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.

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.

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.

شاید از خود پرسیده باشید مفهوم احتراق چیست. قبل از ادامه این مبحث و به منظور درک بهتر عملکرد محفظه احتراق، خالی از لطف نیست کم در مورد مفهوم احتراق صحبت کنیم.

احتراق چیست؟

احتراق، نام علمی سوختن است. همه ما در زندگی روزمره با مفهوم سوختن یا سوزاندن آشنا هستیم، اما بیشتر ما نمی‌دانیم سوختن نوعی واکنش شیمیایی است. احتراق، فرایندی شیمیایی است که در آن سوخت موردنظر با هوا واکنش می‌دهد و گرما تولید می‌کند. احتراق در شیمی نوعی واکنش گرماده شیمیایی است که قبلا نیز در رابطه با آن در مجله فرادرس صحبت کردیم. این واکنش هنگامی رخ می‌دهد که اکسیژن با عنصری ترکیب و اکسید تشکیل می‌شود. برای احتراق به سه جزء اصلی نیاز است:

• سوخت: سوخت می‌تواند هر ماده‌ای باشد که بتواند با اکسیژن واکنش دهد. هیدروکربن‌ها، مانند پروپان یا گاز طبیعی (متان)، از معروف‌ترین سوخت‌های استفاده شده در توربین‌ها، به خصوص توربین گازی، هستند.
• گرما: گرما باید به شکلی به مخلوط سوخت و اکسیژن منتقل شود. یکی از روش‌های انتقال گرما به مخلوط سوخت و اکسیژن (هوا) جرقه الکتریکی است.
• اکسیژن: برای آن‌که احتراق رخ دهد، اکسیژن باید به اندازه کافی در محیط وجود داشته باشد.

همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد از سوخت‌های مختلفی مانند گاز طبیعی یا پروپان در محفظه احتراق استفاده می‌شود. برای آن‌که احتراق رخ دهد، اکسیژن باید حضور داشته باشد. اکسیژن به اندازه کافی در هوا وجود دارند. بنابراین، با پر کردن محفظه از هوا به راحتی می‌توانیم به این اطمینان برسیم که اکسیژن کافی برای شروع احتراق تامین شده است. هوای پرفشار از کمپرسور وارد محفظه احتراق در توربین گازی می‌شود. از این‌رو، نخستین عامل برای شروع احتراق تامین شده است. مقدار هوای ورودی به محفظه همراه با دیگر عوامل لازم برای شروع احتراق تعیین‌کننده بازده احتراق است. اگر هوای ورودی به محفظه احتراق کافی نباشد، دود سیاهی پس از شروع احتراق مشاهده خواهد شد. دلیل این موضوع آن است که احتراق به صورت کامل انجام نشده است.

از دید نظری مقدار هوای لازم برای احتراق کامل محاسبه شده است. اگر این مقدار هوا برای احتراقِ کامل وارد محفظه احتراق شود و با مقدار سوخت مشخص مخلوط شود، به مخلوط ایجاد شده، مخلوط استوکیومتریک می‌گوییم. به این نکته توجه داشته باشید که حتی اگر مقدار کافی سوخت و اکسیژن با یکدیگر مخلوط شوند، احتراق بدون وجود گرمای کافی نمی‌تواند رخ دهد. احتراق هنگامی آغاز می‌شود که دمای مخلوط اکسیژن و سوخت به اندازه کافی و تا دمایی به نام نقطه اشتعال افزایش یابد. اشتعال ممکن است توسط جرقه الکتریکی ایجاد شود. همان‌طور که در مطالب بالا گفتیم هوای پرفشارِ وارد شده به محفظه احتراق ابتدا با سوخت تزریق شده به داخل محفظه به خوبی مخلوط می‌شود. در ادامه، مخلوط هوا و سوخت توسط جرقه الکتریکی سوزانده می‌شوند و دمای مخلوط به شدت افزایش می‌یابد. احتراق انواع مختلفی دارد:

• احتراق کامل: یکی از انواع احتراق، احتراق کامل است. این احتراق هنگامی رخ می‌دهد که هوا به صورت نامحدود بتواند وارد محفظه شود. در این حالت، با اطمینان می‌توان گفت مقدار هوای وارد شده به محفظه بیشتر از مقدار هوای لازم برای ایجاد مخلوط استوکیومتریک و احتراق کامل است. به احتراق کامل، احتراق تمیز نیز گفته می‌شود. در این حالت، سوخت (هیدروکربن) به صورت کامل می‌سوزد و تنها دو محصول جانبی آب و دی‌اکسیدکربن باقی می‌مانند. سوختن شمع یکی از مثال‌های معروف احتراق کامل است. گرمای فتیله، موم شمع را تبخیر و باعث واکنش آن با اکسیژن داخل هوا می‌شود. آب و دی‌اکسیدکربن، دو محصول واکنش انجام شده هستند. در شرایط ایده‌ال، تمام موم می‌سوزد و احتراق کامل رخ می‌دهد.

• احتراق ناقص: احتراق ناقص، یکی دیگر از انواع احتراق است. این احتراق هنگامی رخ می‌دهد که هوا به صورت محدود وارد محفظه شود. نام دیگر احتراق ناقص، احتراق کثیف است. از آنجا که در این نوع احتراق، اکسیژن به اندازه کافی در محفظه وجود ندارد، سوخت نمی‌تواند به صورت کامل واکنش دهد. محصولات تولید شده در احتراق ناقص به جای آب و دی‌اکسیدکربن، دوده و مونواکسیدکربن هستند. سوختن کاغذ یکی از مثال‌های معروف احتراق ناقص است. هنگامی‌که کاغذی می‌سوزد، محصول جانبی به نام خاکستر (نوعی دوده) بر جا می‌ماند. توجه به این نکته مهم است که انرژی تولید شده در احتراق ناقص، کمتر از انرژی تولید شده در احتراق کامل است.

• احتراق سریع: احتراق سریع، یکی دیگر از انواع احتراق است. احتراق سریع برای رخ دادن به انرژی گرمایی خارجی نیاز دارد. در این احتراق مقدار بسیر زیاد انرژی نورانی و گرمایی ایجاد می‌شود. تا هنگامی‌که سوخت در دسترس باشد، این احتراق ادامه خواهد یافت.
• احتراق خودبه‌خودی: احتراق خودبه‌خودی، همان‌طور که از نام آن مشخص است، به صورت خودبه‌خودی رخ می‌دهد. این بدان معنا است که این احتراق برای رخ دادن به هیچ انرژی خارجی برای شروع نیاز ندارد. ماده‌ای با دما اشتعال پایین گرم می‌شود و این گرما نمی‌تواند به راحتی فرار کند. در این حالت، با افزایش دما به بالای نقطه اشتعال و با حضور اکسیژن کافی، احتراق رخ خواهد داد. واکنش فلزهای قلیایی با آب یکی از معروف‌ترین مثال‌ها احتراق خودبه‌خودی است.
• احتراق انفجاری: این احتراق هنگامی رخ می‌دهد که واکنش شیمیایی بسیار سریع انجام شود. ترقه یا انفجار دینامیت از مثال‌های معروف احتراق انفجاری هستند.

در محفظه احتراق، گرما از طریق شعله به مخلوط هوا و سوخت منتقل می‌شود. شعله می‌تواند از طریق جرقه الکتریکی ایجاد شود. در بخش بعد کمی در مورد شعله و ساختار کلی آن صحبت می‌کنیم.

شعله چیست؟

کلمه شعله (Flame) از کلمه لاتین «Flamma» می‌آید. به بیان ساده، شعله‌ها قسمت قابل‌رویت واکنش احتراق هستند. در مدت احتراق، سوخت با اکسیژن واکنش می‌دهد و مقدار بسیار زیادی گرما تولید می‌شود. برای درک بهتر ساختار شعه، به شعله شمع، نشان داده شده در تصویر زیر دقت کنید. اگر به شعله شمع به دقت نگاه کنید، متوجه شکل، چگونگی سوختن و رنگ‌های متفاوت آن می‌شوید. برای روشن کردن شمع از کبریت یا فندک استفاده می‌کنید. بنابراین، گرما از طریق کبریت یا فندک تامین می‌شود.

موم شمع در نقش سوخت و هوای اتاق در نقش تامین‌کننده اکسیژن به همراه گرمای تامین شده از طریق کبریت، در کنار یکدیگر سبب روشن شدن شعله شمع می‌شوند. شعله مکانی است که در آن واکنش احتراق رخ می‌دهد. آزادسازی انرژی نورانی و گرمایی از طریق شعله انجام خواهد شد.

اگر به شعله شمع با دقت نگاه کنید، متوجه سه رنگ مجزا در آن خواهید شد. با استفاده از این رنگ‌ها به خوبی می‌توانیم قسمت‌های شعله را مشخص کنیم:

• قسمت داخلی: این قسمت داخلی‌ترین قسمت شعله و نزدیک‌‌ترین قسمت به موم شمع است. شاید با خود فکر کنیم این قسمت داغ‌ترین قسمت شعله است، اما قسمت داخلی شعله کمترین دما را دارد. این قسمت& قسمت تاریک شعله است که ذرات نسوخته کربن و سوخت (موم) در این قسمت قرار گرفته‌اند.
• قسمت میانی: قسمت میانی، بزرگ‌ترین قسمت شعله است. رنگ این قسمت از زرد تا نارنجی تغییر می‌کند. دمای قسمت میانی بالاتر از دمای قسمت داخلی است، اما خیلی بالا نیست. دلیل این موضوع آن است که قسمت میانی مقدار محدودی اکسیژن دریافت می‌کند. از این‌رو، در این قسمت احتراق ناقص رخ می‌دهد. به همین دلیل، رنگ آن نارنجی و نورانی است.
• قسمت خارجی: این قسمت، داغ‌ترین قسمت شعله با بالاترین دما است، زیرا قسمت خارجی شعله دسترسی نامحدود به اکسیژن موجود در هوای داخل اتاق دارد. از این‌رو، احتراق به صورت کامل در این قسمت انجام می‌شود. از آنجا که احتراق در این قسمت به صورت کامل انجام می‌شود، رنگ شعله آبی خواهد بود.

تا اینجا می‌دانیم وظیفه محفظه احتراق در توربین‌های گازی چیست. همان‌طور که می‌دانیم این محفظه مابین کمپرسور و توربین و به صورت هم‌محور با کمپرسور و توربین قرار گرفته است. از آنجا که محفظه‌های احتراق برای عملکرد موثر باید بتوانند به صورت پیوسته جریان هوا را از خود عبور دهند، اجزای اصلی تشکیل‌دهنده آن‌ها یکسان است:

• لوله محافظ
• لایه داخلی حفره‌دار
• سیستم تزریق سوخت
• وسایل موردنیاز برای اشتعال اولیه
• سیستم تخلیه سوخت برای تخلیه مواد نسوخته پس از خاموش شدن موتور

محفظه‌های احتراق به سه دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند:

• نوع «قوطی» (Can)
• نوع «حلقوی قوطی» (Can-Annular)
• نوع «حلقوی» (Annular)

محفظه احتراق نوع قوطی یا کن

محفظه‌های احتراق قوطی شکل، محفظه‌های احتراق به شکل استوانه و مستقل هستند. هر قوطی جداره محافظ، لایه داخلی حفره‌دار، آتش‌زن یا روشن‌کننده شعله، و سیستم تزریق سوختِ خود را دارد. هوای خارج شده از کمپرسور به سمت هر قوطی تکی هدایت می‌شود و سرعت هنگام ورود به قوطی، کاهش می‌یابد. هوای اولیه پس از کاهش سرعت با سوخت تزریق شده به داخل قوطی، مخلوط و آتش زده می‌شود. به این نکته توجه داشته باشید که داخل لایه داخلی حفره‌دار احتراق رخ می‌دهد. هوای اولیه وارد این لایه می‌شود، اما هوای ثانویه خروجی از کمپرسور به خارج از این لایه هدایت خواهد شد. از این نوع محفظه احتراق در ساخت موتورهای توربین گازی اولیه استفاده می‌شد، زیرا طراحی و آزمایش آن‌ها بسیار ساده و آسان بود. اما در هواپیماهای امروزی از محفظه‌های احتراق نوع قوطی به دلیل وزن نسبتا زیاد آن‌ها استفاده نمی‌شود.

محفظه احتراق از نوع حلقوی قوطی یا کانولار

همانند محفظه احتراق قوطی، محفظه‌های احتراق حلقوی قوطی، نواحی احتراق جداگانه دارند که هر ناحیه لایه داخلی جداگانه همراه با تزریق‌کننده‌های سوخت مجزا دارد. همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، محفظه‌های احتراق قوطی به صورت مجزا از یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما نواحی احتراق در محفظه احتراق حلقوی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر داخل حلقه‌ای دایره‌ای در کنار یکدیگر قرار دارند. نواحی احتراق می‌توانند از طریق سوراخ‌های لایه داخلی یا از طریق لوله‌های متصل‌کننده با یکدیگر ارتباط داشته باشند. لوله‌های رابط اجازه می‌دهند هوا به صورت محیطی جریان داشته باشد. دمای جریان خروجی از محفظه احتراق حلقوی قوطی تقریبا یکنواخت است، بنابراین برای استفاده در بخش توربین بهتر خواهد بود.

این محفظه‌های احتراق از محفظه‌های احتراق قوطی شکل سبک‌تر هستند، بنابراین افت فشار در آن‌ها کمتر و در حدود ۶ درصد است. گرچه نگه‌داری از این محفظه‌های احتراق بسیار سخت‌تر خواهد بود. توربوفن‌ها از این نوع محفظه‌ها برای پرواز استفاده می‌کنند.

محفظه احتراق حلقوی

محفظه احتراق حلقوی از محفظه‌ای تک حلقه‌ای تشکیل شده است که بین محافظ داخلی و خارجی قرار دارد. به دلیل پیوستگی جریان به دور حلقه‌ها، توزیع جریان بسیار راحت‌تر رخ می‌دهد. این محفظه و بخش داخلی آن در تصویر زیر نشان داده شده است. خط قرمز نقطه‌چین، جهت جریان عبوری در محفظه احتراق حلقوی را نشان می‌دهد.

بازده محفظه احتراق

همان‌طور که در توضیح انواع احتراق گفتیم، احتراق کامل یکی از انواع احتراق است که در حضور اکسیژن، گرما و سوخت کافی رخ می‌دهد. از این‌رو، طراحی محفظه احتراق باید به گونه‌ای باشد که احتراق در آن تقریبا به صورت کامل رخ دهد. به بیان دیگر، احتراق مفید و موثر در شرایط عملکرد محفظه‌های احتراق یکی از چالش‌های اصلی به هنگام طراحی آن‌ها است. همچنین، مهندسان به دنبال راهی هستند که فشار هوای درون محفظه احتراق افت چشم‌گیری نداشته باشد. علاوه بر جلوگیری از افت چشم‌گیرِ فشار هوا، توانایی روشن کردن مجدد سوخت در مواقعی که ناخواسته خاموش می‌شود، بسیار مهم است. از لحاظ نظری، احتراق می‌تواند بدون افت فشار انجام شود. اما در عمل این امر به طور کامل ممکن نیست. بنابراین، نگه‌داشتن مقدار افت فشار در حالت کمینه بسیار مهم است.

شاید از خود بپرسید چرا فشار هوا پس از خروج از کمپرسور و ورود به محفظه احتراق، افت می‌کند. هوا پس از ورود به محفظه احتراق به صورت چرخشی حرکت می‌کند و برای احتراق کامل و موثر باشد به صورت کامل با سوخت مخلوط شود. از این‌رو فشار آن در حدود ۵ تا ۱۰ درصد افت خواهد کرد. بازده احتراق در موتورهای مدرن در سطح دریا و به هنگام بلند شدن هواپیما برابر ۱۰۰ درصد و به هنگام حرکت در آسمان برابر ۹۸ دصد است. بازده به فشار هوا، دمای پایدار و نسبت هوا به سوخت بستگی دارد. بازده احتراق برحسب نسبت هوا به سوخت در تصویر زیر رسم شده است. همان‌طور که در این تصویر مشاهده می‌کنید، بازده احتراق با افزایش نسبت هوا به سوخت از مقدار ۵۰/۱ به ۱۳۰/۱ تا حدود ۹۵ درصد کاهش می‌یابد.

پایداری احتراق

به شرایط احتراق معمولی و توانایی محفظه در نگه‌داری شعله در مدت زمان احتراق، پایداری احتراق گفته می‌شود. به هنگام طراحی محفظه سوخت، محدودیت‌های عملیاتی برای نسبت هوا به سوخت وجود دارد. به همین دلیل، دو حد محفظه‌ای با سوخت کم و محفظه‌ای غنی از سوخت تعریف می‌شوند. همان‌طور که مطالب بالا اشاره شد گاهی ممکن است شعله در هنگام روبرو شدن با جریان هوای بسیار زیاد و نرخ پایین تزریق گاز خاموش شود. بنابراین، شعله با استفاده از وسیله‌ای به نام نگه‌دانده شعله بلافاصله روشن خواهد شد. پایداری احتراق در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در این تصویر مشاهده می‌کنید با افزایش جریان هوا، ناحیه پایداری کوچک‌تر می‌شود.

تشکیل کربن

موتورهای جت با نسبت‌های فشردگی بالا به هنگام پرواز، دود نسبتا سیاهی تولید می‌کنند. دود سیاه نشان‌دهنده تشکیل کربن در ناحیه احتراق اولیه است.

توربین چیست؟

در مطالب بالا در مورد کمپرسور و ناحیه احتراق صحبت کردیم. هوا در کمپرسور فشرده و پس از ورود به محفظه احتراق با سوخت مخلوط می‌شود. سپس، مخلوط هوا و سوخت توسط گرمای ایجاد شده توسط شعله، می‌سوزد و دمای آن به صورت قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. در ادامه، هوای داغ وارد بخشی به نام توربین می‌شود. توربین، سمت چپِ موتور توربین گازی قرار دارد. در تصویر زیر دو مجموعه توربین وجود دارند. مجموعه اول به طور مستقیم، کمپرسور را راه می‌اندازد. توربین‌ها، محور و کمپرسور به عنوان مجموعه‌ای واحد در نظر گرفته می‌شوند.

همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، مرحله نهایی توربین در سمت چپ قرار دارد. محور خروجی به توربین وصل شده است. مرحله نهایی توربین و محور خروجی با یکدیگر واحدی مستقل و آزاد را تشکیل می‌دهند. آن‌ها کاملا مستقل و بدون اتصال به بقیه قسمت‌های موتور می‌چرخند. این قسمت، یکی از قسمت‌های بسیار جالب در موتور توربین گازی است. به بیان ساده‌تر، گاز داغ خروجی از محفظه احتراق به اندازه کافی انرژی برای به حرکت درآوردن پره‌های توربین را دارد. به همین دلیل، توربین خروجی نهایی پس از به حرکت درآمدن پره‌هایش توسط گاز داغ می‌تواند توانی برابر ۱۵۰۰ اسب بخار تولید کند.

توربین گازی چگونه کار می کند ؟

در حالت کلی، از توربین‌های گازی برای دو هدف استفاده می‌شود:

1. تولید برق
2. تولید نیروی رانش در هواپیما

گرچه این دو کاربرد با یکدیگر تفاوت دارند، چگونگی عملکرد توربین گازی در هر دو هدف یکسان است. برای آشنایی بیشتر با توربین گازی چگونگی عملکرد آن برای تولید نیروی رانش در هواپیما را توضیح می‌دهیم. توربین گازی استفاده شده در هواپیما در تصویر زیر نشان داده شده است. برای آن‌که هواپیما بتواند رو به جلو حرکت کند، موتور توربین گازی باید بتواند نیرویی رو به جلو ایجاد کند. این نیرو توسط اثر جت مایع خروجی تولید می‌شود. مایع در سرعت‌های بالا از موتور خارج می‌شود. با خروج مایع، نیروی عکس‌العملی تولید می‌شود که هواپیما را به حرکت درمی‌آورد. به این نیرو، نیروی موشک می‌گوییم. با استفاده از قانون دوم نیوتن و اعمال آن بر حجم کنترل شده موتور موشک می‌توانیم بزرگی نیروی موشک را به‌دست آوریم.

نیروی موشک با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$F_ T = m^{ \cdot } _ 2 V_ { jet} - m^{ \cdot } _ 1 V_ { 1 }$$

اگر تغییرات جرم $$ m^{ \cdot } _ 2$$ و $$m^{ \cdot } _ 1$$ با یکدیگر برابر باشند، هرچه موشک با سرعت بیشتری حرکت کند،‌ نیروی موشک نیز بزرگ‌تر خواهد بود. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چگونه می‌توانیم موشکی تولید کنیم که به طور پیوسته و دائم سرعت بالایی داشته باشد. این موشک را می‌توان به کمک فرایند احتراق و از طریق تزریق سوخت به داخل آن تولید کرد. با انجام این کار، شعله‌هایی با سرعت بسیار بالا تولید خواهند شد. اما برای داشتن فرایند احتراق پایدار، باید در محفظه احتراق، ورودی هوا نصب شود. در این صورت، دما و فشار محفظه افزایش چشم‌گیری می‌یابد. این کار به کمک پخش‌کننده و کمپرسور قابل انجام است.

هوا به دلیل حرکت رو به جلوی موتور و مکش قوی کمپرسور، وارد موتور می‌شود. پخش‌کننده یا دیفیوزر، فشار سیال را تا مقداری مشخص افزایش می‌دهد. افزایش فشار سیال با تبدیل قسمتی از انرژی جنبشی به انرژی فشاری انجام می‌شود. فشار و دمای هوا پس از ورود به کمپرسور و به دلیل انرژی افزوده شده توسط کمپرسور به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. بنابراین، هوای خارج شده از کمپرسور، دما و فشار بسیار بالایی دارد. اما باید بدانیم که کمپرسور برای انجام این کار نیاز به نیروی ورودی دارد. نیروی ورودی به کمپرسور توسط توربین تامین می‌شود. توربین پس از محفظه احتراق قرار گرفته است.

انرژی سیال بسیار زیاد است. توربین قسمتی از این انرژی را جذب و آن را به کمپرسور منتقل می‌کند. از این‌رو، فرایند افزایش سرعت موشک پایدار می‌شود. در ادامه، می‌خواهیم بدانیم چگونه سطح انرژی سیال از ورودی موتور توربین گازی تا خروج، تغییر می‌کند. برای انجام این کار نمودار دما برحسب آنتروپی را رسم می‌کنیم. ابتدا، نقطه‌ای به عنوان نقطه ورودی در نمودار دما برحسب آنتروپی انتخاب می‌شود. حالت این نقطه مشابه حالت هوای اطراف است. به دلیل اثر پخش‌کننده یا دیفیوزر، دما و فشار سیال به آهستگی افزایش می‌یابد. بنابراین، روی نمودار از نقطه یک به نقطه دو می‌رویم. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، در انتقال از نقطه یک به نقطه ۲، آنتروپی ثابت می‌ماند. بنابراین، انتقال بین این دو نقطه طی فرایند آدیاباتیک یا بی‌دررو انجام می‌شود.

در ادامه، سیال یا همان هوا وارد کمپرسور می‌شود. در این حالت نیز مشابه فرایند یک به دو رخ می‌دهد و فشار و دمای سیال افزایش می‌یابد. افزایش دما و فشار سیال تا جایی ادامه می‌یابد که فرایند احتراق پایدار بماند. در ادامه، گرما به سیال افزوده می‌شود. افزودن گرما به سیال در فشاری تقریبا ثابت رخ می‌دهد، اما دمای سیال به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. بلافاصله پس از افزایش دما، مقداری انرژی توسط توربین جذب می‌شود. کمپرسور به این انرژی نیاز دارد. پس از جذب انرژی سیال توسط توربین، دما و فشار سیال کاهش می‌یابد. در آخرین مرحله، سرعت موشک به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. این اتفاق در دهانه محفظه یا نازل رخ می‌دهد. افزایش سرعت طی فرایندی با آنتروی ثابت اتفاق می‌افتد. در این حالت، انرژی درونی سیال به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

فشار بخار به فشار محیط اطراف افزوده می‌شود. توجه به این نکته مهم است که بخار خروجی هیچ‌گاه به شرایط ورودی برنمی‌گردد. بنابراین، هوای ورودی جدید و متفاوت از هوای ورودی در مرحله قبل است. بنابراین، نمودار دما برحسب آنتروپی، نموداری باز است و چرخه بسته نمی‌شود. اما از آنجا که فشار در نقطه‌های یک و ۶ با یکدیگر برابر هستند، انتقال از نقطه شش به یک را می‌توانیم فرایندِ شبه فشار ثابت در نظر بگیریم. بنابراین، در نمودار، خطی فرض و به شکل نقطه‌چین برای کامل کردن چرخه رسم می‌شود.

توربین گازی مولد چیست ؟

در نیروگاه‌های توربین گازی، ژنراتوری برای تولید الکتریسیته وجود دارد. این ژنراتوری نوعی ماشین الکتریکی است. این ژنراتور برای تولید الکتریسیته به محرکی اصلی نیاز دارد. در اینجا، توربین گازی نقش این محرک را ایفا می‌کند. توربین گازی، انرژی شیمیایی داخل سوخت را (گاز طبیعی یا سوختی مشابه) به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

انرژی مکانیکی ایجاد شده توسط محور خروجی توربین از طریق گربکس به محور ژنراتور منتقل می‌شود. پس از آن، ژنراتور می‌تواند انرژی الکتریکی تولید کند. به طور معمول، ولتاژ انرژی الکتریکی اولیه کم یا متوسط است. برای مدیریت بهتر نیروی اتلافی در خطوط انتقال، مقدار ولتاژ باید توسط ترانسفوماتورهای افزایشی، افزایش یابد. این ترانسفوماتورها برای انتقال انرژی الکتریکی به خطوط انتقال و رسیدن آن به شبکه برق،‌ مقدار ولتاژ لازم را به انرژی الکتریکی می‌دهند. تا اینجا با یکی از کاربردهای کلی توربین‌های گازی آشنا شدیم. در ادامه این بخش، عملکرد توربین گازی را با جزییات بیشتری توضیح می‌دهیم.

موشکی را در نظر بگیرید. سوخت در موشک می‌سوزد و گاز خروجی با فشار زیاد تولید می‌کند. بر طبق قانون پایستگی انرژی، انرژی شیمیایی سوخت موشک به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. پس از شلیک موشک، نیروی رانشی حاصل از گاز خروجی، موشک را به سمت جلو می‌راند. اکنون فرض کنید که بدنه موشک را با استفاده از ساختار مکانیکی محکمی ثابت نگه داشته‌ایم. چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ گاز خروجی با فشار بالا باید آزاد شود. گاز خروجی هیچ راهی جز حرکت به عقب ندارد.

بدون تغییر ساختار نشان داده شده در تصویر فوق، پره توربینی را در مسیر گاز پرفشار خروجی قرار می‌دهیم. بیشتر انرژی مکانیکی آزاد شده تبدیل به چرخش محور توربین می‌شود. تا اینجا به موفقیت بزرگی رسیده‌ایم. در این حالت، انرژی شیمیایی سوخت گازی به انرژی مکانیکی چرخشی محور توربین تبدیل شده است.

بار دیگر به مثال نیروگاه بازمی‌گردیم. محرکی اولیه برای ژنراتور خود داریم. مفهوم محرک اولیه را می‌توان برای بسیاری کاربردها مانند توربین‌های کمپرسوری استفاده کرد. در دوران دبستان با مثلث آتش یا مثلث احتراق آشنا شدیم. در این مثلث سه جزء اصلی آتش نشان داده شده است:

• هوا
• گرما
• سوخت

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد،‌ برای تبدیل انرژی شیمیایی سوخت گازی به انرژی مکانیکی، سوخت باید در محفظه احتراق توربین گازی بسوزد. برای انجام این کار، هوا و گرما باید به سوخت اضافه شوند. هوا از طریق ورودی هوا وارد توربین گازی و با مقدار مشخصی گاز طبیعی مخلوط می‌شود.

نسبت هوا به گاز براساس مقدار گرمای گاز، کیفیت هوا و مقدار رطوبت در هوا تعیین می‌شود. در ادامه، سیستم جرقه به میدان می‌آید و نخستین جرقه‌ها زده می‌شوند. در نتیجه، گرما فراهم خواهد شد. پس از روشن شدن آتش و پایدار شدن آن در محفظه احتراق، سیستم جرقه از فرایند خارج می‌شود. حیاتی‌ترین فرایند در عملکرد توربین معمولی، مدیریت احتراق و تولید مقدار مناسب گاز خروجی پرفشار است. گاز خروجی نیرویی بر پره‌های توربین وارد می‌کند و پس از چرخاندن محور توربین به سمت خروجی هدایت می‌شود.

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، هوا از طریق ورودی هوا وارد توربین گازی می‌شود. در حالت کلی، هوای ورودی به توربین گازی آلوده است و تعداد زیادی ذرات ناخواسته دارد. آلودگی‌های موجود در هوا ممکن است منجر به آسیب سیستم شوند و بازده فرایند را کاهش دهند. از این‌رو، هوای وارد شده به توربین باید از سیستم فیلتر بگذرد. بنابراین، فیلترهای مناسبی در قسمت ورودی توربین نصب می‌شوند. همچنین، ابزار دقیقی برای بررسی فشار و دما روی مجرای هوا نصب شده‌اند. در محیطی با شرایط سخت، هوا باید قبل از ورود به توربین گرم شود. همچنین، پایش اختلاف فشار نصب شده روی فیلترهای هوا در مورد گرفتگی فیلتر هشدار می‌دهد.

هوای گرم شده وارد کمپرسور هوای توربین می‌شود. کمپرسور موردنظر، کمپرسوری محوری متشکل از پره‌های چند مرحله‌ای است. این پره‌ها به صورت شعاعی روی محور ورودی توربین قرار گرفته‌اند. با بررسی فشار و دمای تخلیه شده در کمپرسور هوا، کیفیت احتراق در محفظه احتراق بررسی و مدیریت می‌شود.

یکی از نکات مهم در طراحی و عملکرد توربین گازی، سوخت گازی است. سازنده‌های توربین‌های گازی باید مشخصه‌های سوخت گازی را بدانند. سازنده‌ها تنها با دانستن مشخصه‌های ضروری این سوخت می‌توانند بازده توربین گازی را تضمین کنند. همچنین، دما و فشار سوخت گازی به هنگام عملکرد معمولی توربین‌های گازی بررسی می‌شود. تکنولوژی‌های مختلفی برای مخلوط کردن مناسب هوا و گاز وجود دارند. چگونگی مخلوط شدن هوا و سوخت گازی تاثیر مستقیم بر بازده احتراق می‌گذارد. محفظه‌های احتراق ساختارهای لوله‌ای مقاوم در برابر گرما دارند. به طور معمول، سوخت از محیط پیرامون به داخل آن تزریق می‌شود. دما در بخش‌های مختلف محفظه احتراق توسط سنسورهای مناسبی مانند ترموکوپل، مورد بررسی قرار می‌گیرد.

مدیریت و کنترل ناحیه فشار و دمای بالا در ساختار توربین گازی از اهمیت بالایی برخوردار است. به علاوه، تکنولوژی‌های استفاده شده در طراحی و ساخت محفظه احتراق اهمیت ویژه‌ای دارند. فرض کنید هوا و گاز به خوبی با یکدیگر مخلوط شده‌اند و احتراق به خوبی اتفاق افتاده است. پس از آن، مقدار کافی گاز خروجی پرفشار با دمای بالا وجود دارد که باید به پره‌های توربین گازی نیرو وارد کنند. با انجام این کار، ستون خروجی توربین می‌چرخد. در این مرحله، RPM بالای روتور توربین گازی با دقت زیادی بررسی می‌شود. همچنین، در تمام مراحل باید به ارتعاشات شعاعی و محوری و سرعت‌ها در کمپرسور هوا و توربین گازی توجه داشته باشیم.

چرخه توربین گازی

توربین گازی براساس «چرخه برایتون» (Brayton Cycle) یا ژول کار می‌کند. در این بخش در مورد چرخه کاری توربین گازی با استفاده از نمودار فشار برحسب حجم صحبت می‌کنیم. همان‌طور که در مطالب بالا توضیح دادیم، سه فرایند مهم در توربین‌های گازی رخ می‌دهند:

• تراکم
• احتراق
• انبساط

چرخه برایتون در نمودار فشار برحسب حجم در تصویر زیر نشان داده شده است.

 تراکم

در نقطه A هوا با فشار اتمسفر را داریم. هوا در این نقطه وارد کمپرسور و در آنجا فشرده می‌شود و فشار آن تا نقطه B افزایش و حجم آن کاهش می‌یابد. بنابراین، از A به B فشار هوا افزایش و حجم آن کاهش خواهد یافت. هوا پس از فشرده شدن وارد محفظه احتراق می‌شود. در نتیجه، نقطه B، نقطه ورود هوا به محفظه احتراق است.

احتراق

فشار هوا در نقطه B بسیار زیاد است. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، هوای فشرده شده در محفظه احتراق با سوخت تزریق شده به محفظه، مخلوط و توسط گرمای شعله، داغ می‌شود. در نتیجه، دمای هوا در این محفظه به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد. با توجه به تصویر بالا، فشار هوا در این محفظه به مقدار کمی کاهش می‌یابد. همان‌طور که بخش‌های قبل توضیح دادیم، حالت ایده‌ال آن است که کاهش فشار هوا در محفظه احتراق را تا حد ممکن در حالت کمینه نگه داریم.

انبساط

پس از فرایند احتراق، هوا وارد بخش توربین می‌شود (خط C به D). همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید حجم هوا پس از ورود به توربین افزایش می‌یابد. هوای منبسط شده، پره‌های توربین را می‌چرخاند. با چرخش پره‌های توربین، محور توربین و کمپرسور نیز می‌چرخند. قسمتی از توان هوای منبسط شده صرف راه‌اندازی کمپرسور و قسمت دیگر آن صرف راه‌اندازی ژنراتور می‌شود. ژنراتور از این توان برای تولید الکتریسیته استفاده می‌کند.

انواع توربین گازی چیست ؟

توربین‌های گازی انواع مختلفی دارند. رایج‌ترین انواع توربین‌های گازی عبارت هستند از:

• «موتور توربوپراپ» (Turboprop engine)
• «موتور جت« (jet engine)
• «توربوجت» (Turbojet)
• «توربوفن» (Turbofan)
• «توربوشفت» (Turboshaft)
• «توربین هوامشتق» (Aeroderivative turbine)
• «میکروتوربین‌ها» (Microturbines)

موتور گازی توربوپراپ

موتور توربوپراپ یکی از رایج‌ترین انواع توربین‌های گازی است. این موتور از بخش‌های زیر تشکیل شده است:

• «نازل پیشران» (Propelling nozzle)
• توربین
• محفظه احتراق
• کمپرسور
• مکنده
• گیربکس کاهشی

این توربین گازی با استفاده از گیربکس کاهشی پروانه هواپیما را به کار می‌اندازد. از این توربین گازی در هواپیماهای کوچک، مانند هواپیماهای آموزشی نظامی، و هواپیماهای بزرگ مانند هواپیمای ایرباس A400M و هواپیماهای ارتباطی متوسط مانند Bombardier Dash 8 استفاده می‌شود. گازهای خروجی از کمپرسور، توربین را به راه می‌اندازند. این توربین به محور خروجی متصل شده است که از آن برای راه انداختن و حرکت گیربکس کاهشی استفاده می‌شود. شاید از خود پرسیده باشید چرا در موتورهای توربوپراپ از گیربکس کاهشی استفاده می‌کنند. زیرا بهترین عملکرد و بازده پروانه در سرعت‌هایی بسیار کمتر از سرعت موتور به‌دست می‌آید. بازده این توربین‌های گازی در سرعت‌های ۴۰۲ تا ۶۴۳ کیلومتر بر ساعت و ارتفاع بین ۵/۴ تا ۹ کیلومتر بهینه است.

به طور معمول، توربین‌های توربوپراپ در ارتفاع ۷/۵ کیلومتری از سطح زمین، کمترین مصرف سوخت را دارند. این توربین در حدود ۸۰ تا ۸۵ درصد توان تولید شده را برای به حرکت درآوردن پروانه استفاده می‌کند. مزیت‌ها و معایب موتور توربوپراپ در جدول زیر نوشته شده‌اند.

بخش‌های مختلف موتور توربوپراپ در تصویر زیر نشان داده شده است.

موتور توربوجت

موتور جت دومین نوع موتور گازی است. موتور جت نوعی توربین گازی بهینه شده است. این موتور با استفاده از گاز خروجی از محفظه احتراق یا فن متصل به توربین، نیرو تولید می‌کند. به موتورهایی که به طور مستقیم از گاز خروجی نیرو تولید می‌کنند، موتورهای توربوجت می‌گوییم. موتور گازی توربوجت در هواپیما استفاده می‌شود. این موتورها نخستین بار در کشورهای انگلیس و آلمان، قبل از جنگ جهانی دوم طراحی شدند. این موتورها در مقایسه با دیگر موتورهای جت، طراحی بسیار ساده‌تری دارند. موتور توربوجت نه‌تنها سروصدای زیادی تولید می‌کند، بلکه مصرف سوخت آن نیز بسیار بالا است. این نوع موتورها مسافت محدودی را می‌توانند طی کنند و دوره عملکرد کوتاهی دارند. در حال حاضر از این موتورها در عملیات نظامی استفاده می‌شود.

موتور توربوجت از چهار بخش اصلی تشکیل شده است:

• کمپرسور
• محفظه احتراق
• توربین
• خروجی

در بخش‌های قبل به طور مفصل در مورد هر یک از این بخش‌ها صحبت کردیم. کمپرسور، هوا را می‌مکد و آن را فشرده می‌کند. سپس، هوای فشرده شده با سرعت زیاد به محفظه احتراق، منتقل می‌شود. محفظه احتراق دو بخش اصلی تزریق‌کننده سوخت و روشن‌کننده شعله دارد. هوای فشرده شده با سوخت در محفظه احتراق با یکدیگر ترکیب می‌شوند. گازِ منبسط شده، توربین را راه می‌اندازد. توربین از طریق محور به موتور و کمپرسور وصل شده است. بنابراین، موتور به حرکت خود ادامه می‌دهد. مهم‌ترین مزایا و معایب این موتور گازی در جدول زیر به صورت خلاصه نوشته شده است.

موتور توربوفن

در موتور توربوفن، نیرو یا توان با استفاده از پنکه کانالی تولید می‌شود. کلمه توربوفن از ترکیب دو کلمه توربین و فن ساخته شده است. منظور از کلمه توربین همان توربین گازی است که نیروی مکانیکی خود را از محفظه احتراق می‌گیرد. همچنین، فن همان پنکه کانالی است که نیروی مکانیکی را از توربین می‌گیرد و هوا را به سمت عقب هدایت می‌کند. توربوفن‌ها به صورت گسترده در هواپیماها استفاده می‌شوند. در ساخت و تکامل موتورهای توربوفن از برخی از بهترین ویژگی‌های موتورهای توربوجت و توربوپراپ استفاده شده است. این موتورهای گازی با هدایت دوباره جریان هوای ثانویه به دور محفظه احتراق، نیروی رانشی اضافه‌ای تولید می‌کنند. موتور توربین گازی توربوفن در مقایسه با دیگر موتورهای جت سروصدای کمتری تولید و سوخت کمتری مصرف می‌کند. داخل موتور گازی توربوفن از دو یا بیشتر از دو محور استفاده می‌شود.

مهم‌ترین مزایا و معایب این موتور گازی در جدول زیر به صورت خلاصه نوشته شده است.

موتور توربوشفت

به موتور گازی که برای تولید نیروی محوری به جای نیروی محرکه جت بهینه شده است، موتور توربوفن گفته می‌شود. اصول عملکرد این موتور مشابه موتور توربوجت است. اما در موتور توربوشفت توربوی اضافه‌ای برای انبساط و حذف انرژی گرما از گازهای خروجی و انتقال آن‌ به توان خروجی محور، وجود دارد. نخستین موتور توربین گازی توربوشفت در سال ۱۹۴۹ توسط شرکتی فرانسوی ساخته شد.

محور اصلی توربین به کمپرسور و توربین آن متصل شده است. توربین قدرت چرخانی به صورت جداگانه برای به راه انداختن روتورهای هلی‌کوپتر استفاده می‌شود. تفاوت اصلی بین موتور توربوشفت و موتور توربوجت آن است که در موتور توربوشفت، قسمت بیشتر انرژی تولید شده توسط گاز منبسط شده صرف به راه انداختن توربین می‌شود. این موتورها برای انجام کارهایی که به وزن کم، اندازه کوچک و بازده بالا نیاز دارند، انتخاب بسیار مناسبی هستند. در بیشتر هلیکوپترها از موتورهای توربوشفت استفاده شده است. همچنین، از این موتورهای به عنوان موتورهای کمکی در هواپیماهای بزرگ استفاده می‌کنند. مهم‌ترین مزایا و معایب این موتور گازی در جدول زیر به صورت خلاصه نوشته شده است.

توربین هوامشتق

توربین هوامشتق با استفاده از تکنولوژی هوانوردی کار می‌کند. طراحی این توربین فشرده و از نظر وزنی بسیار سبک است. این توربین به دلیل بازده بالا، در بسیاری از کاربردهای صنعتی، مانند تولید برق، استفاده می‌شود. قسمت‌های تشکیل‌دهنده این توربین گازی، مشابه قسمت‌های تشکیل‌دهنده موتور جت است، اما از آن برای تولید برق ثابت استفاده می‌کنیم.

میکروتوربین‌ ها

میکروتوربین نوعی توربین گازی است که الکتریسیته و گرما را در مقیاس کوچک تولید می‌کند. بازده این توربین‌ها در حدود ۱۵ درصد بدون تبادل‌گر گرمایی و بین ۲۰ تا ۳۰ درصد با تبادل‌گر گرمایی است. میکروتوربین‌ها در مقایسه با دیگر تکنولوژی‌های تولید برق در مقیاس کوچک، مزیت‌های زیر را دارد:

• هزینه انرژی کم
• نرخ تابش پایین
• سبک‌وزن
• بازده بالا
• طراحی فشرده
• تعدادِ کم بخش‌های متحرک

مزیت ها و معایب توربین گازی چیست ؟

توربین‌های گازی مزیت‌های زیادی دارند. مهم‌ترین مزیت‌های این توربین عبارت هستند از:

• استفاده از سوخت متفاوت: توربین‌های گازی می‌توانند از سوخت‌های متفاوتی مانند گاز طبیعی یا سوخت زیستی استفاده کنند.
• بازده بالا: توربین‌های گازی بازده بالایی دارند. برخی از توربین‌های گازی می‌توانند تا حدود ۴۰٪ از انرژی موجود در سوخت را به کار مفید تبدیل کنند.
• تششع کم: این موتورها دوستدار محیط زیست هستند، زیرا در مقایسه با نیروگاه‌های ذغال‌سنگ، آلودگی کمتری تولید می‌کنند.
• هزینه نگهداری کمتر: قسمت‌های چرخان این توربین در مقایسه با توربین‌های دیگر کمتر است. بنابراین، هزینه نگهداری کمتری در مقایسه با توربین‌های دیگر دارند.
• مصرف کمتر آب: مقدار مصرف آب در توربین‌های گازی نسبت به توربین‌های بخار یا انواع توربین‌های دیگر، کمتر است.
• نصب آسان: نصب این توربین‌ها بسیار آسان است.

علاوه بر مزیت‌های ذکر شده در بالا، توربین گازی معایبی نیز دارد:

• هزینه اولیه: توربین گازی هزینه اولیه بالایی دارد.
• آلودگی هوا: این توربین‌ها دو گاز خطرناک $$CO_2$$ و $$NO_x$$ را به محیط اطراف ساطع می‌کنند.
• سروصدا: توربین گازی سروصدای زیادی تولید می‌کند.
• بازده: بازده این توربین هنگامی‌که کار نمی‌کند کمتر از موتور پیستونی است.
• تجهیزات نگهداری: این موتورها برای آن‌که بتوانند به طور موثر کار کنند باید به صورت منظم بازبینی و بررسی شوند.
• وابستگی به عامل‌های خارجی: توربین گازی برای داشتن عملکرد بهینه باید به صورت مداوم به منبع سوخت دسترسی داشته باشد و با استفاده از منبع آب قابل‌اعتماد به صورت پیوسته سرد شود.

کاربردهای توربین گازی چیست ؟

مهم‌ترین کاربردهای توربین گازی عبارت هستند از:

• تولید برق
• کاربردهای نظامی
• کاربردهای هوانوردی
• صنعت گاز و نفت
• سیستم‌ها سرمایش و گرمایش منطقه‌ای
• کاربردهای صنعتی

پرسش های رایج در مورد توربین گازی

در مطالب بالا با توربین گازی، اجزای تشکیل‌دهنده و چگونگی عملکرد آن‌ها آشنا شدیم. در این بخش به مهم‌ترین پرسش‌های مطرح شده در مورد توربین‌های گازی پاسخ می‌دهیم.

موارد استفاده از توربین گازی چیست ؟

از توربین گازی برای نیرو بخشیدن به وسایل مختلف مانند هواپیما، قطار، کشتی، کمپرسور گازی و پمپ استفاده می‌شود. همچنین، از این توربین در مولدهای الکتریکی برای تولید برق نیز استفاده می‌کنیم. هر توربین گازی از سه قسمت اصلی به نام‌های کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده است.

مخترع توربین گازی کیست ؟

نخستین توربین گازی در سال ۱۷۹۱ میلادی توسط «جان باربر» (John Barber) اختراع شد.

چرا به توربین گازی، توربین گازی می‌گوییم ؟

زیرا در این توربین از گاز به عنوان ماده کار استفاده می‌شود.

توربین گازی چگونه کار می کند ؟

مراحل عملکرد توربین گازی به صورت خلاصه عبارت هستند از:

• هوا پس از عبور از فیلترها وارد کمپرسور می‌شود و فشار آن داخل کمپرسور افزایش می‌یابد.
• سوخت با هوای پرفشار خارج شده از کمپرسور ترکیب و مشتعل می‌شود.
• گاز پرفشار با دمای بالا وارد توربین می‌شود و آن را به حرکت درمی‌آورد.
• از خروجی توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور و ادامه فرایند استفاده می‌شود.
• از انرژی باقی‌مانده می‌توان برای کارهای دیگری مانند چرخاندنِ توربینِ دوم متصل به مولد الکتریکی استفاده کرد.

کمپرسور توربین گازی چگونه کار می کند ؟

کمپرسور از چندین ردیف پره‌های ثابت و چرخان تشکیل شده است. پره‌های چرخان به هوا در دو راستای محوری و محیطی شتاب می‌دهد. در حالی‌که پره‌های ثابت مسئول تغییر مسیر هوا و آماده کردن آن برای دور بعدی پره‌های چرخان هستند. پره‌های ثابت و چرخان در کنار یکدیگر جریان فزاینده‌ای از گاز فشرده را به صورت پیوسته آماده می‌کنند.

انواع کمپرسورهای توربین گازی چیست ؟

گرچه کمپرسورها در توربین‌های گازی برای هدف یکسانی استفاده می‌شوند، انواع مختلفی از آن‌ها در توربین گازی وجود دارند:

• کمپرسور محوری
• کمپرسور گریز از مرکز
• کمپرسور جریان مختلط
• مولد گازی پیستون آزاد: در این حالت، محفظه احتراق و کمپرسور در یک واحد با یکدیگر ترکیب شده‌اند.

چرا هوا در توربین گازی فشرده می شود ؟

متراکم کردن هوا قبل از احتراق بسیار مهم است، زیرا انبساط بزرگ‌تری رخ می‌دهد و احتراقی کامل‌تر و با بازده بیشتر رخ خواهد داد.

تفاوت توربین گازی با توربین بخار چیست ؟

در توربین‌های بخار از بخار برای چرخش آن‌های استفاده می‌شود. در این توربین‌ها هیچ کمپرسور یا سیستم احتراقی وجود ندارند. در واقع آب در دیگ بخار می‌جوشد و از بخار تولید شده برای به کار انداختن و چرخش توربین بخار استفاده می‌شود.

از چه سوخت هایی در نیروگاه توربین گازی استفاده می شود ؟

گرچه گاز طبیعی یکی از رایج‌ترین سوخت‌های استفاده شده در توربین گازی است، از هر گاز قابل اشتعال یا فراورده‌های نفتی مانند بنزین، پارافین و گازوییل می‌توانیم به عنوان سوخت در توربین‌های گازی استفاده کنیم. همچنین، از نفت خام یا نفت‌های سنگین دیگر نیز می‌توانیم به عنوان سوخت استفاده کنیم، به شرطی که قبل از استفاده آن‌ها را به منظور کاهش ویسکوزیته گرم کنیم.

بازده توربین گازی چگونه محاسبه می شود ؟

بازده توربین گازی در تعیین نوع عملکرد آن بسیار مهم است، اما اینکه بدانیم توربین گازی به صورت موثر کار می‌کند یا خیر کار بسیار سخت و پیچیده‌ای است.

چرا بازده توربین گازی بسیار کم است ؟

حرکت جریان هوا و سوخت از میان کمپرسور منجر به رسوب مواد رسوب‌کننده روی پره‌های کمپرسور می‌شود. با افزایش ضخامت این مواد روی پره‌ها، جریان هوا مختل و بازده کاهش خواهد یافت. اگر در عملکرد توربین گازی با اختلال و افت مواجه شدید، بهتر است نگاهی به تقویم تمیزکاری کمپرسور بیندازید و هرچه سریع‌تر آن را تمیز کنید.

چگونه می‌ توانیم بازده توربین گازی را افزایش دهیم ؟

یکی از موثرترین راه‌ها برای افزایش بازده توربین گازی تمیز کردن و خروج رسوبات از کمپرسور توربین گازی است.

بزرگترین توربین گازی جهان چیست ؟

بزرگ‌ترین توربین جهان «هریت» (Harriet) نام دارد و قیمت آن در حدود یک میلیارد دلار است.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس در مورد توربین گازی، اجزای تشکیل‌دهنده، مزایا و معایب، انواع و کاربردهای آن به ربان ساده صحبت کردیم. توربین‌های گازی از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند:

• کمپرسور
• محفظه احتراق
• توربین

عملکرد توربین گازی به صورت خلاصه عبارت هستند از:

• هوا قبل از ورود به کمپرسور، از فیلتر عبور می‌کند و فشار آن داخل کمپرسور افزایش می‌یابد.
• سوخت با هوای پرفشار خارج شده از کمپرسور ترکیب و مشتعل می‌شود.
• گاز پرفشار با دمای بالا وارد توربین می‌شود و آن را به حرکت درمی‌آورد.
• از خروجی توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور و ادامه فرایند استفاده می‌شود.
• از انرژی باقی‌مانده می‌توان برای کارهای دیگری مانند چرخاندنِ توربینِ دوم متصل به مولد الکتریکی استفاده کرد.