amirsayalat
عضو جدید
از زمان تولد توربينهاي گازي امروزي در مقايسه با ساير تجهيزات توليد قدرت , زمان زيادي نمي گذرد . با اين وجود امروزه اين تجهيزات به عنوان سامانه هاي مهمي در امر توليد قدرت مكانيكي مطرح مي باشند . از توليد انرژي برق گرفته تا پرواز هواپيماهاي مافوق صوت همگي مرهون استفاده از اين وسيله سودمند مي باشند . ظهور توربينهاي گازي باعث پيشرفت زيادي در رشته هاي مهندسي مكانيك , متالورژي و ساير علوم مربوطه گشته است . بطوري كه پيدايش سوپرآلياژهاي پايه نيكل و تيتانيوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره هاي ثابت و متحرك توربينها كه دماهاي بالايي در حدود 1500 درجه سانتيگراد و يا بيشتر را متحمل مي شوند, از سرعت بيشتري برخوردار شد . به همين خاطر امروزه به تكنولوژي توربينهاي گازي تكنولوژي مادر گفته مي شود و كشوري كه بتواند توربينهاي گازي را طراحي كند و بسازد هر چيز ديگري را هم مي تواند توليد كند .
همانطور كه بيان گرديد از اين تجهيزات در نيروگاهها براي توليد برق ( معمولا براي جبران بارپيك) موتورهاي جلوبرنده(هواپيما ,كشتيها و حتي خودروها) , در صنايع نفت و گاز براي به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده مي شود كه امروزه كاربرد توربينهاي گازي در حال گسترش مي باشد .
اجزاي توربينهاي گازي :
به طور كلي كليه توربينهاي گازي از سه قسمت تشكيل
مي شوند :
1.كمپرسور2.محفظه احتراق 3.توربين
كه بنا به كاربرد قسمتهاي ديگري نيز براي افزايش راندمان و كارايي به آنها اضافه مي شود . به عنوان مثال در برخي از موتورهاي هواپيماها قبل از كمپرسور از ديفيوزر و بعد از توربين از نازل استفاده مي شود . كه دراين رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گرديد
سيكل توربينهاي گازي :
سيكل ترموديناميكي توربينهاي گازي سيكل استاندارد هوايي يا برايتون مي باشد كه در حالتايده ال مطابق شكل زير شامل دو فرايند ايزنتروپيك در كمپرسور و توربين و دو فرايند ايزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهاميباشد
سيكلهاي توربينهاي گازي در دونوع باز و بسته مي باشند . در سيكل باز ( شكل فوق) گازهاي خروجي از توربين به درون اتمسفر تخليه مي شوند كه اين سيكل بيشتر در موتورهاي هواپيما مورد استفاده قرار مي گيرد . در نوع بسته كه عمدتاً در نيرو گاههاي برق مورد استفاده قرار مي گيرد گازهاي خروجي از توربين ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گرديده و سيكل تكرار مي شود .
همانطوركه قبلا بيان گرديد توربينهاي گازي از نظر كاربردي به دو گروه صنعتي و هوايي تقسيم مي شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردي مورد استفاده قرار مي گيريند . كه ذيلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهيم نمود .
توربينهاي گازي صنعتي :
منظور از توربينهاي گازي صنعتي اشاره به كاربرد آنها غير از بخش هوانوردي مي باشد . در شكل زير شمايي از يك واحد توليد نيروي برق توسط توربين گاز , نشان داده شده است .
توربينهاي گازي كه در صنعت برق مورد استفاده قرار مي گيرند داراي ظرفيتهاي متفاوتي مي باشند كه شكل قبل نوعي از اين توربينها با ظرفيت 400 مگاوات را نشان مي دهد.
توربينهاي گازي هوايي يا موتورهاي جت :
همانطور كه گفته شد سيكل توربينهاي گازي موتورهاي هواپيما شبيه به توربينهاي گازي صنعتي مي باشد بجز اينكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از يك ديفيوزر و بعداز توربين از يك نازي براي بالا بردن سرعت گازهاي خروجي و حركت هواپيما به سمت جلو استفاده مي كنند . اين گازهاي پرسرعت بر هواي خارج از موتور نيرويي وارد مي كنند كه طبق قانون سوم نيوتن نيروي عكس العمل آن سبب حركت هواپيما به سمت جلو مي شود . شايان ذكر است كه نازل در هواپيماهاي جت از نوع متغير مي باشد . يعني دهانه آن با توجه به دبي (گذرجرمي) گازهاي خروجي قابل تغييرو تنظيم است .
موتورهاي هواپيما انواع مختلفي دارند كه به دو سته كلي تقسيم مي شوند :
1- موتورهاي پيستوني :
كه از نظر كاري شبيه به موتور خودروها مي باشند.
2- موتورهاي توربيني :
اين موتورها به سه دسته كلي توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسيم بندي مي شوند.
توربوجتها اولين موتورهاي جت مي باشند كه امروزه به دليل مسائلي مثل صداي زياد و آلودگي محيط زيست بجز در موارد خاص استفاده اي از انها نمي شود . توربوفنها نوع پيشرفته موتورهاي توربوجت هستند . به اين صورت كه رديف اول كمپرسور در اين موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداري از هواي ورودي به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه اين عمل علاوه بر افزايش نيروي جلوبرندگي باعث كاهش صدا,آلودگي محيطي و ... مي شود .
در موتورهاي توربوفن با اتصال يك ملخ به گيربكس و سپس به كمپرسور , نيروي جلوبرندگي ايجاد مي شود . در اين حالت سعي مي شود كه بيشترين انرژي جنبشي گازها صرف چرخاندن توربين و از آنجا كمپرسور و در نتيجه ملخ شود . وجود گيربكس به اين خاطر است كه سرعت دوراني ملخ از حد معيني تجاوز نكند . يعني بايد سرعت انتهاي ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زيرا سرعتي بيش از اين سبب ايجاد ارتعاشات شديد و در نتيجه شكستگي ملخ مي شود.
موتورهاي توربوشفت نيز نوعي موتور توربوپراپ مي باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هليكوپترها استفاده مي شود .بطور كلي موتورهاي توربوپراپ بدليل اينكه در ارتفاع پروازي كم از قدرت زيادي برخوردار هستند از آنها در هواپيماهاي ترابري استفاده مي شود ( مثل C130 )
آشنايي با برخي اصطلاحات مهم :
1- نيروي جلوبرندگي يا تراست (Thrust)
موتورجت بر اساس قانون سوم نيوتن نيروي تراست را توليد مي كند . يعني نيرويي به سمت عقب بر هوا وارد كرده و عكس العمل اين نيرو براي ما نيروي جلوبرندگي يا تراست را فراهم مي كند . از طرفي ميدانيم كه از قانون دوم نيوتن داريم :
با توجه به حقايق فوق مي توان اقدام به نوشتن دو نوع فرمول براي تراست نمود :
1- نت تراست (Net thrust)
اين نوع تراست به حالتي اطلاق مي شود كه هواي ورودي به موتور سرعت داشته باشد . به عبارت ديگر تقريباً مي توان گفت موتور در حركت باشد . در اينصورت فرمول آن به دو شكل زير خواهد بود :
- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :
- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :
در فرمولهاي فوقجرم هواي ورودي به موتور,سرعت گازهاي خروجي از نازل , <![endif]-->سرعت هواي ورودي به موتور , سطح مقطع نازل , و به ترتيب فشار استاتيك نازل و اتمسفر ميباشد .ضمناً در داخل موتور سوخت به هوا افزوده مي شود ولي به دليل نشتي هاي درون موتور از جرم آن صرف نظر مي شود .
1-2 گراس تراست(Gross thrust)
حالتي است كه سرعت هواي ورودي به موتور صفر بوده يعني در واقع موتور در حال سكون باشد .پس :
- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :
- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :
فرمولهاي بدست آمده فوق مختص موتورهاي توربوجت بوده و براي ساير موتورهاي جت مقادير فوق از روابط پيچيده تري محاسبه مي شوند .
2-راندمان حرارتي (Thermal Efficiency)
به اين راندمان اصطلاحاً راندمان داخلي internal efficiency نيز مي گويند و عبارت است از نسبت بين انرژي سينتيك گازها و كل انرژي حرارتي سوخت .
اين راندمان در موتورهاي جت حدود 35 درصد و بستگي به ضريب تراكم و درجه حرارت احتراق دارد و هرچه اين دو عامل زياد شوند, راندمان حرارتي نيزافزايش پيدا خواهد كرد .
3-راندمان جلوبرندگي(Propulsive Efficiency)
اين راندمان را مي توان بانسبت انرژي جلوبرندگي مفيد برمجموع اين انرژي وانرژي غيرمفيدجت تعريف نمود . به عبارتي ديگر, راندمان جلوبرندگي حاصل تقسيم كارانجام شده برروي هواپيما بر انرژي سينتيك گازها مي باشد .
4-راندمان كلي (Overal Efficiency)
اين راندمان تلفيقي از دو راندمان قبل بوده به طوري كه مي توان ثابت كرد :
و تعريف آن چنين است :
يعني , نسبت كار انجام بر هواپيما به انرژي ناشي از سوخت . راندمان كلي موتورهاي جت حدود 30 درصد است .
5-مصرف ويژه سوخت((Specific Fuel Consumption-SFC
منظور از اين واژه مقدار سوخت مصرفي(gr or lb) به ازاي واحد تراست
(N or lb) در ساعت است .
همانطور كه بيان گرديد از اين تجهيزات در نيروگاهها براي توليد برق ( معمولا براي جبران بارپيك) موتورهاي جلوبرنده(هواپيما ,كشتيها و حتي خودروها) , در صنايع نفت و گاز براي به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده مي شود كه امروزه كاربرد توربينهاي گازي در حال گسترش مي باشد .
اجزاي توربينهاي گازي :
به طور كلي كليه توربينهاي گازي از سه قسمت تشكيل
مي شوند :
1.كمپرسور2.محفظه احتراق 3.توربين
كه بنا به كاربرد قسمتهاي ديگري نيز براي افزايش راندمان و كارايي به آنها اضافه مي شود . به عنوان مثال در برخي از موتورهاي هواپيماها قبل از كمپرسور از ديفيوزر و بعد از توربين از نازل استفاده مي شود . كه دراين رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گرديد
سيكل توربينهاي گازي :
سيكل ترموديناميكي توربينهاي گازي سيكل استاندارد هوايي يا برايتون مي باشد كه در حالتايده ال مطابق شكل زير شامل دو فرايند ايزنتروپيك در كمپرسور و توربين و دو فرايند ايزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهاميباشد
سيكلهاي توربينهاي گازي در دونوع باز و بسته مي باشند . در سيكل باز ( شكل فوق) گازهاي خروجي از توربين به درون اتمسفر تخليه مي شوند كه اين سيكل بيشتر در موتورهاي هواپيما مورد استفاده قرار مي گيرد . در نوع بسته كه عمدتاً در نيرو گاههاي برق مورد استفاده قرار مي گيرد گازهاي خروجي از توربين ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گرديده و سيكل تكرار مي شود .
همانطوركه قبلا بيان گرديد توربينهاي گازي از نظر كاربردي به دو گروه صنعتي و هوايي تقسيم مي شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردي مورد استفاده قرار مي گيريند . كه ذيلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهيم نمود .
توربينهاي گازي صنعتي :
منظور از توربينهاي گازي صنعتي اشاره به كاربرد آنها غير از بخش هوانوردي مي باشد . در شكل زير شمايي از يك واحد توليد نيروي برق توسط توربين گاز , نشان داده شده است .
توربينهاي گازي كه در صنعت برق مورد استفاده قرار مي گيرند داراي ظرفيتهاي متفاوتي مي باشند كه شكل قبل نوعي از اين توربينها با ظرفيت 400 مگاوات را نشان مي دهد.
توربينهاي گازي هوايي يا موتورهاي جت :
همانطور كه گفته شد سيكل توربينهاي گازي موتورهاي هواپيما شبيه به توربينهاي گازي صنعتي مي باشد بجز اينكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از يك ديفيوزر و بعداز توربين از يك نازي براي بالا بردن سرعت گازهاي خروجي و حركت هواپيما به سمت جلو استفاده مي كنند . اين گازهاي پرسرعت بر هواي خارج از موتور نيرويي وارد مي كنند كه طبق قانون سوم نيوتن نيروي عكس العمل آن سبب حركت هواپيما به سمت جلو مي شود . شايان ذكر است كه نازل در هواپيماهاي جت از نوع متغير مي باشد . يعني دهانه آن با توجه به دبي (گذرجرمي) گازهاي خروجي قابل تغييرو تنظيم است .
موتورهاي هواپيما انواع مختلفي دارند كه به دو سته كلي تقسيم مي شوند :
1- موتورهاي پيستوني :
كه از نظر كاري شبيه به موتور خودروها مي باشند.
2- موتورهاي توربيني :
اين موتورها به سه دسته كلي توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسيم بندي مي شوند.
توربوجتها اولين موتورهاي جت مي باشند كه امروزه به دليل مسائلي مثل صداي زياد و آلودگي محيط زيست بجز در موارد خاص استفاده اي از انها نمي شود . توربوفنها نوع پيشرفته موتورهاي توربوجت هستند . به اين صورت كه رديف اول كمپرسور در اين موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداري از هواي ورودي به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه اين عمل علاوه بر افزايش نيروي جلوبرندگي باعث كاهش صدا,آلودگي محيطي و ... مي شود .
در موتورهاي توربوفن با اتصال يك ملخ به گيربكس و سپس به كمپرسور , نيروي جلوبرندگي ايجاد مي شود . در اين حالت سعي مي شود كه بيشترين انرژي جنبشي گازها صرف چرخاندن توربين و از آنجا كمپرسور و در نتيجه ملخ شود . وجود گيربكس به اين خاطر است كه سرعت دوراني ملخ از حد معيني تجاوز نكند . يعني بايد سرعت انتهاي ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زيرا سرعتي بيش از اين سبب ايجاد ارتعاشات شديد و در نتيجه شكستگي ملخ مي شود.
موتورهاي توربوشفت نيز نوعي موتور توربوپراپ مي باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هليكوپترها استفاده مي شود .بطور كلي موتورهاي توربوپراپ بدليل اينكه در ارتفاع پروازي كم از قدرت زيادي برخوردار هستند از آنها در هواپيماهاي ترابري استفاده مي شود ( مثل C130 )
آشنايي با برخي اصطلاحات مهم :
1- نيروي جلوبرندگي يا تراست (Thrust)
موتورجت بر اساس قانون سوم نيوتن نيروي تراست را توليد مي كند . يعني نيرويي به سمت عقب بر هوا وارد كرده و عكس العمل اين نيرو براي ما نيروي جلوبرندگي يا تراست را فراهم مي كند . از طرفي ميدانيم كه از قانون دوم نيوتن داريم :
با توجه به حقايق فوق مي توان اقدام به نوشتن دو نوع فرمول براي تراست نمود :
1- نت تراست (Net thrust)
اين نوع تراست به حالتي اطلاق مي شود كه هواي ورودي به موتور سرعت داشته باشد . به عبارت ديگر تقريباً مي توان گفت موتور در حركت باشد . در اينصورت فرمول آن به دو شكل زير خواهد بود :
- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :
- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :
در فرمولهاي فوقجرم هواي ورودي به موتور,سرعت گازهاي خروجي از نازل , <![endif]-->سرعت هواي ورودي به موتور , سطح مقطع نازل , و به ترتيب فشار استاتيك نازل و اتمسفر ميباشد .ضمناً در داخل موتور سوخت به هوا افزوده مي شود ولي به دليل نشتي هاي درون موتور از جرم آن صرف نظر مي شود .
1-2 گراس تراست(Gross thrust)
حالتي است كه سرعت هواي ورودي به موتور صفر بوده يعني در واقع موتور در حال سكون باشد .پس :
- وقتي كه نازل در حالت choke نباشد :
- وقتي كه نازل در حالت choke باشد :
فرمولهاي بدست آمده فوق مختص موتورهاي توربوجت بوده و براي ساير موتورهاي جت مقادير فوق از روابط پيچيده تري محاسبه مي شوند .
2-راندمان حرارتي (Thermal Efficiency)
به اين راندمان اصطلاحاً راندمان داخلي internal efficiency نيز مي گويند و عبارت است از نسبت بين انرژي سينتيك گازها و كل انرژي حرارتي سوخت .
اين راندمان در موتورهاي جت حدود 35 درصد و بستگي به ضريب تراكم و درجه حرارت احتراق دارد و هرچه اين دو عامل زياد شوند, راندمان حرارتي نيزافزايش پيدا خواهد كرد .
3-راندمان جلوبرندگي(Propulsive Efficiency)
اين راندمان را مي توان بانسبت انرژي جلوبرندگي مفيد برمجموع اين انرژي وانرژي غيرمفيدجت تعريف نمود . به عبارتي ديگر, راندمان جلوبرندگي حاصل تقسيم كارانجام شده برروي هواپيما بر انرژي سينتيك گازها مي باشد .
4-راندمان كلي (Overal Efficiency)
اين راندمان تلفيقي از دو راندمان قبل بوده به طوري كه مي توان ثابت كرد :
و تعريف آن چنين است :
يعني , نسبت كار انجام بر هواپيما به انرژي ناشي از سوخت . راندمان كلي موتورهاي جت حدود 30 درصد است .
5-مصرف ويژه سوخت((Specific Fuel Consumption-SFC
منظور از اين واژه مقدار سوخت مصرفي(gr or lb) به ازاي واحد تراست
(N or lb) در ساعت است .
