، در ادامه در مورد اجزای تشکیل‌دهنده توربین گازی و چگونگی عملکرد توربین‌های گازی صحبت می‌کنیم.

اجزای تشکیل دهنده توربین گازی

موتور توربین گازی از لحاظ نظری بسیار ساده است. این توربین‌ها از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند:

1. کمپرسور: هوای ورودی به سیستم در کمپرسور فشرده می‌شود و فشار آن افزایش می‌یابد.
2. ناحیه احتراق: در این ناحیه هوا و سوخت با یکدیگر مخلوط می‌شوند و گازِ پرفشار با سرعت زیاد و دمای بسیار بالا تولید می‌شود.
3. توربین: توربین، انرژی را از گازِ پرفشارِ جاری و با سرعت بالا در محفظه احتراق دریافت می‌کند.

فیلم آموزش مقدماتی نرم افزار GasTurb برای تحلیل و محاسبه عملکرد توربین گازی در فرادرس

کلیک کنید

کمپرسور چیست ؟

نخستین بخش در توربین گازی کمپرسور نام دارد. پره‌های ساکن و چرخان به صورت چندین ردیف در کمپرسور قرار گرفته‌اند. هوا از محیط اطراف از طریق کمپرسور وارد توربین گازی می‌شود. کمپرسورها فشار هوای ورودی را قبل از ورود به محفظه احتراق افزایش می‌دهند. پره‌های چرخان سبب افزایش شتاب هوای ورودی در راستای محوری و محیطی می‌شوند. اما پره‌های ساکن، تغییر مسیر هوای ورودی را کنترل می‌کنند. پره‌های ساکن و چرخان در کنار یکدیگر جریانی پیوسته از هوای فشرده ایجاد می‌کنند.

در حالت کلی، کمپرسورهای استفاده شده در توربین‌های گازی به دو دسته تقسیم می‌شوند:

• کمپرسورهای محوری: هوای ورودی به این کمپرسورها موازی محور چرخش حرکت می‌کند.
• کمپرسورهای گریز از مرکز: در این کمپرسورها، هوای ورودی در راستای عمود بر محور چرخش حرکت می‌کند. از این کمپرسورها در موتورهای جت‌های اولیه استفاده می‌شد.

سوالی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا در ساخت هواپیماهای اولیه از کمپرسورهای گریز از مرکز استفاده می‌شد و سال‌ها بعد کمپرسورهای محوری جایگزین آن‌ها شدند. کمپرسور گریز از مرکزِ متوسط و تک مرحله‌ای می‌تواند فشار هوای ورودی به توربین را تا ۴ برابر افزایش دهد. در مقابل، کمپرسور محوری متوسط و تک مرحله‌ای، تنها می‌تواند فشار هوا را تا ۱/۲ برابر افزایش می‌دهد. اما اتصال چند مرحله با یکدیگر و ساخت کمپرسور محوری چند مرحله‌ای بسیار آسان است. در کمپرسور چند مرحله‌ای، فشار هوا از سطری به سطر دیگر چند برابر می‌شود. توجه به این نکته مهم است که تولید کمپرسور گریز از مرکز چند مرحله‌ای بسیار سخت است، زیرا جریان هوا باید در هر مرحله به سمت محور هدایت شود.

از آنجا که در کمپرسورهای گریز از مرکز جریان هوا بر محور، عمود است، موتورها با کمپرسور گریز از مرکز پهن‌تر خواهند بود. سطح مقطع این موتورها بزرگ‌تر از موتورهایی است که در ساخت آن‌ها از کمپرسورهای محوری استفاده می‌شود. به همین دلیل، نیروی مقاومت اضافه‌ای در برابر پرواز هواپیما ایجاد می‌شود. از این‌رو، در بیشتر موتورهای توربینی پرفشار و پربازده از کمپرسورهای محوری چند مرحله‌ای استفاده شده است. اما اگر فشار موردنیاز خیلی زیاد نشود، استفاده از کمپرسورهای گریز از مرکز بسیار ساده‌تر خواهد بود.

کمپرسور محوری چیست؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد بیشتر هواپیماهای جنگی و مسافربری با استفاده از موتورهای توربین‌های گازی کار می‌کنند. به این موتورها، موتورهای جت نیز گفته می‌شود. موتورهای جت انواع مختلفی دارند، اما تمام آن‌ها قسمت‌های یکسانی مانند کمپرسور دارند. همان‌طور که گفتیم از کمپرسورها به منظور افزایش فشار هوا قبل از ورود به محفظه احتراق استفاده می‌شود. بازده کمپرسور تاثیر زیادی بر بازده کلی موتور می‌گذارد. همان‌طور که در بخش قبل گفتیم در کمپرسورهای محوری، هوا در راستای موازی با محور چرخش حرکت می‌کند. کمپرسور از چندین ردیفِ آبشاری ایرفویل تشکیل شده است. برخی از ردیف‌ها «روتور» (rotor) نامیده می‌شوند و به محور مرکزی متصل هستند. روتورها با سرعت بالایی می‌چرخند.

به ردیف‌های دیگر «استاتور» (Stator) می‌گوییم. استاتورهای ثابت هستند و هیچ‌گونه چرخشی ندارند. وظیفه استاتورها افزایش فشار هوا و جلوگیری از ایجاد جریان مارپیچی به دور محور است. استاتورها این کار را با موازی نگه داشتن هوا با محور انجام می‌دهند. روتور کمپرسور محوری در تصویر زیر نشان داده شده است. شکل و جهت‌دهی پره‌های تکی در این تصویر به وضوح مشاهده می‌شود.

استاتورها در کمپرسور محوری به محفظه بیرونی وصل می‌شوند. کمپرسور محوری همراه با روتورها و استاتورها در تصویر زیر نشان داده شده است.

آیا می‌دانید کمپرسور محوری چگونه کار می‌کند؟ اگر بخواهیم به جزییات عملکرد این توربین توجه کنیم، کار بسیار پیچیده‌ای پیشِ رو خواهیم داشت، زیرا پره‌ها و جریان هوا سه‌بعدی هستند. از این‌رو، جریان ایجاد شده کاملا ناپایدار است و می‌تواند اثرات گرانروی و تراکم‌پذیری مهمی داشته باشد. هر پره یا تیغه روی روتور یا استاتور تغییرات فشاری مشابه ایرفویل ملخ چرخان ایجاد می‌کند. اما برخلاف پره ملخ، پره‌های کمپرسورِ محوری به یکدیگر نزدیک هستند. به همین دلیل، جریان به دور هر پره کاملا تغییر می‌کند و متفاوت از جریان به دور پره‌های ملخ است.

کمپرسور گریز از مرکز چیست؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد بیشتر هواپیماهای مسافربری و جنگی مدرن از موتورهای توربین گازی به عنوان تامین‌کننده قدرت استفاده می‌کنند. کمپرسور یکی از بخش‌های اصلی توربین‌های گازی است. در بخش قبل در مورد کمپرسورهای محوری صحبت کردیم. در این قسمت کمپرسورهای گریز از مرکز را به اختصار توضیح می‌دهیم. در کمپرسور گریز از مرکز، جریان هوا بر محور چرخش عمود است. از این کمپرسورها در هواپیماهای اولیه استفاده می‌شد. کمپرسورهای گریز از مرکز از سه قسمت اصلی تشکیل شده‌اند:

• پروانه: نخستین قسمت از کمپرسور گریز از مرکز، پروانه نام دارد. در تصویر زیر پروانه‌ای بدون محور را مشاهده می‌کنید. پره‌ها به صورت کاملا واضح در تصویر مشاهده می‌شوند. پره‌ها جریان هوا را جذب می‌کنند و هوا از طریق شکاف‌های بین پره‌ها به لبه پروانه می‌رود. پروانه می‌چرخد، بنابراین نیروی گریز از مرکز بر جریان هوا وارد و سبب خروج آن از میان پره‌ها می‌شود. هرچه سرعت چرخش پروانه بیشتر باشد، هوا سریع‌تر خارج خواهد شد.

• دیفیوزر: دومین قسمت از کمپرسور گریز از مرکز، «دیفیوزر» (Diffuser) نام دارد. در تصویر زیر پروانه‌ای بدون محور را مشاهده می‌کنید. جریان هوا توسط این بخش واگرا و پخش می‌شود. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود دیفیوزر از دو لایه متصل به هم تشکیل شده است و هوا بین این دو لایه می‌تواند جریان داشته باشد. فاصله دو لایه با فضاهای خالی پر شده است. فاصله فضاهای ایجاد شده بین دو لایه در قسمت داخل کمتر از قسمت خارجی دیفیوزر است. از این‌رو، جریان هوا پس از عبور از دیفیوزر واگرا می‌شود. در این قسمت، فشار هوا افزایش می‌یابد.

• لوله چندشاخه: «لوله چندشاخه» (manifold) آخرین قسمت کمپرسورهای گریز از مرکز است. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، لوله چندشاخه به دور دیفیوزر بسته شده است. جریان هوا پس از واگرا شدن در دیفیوزر از طریق دو لوله نشان داده شده در تصویر، خارج و وارد محفظه احتراق می‌شود. بنابراین، در کمپرسور گریز از مرکز، جریان هوا در پروانه شتاب می‌گیرد. سرعت جریان هوا پس از ورود به دیفیوزر کاهش و فشار آن افزایش می‌یابد. در پایان، جریان هوای پرفشار از طریق لوله چندشاخه متصل به دیفیوزر، وارد محفظه احتراق می‌شود.

در توربین گازی، کمپرسور گریز از مرکز، انرژی را از تیغه‌های پروانه منتقل می‌کند. عوامل زیادی مانند دینامیک تیغه‌ها، دینامیک سیال یا شاره، و ویژگی‌های فیزیک گاز بر بازده توربین و کمپرسور تاثیر می‌گذارند. کمپرسورهای گریز از مرکز با دادن انرژی جنبشی (سرعت) به گاز به هنگام عبور آن از پروانه، فشار گاز را افزایش می‌دهند.

ناحیه احتراق در توربین گازی چیست ؟

فشار هوا در کمپرسور افزایش می‌یابد. پس از کمپرسور، محفظه احتراق قرار دارد. هوای پرفشار در کمپرسور وارد محفظه احتراق می‌شود. در این ناحیه حلقه‌ای از ترزیق‌کننده‌های سوخت، بخار پایداری از سوخت را به داخل محفظه احتراق تزریق می‌کنند. به طور معمول، سوخت‌های استفاده شده در توربین‌های گازی، پروپان، سوخت موشک یا گاز طبیعی هستند. سوخت استفاده شده در توربین‌های گازی به شکل شعله در محفظه احتراق عمل می‌کنند. شاید از خود بپرسید چگونه جریان شدید هوا آن را خاموش نمی‌کند. هوا با سرعتی برابر صدها کیلومتر بر ساعت در محفظه احتراق حرکت می‌کند. برای روشن نگه داشتن شعله سوخت در محفظه احتراق از وسیله‌ای به نام نگه‌دارنده شعله استفاده می‌شود. برای ساخت این وسیله، داخل فلزی سنگین، حفره‌ای ایجاد می‌شود.

محفظه احتراق در تصویر زیر نشان داده شده است. تزریق‌کننده‌ها در سمت راست تصویر مشاهده می‌شوند. هوای فشرده از طریق حفره‌های ایجاد شده وارد محفظه می‌شود. گازهای خروجی از سمت چپ خارج خواهند شد.

محفظه احتراق یکی دیگر از بخش‌های اصلی موتورهای توربین گاز است. در این محفظه، سوخت با هوای پرفشارِ خارج شده از کمپرسور ترکیب و سوزانده می‌شود. در نتیجه، گاز خروجی از محفظه احتراق دمای بسیاری بالایی دارد و از آن برای به راه انداختن توربین و حرکت هواپیما استفاده می‌شود. محفظه احتراق بین کمپرسور و توربین قرار گرفته است. برای شروع احتراق و واکنش بین هوای ورودی به محفظه و سوخت از جرقه الکتریکی استفاده می‌شود. پس از آن شعله ایجاد شده باید توسط نگه‌دارنده شعله روشن باقی بماند. همان‌طور که گفتیم دمای هوای پرفشار پس از ورود به محفظه احتراق و سوختن توسط سوخت داخل توربین گازی، به صورت قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. در این فرایند انرژی ذخیره شده در مخلوط هوا و سوخت آزاد می‌شود.

بخش مهمی از این انرژی برای به کار انداختن کمپرسور مصرف می‌شود. در واقع، در حدود دوسوم این انرژی، صرف به راه انداختن کمپرسور توربین گازی خواهد شد. همان‌طور که می‌دانیم کمپرسور یکی از بخش‌های اصلی توربین گازی است که بیشتر انرژی آزاد شده صرف به راه انداختن آن می‌شود. اما کمپرسور، تنها بخش اجرایی در توربین‌های گازی نیست و برای راه انداختن بخش‌های دیگر نیز باید انرژی مصرف شود. بنابراین، یک‌سوم انرژی باقیمانده برای به راه انداختن دیگر بخش‌های توربین مانند خنک‌کننده، محور خروجی یا پروانه صرف خواهد شد. وظیفه اصلی محفظه احتراق، سوزاندن مخلوط هوا و سوخت با افزودن انرژی گرمایی به هوا است. برای انجام این کار به صورت موثر و بدون اتلاف انرژی باید:

• هوا و سوخت به خوبی با یکدیگر مخلوط شوند. در این صورت احتراق به خوبی انجام می‌شود.
• مخلوط به طور کاملا موثر و مفید سوزانده شود.
• محفظه احتراق بتواند محصولات احتراق با دمای بسیار بالا را تا دمای مطمئن و مشخصی سرد کند. انجام این کار بسیار ضروری است، زیرا اگر دما بسیار بالا باشد، اجزای داخلی محفظه احتراق ممکن است آسیب ببینند و به خوبی عمل نکنند. با سرد کردن محصولات احتراق می‌توان به این اطمینان رسید که پره‌های ورودی توربین می‌توانند شرایط عملیاتی را بدون اثرات مخرب و ویران‌گر تحمل کنند.
• محفظه احتراق به خوبی بتواند گاز داغ ایجاد شده را به قسمت توربین منتقل کند.