تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - توربین چیست؟برق و مکانیک

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

توربین چیست ؟
توربین

تهیه کننده : امین هادیان





واژهٔ توربین برای اولین بار به وسیله ( Claude Burdin )۱۷۹۰-۱۸۷۳ در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شدهاست. توربین موتوری چرخندهاست که میتواند از یک سیال انرژی بهدست آورد.
سادهترین توربینها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شدهاست سیال به پرهها برخورد میکند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده میکند به عنوان اولین توربینها میتوان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربینهای گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پرههایشان دارند که سیال را کنترل میکنند پوششها و پرهها میتوانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.
کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به طوری که این دستگاه انرژی را میگیرد و باعث حرکت یک سیال میشود.
انواع توربین

توربینهای بخار:

برای تولید برق در نیروگاههای حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هستهای استفاده میکنند به کار برده میشوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده میشد.
توربینهای گازی:

این توربینها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.
توربینهای ترانسونیک:

جریان گاز در اکثر توربینها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربینها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربینها در فشار بالاتری کار میکند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.
توربینهای کنترا رتاتینگ:

دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم میچرخند این سیستم پیچیدگیهایی دارد که تولید آن را کاهش میدهد.
توربینهای سرامیک:

توربینهای با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته شدهاند معمولا دارای سیستمهای خنک کننده پیچیده هستند اخیرا پرههای سرامیکی روی توربینهای گازی امتحان شدهاست.
ما در این مقاله به تفصیل توربین بخار و توربین گازی را توضیح می دهیم .
توربین های بخار

توربین بخار یك دستگاه مكانیكی است كه انرژی گرمائی از بخار تحت فشار دریافت و آنرا به كار مكانیكی مفید تبدیل میكند. توربین بخار تقریباً جانشین موتور بخار پیستونی، كه توسط توماس نیوكامن Thomas New Comen اختراع شد و توسط جیمز وات James watt توسعه یافت، شد. توربین بخار برای به حركت درآوردن ژنراتور برق بسیار مناسب است و 86 درصد برق در جهان از طریق استفاده از این توربین تولید میشود. این توربین نوعی موتور حرارتی است كه بیشتر راندمان ترمودینامیكی را از استفاده چند مرحلهای انبساط بخار آب دریافت میكند.
یکی از بهترین گزینه ها برای ساخت نیروگاههای حرارتی استفاده از توربین های بخار است چون این توربین ها عمر طولانی دارند و با توجه به اینکه در حرارت و فشار کمتری در مقایسه با توربین های گازی کار می کنند عمر طولانی تری هم دارند و نیز کمتر به تعمیرات اساسی نیاز دارند . از این رو می توان از آنها بعنوان توربین های برای تولید برق پایه کمک گرفت .
اما عیب عمده آنها این است که اولا دستگاههای پر حجم و بزرگی هستند جای زیادی را اشغال می کنند و ثانیا دیر وارد مدار می شوند و مدتی برای پیش گرم کردن =WARM UP آنها باید زمان صرف شود . از همه اینها گذشته توربین های بخاز نیاز به نصب دیگ های بخار =BOILER دارند که این نیز خودش نیاز به تاسیسات و فضای فراوان دارد . ونیز تاسیساتی برای تصفیه آب مورد نیاز برای تغذیه دیگ بخار که همه آنها مستلزم صرف هزینه و فضای لازم است . اما با این حال استفاده از توربین های بخار یک سرمایه گذاری دائمی و با ارزش است
تاریخچه

اولین دستگاهی را كه ممكن است آنرا به عنوان توربین بخار به حساب آورد چیزی كه بهتر از یك اسباب به نظر میرسید بود كه توسط قهرمان اسكندریه در مصر رومی ساخته شد. اولین توربین بخار واقعی در سال 1551 در مصر عثمانی توسط تقیالدین اختراع شد. در سال 1629 توربین دیگری به وسیله یك فرد ایتالیایی بنام Giovanni Branca ساخته شد. بهرحال این توربینهای بخار اولیه با مدل جدید بسیار متفاوت بودند. مدل جدید توربین در سال 1884 توسط یك مهندس انگلیسی به نام چارلز پارلز Charles Parsons اختراع شد. اولین مدل توربین او به یك دینام وصل شد كه 5/7 كیلووات برق تولید كرد. اختراع وی به ثبت رسید و سپس توربین وی توسط یك فرد آمریكایی بنام جرج وستینگهاس توسعه یافت.
تعدادی توربین متفاوت ساخته شدند و به خوبی با بخار عمل كردند. توربین de laval turbine كه توسط Gustaf de laval اختراع شد راندمان بخار را افزایش داد. این توربین سادهتر، ارزانتر بود و میتوانست با هرگونه فشار بخار عمل كند.
انواع توربین

توربینهای بخار با ظرفیتهای مختلف ساخته میشدند. از توربینهای باظرفیت یك اسب بخار (75/0 كیلووات) كه برای پمپها و كمپرسورها و غیره تا توربینهای دو میلیون اسب بخار (000/500/1 كیلووات) كه برای تولید برق مورد استفاده قرار میگیرند. توربینهای بخار از نظر عملكرد طبقهبندی میشوند.
توربینهای ایمپالس (Impulse)

یك توربین ایمپالس چند نازل ثابت دارد كه بخار را به ژیگلورهای با سرعت بالا هدایت میكنند. این ژیگلورها حاوی انرژی جنبشی قابل توجه هستند كه از طریق تیغههای رتور كه شبیه بیلچه میباشند این انرژی را به شفت انتقال میدهند، در توربینهای ایمپالس انبساط بخار فقط در نازلها اتفاق میافتد.
انواع توربینهای ایمپالس به قرار زیر هستند:
توربین بانكی - Banki Turbine
توربین كرارد - Girard Turbine
توربین پلتون - pelton Turbine
توربین تورگو - Turgo Turbine
توربینهای ری اكشن (Reaction)
در توربین ریاكشن تیغههای رتور به حالتی قرار میگیرند كه باعث همگرائی نازلها میشوند. در این نوع توربین از نیروی ریاكشن (عكسالعمل) استفاده میشود.
انواع توربینهای ریاكشن به قرار زیر هستند:
توربین فورنیرون - Fourneyron Turbine
توربین فرانسیس - Francis Turbine
توربین تامسون - Thompson Turbine
توربین كاپلان - Kaplan Turbine
توربین پروپیلر - Propeller Turbine
انواع توربینهای بخار شامل: توربین های متراكم كننده، غیر متراكم كننده، با حرارت مجدد، كششی و القائی است. توربینهای غیر متراكم اغلب برای كاربردهای بخار فرآیند استفاده میشوند. فشار تخلیه گاز به وسیله شیر تنظیم كننده متناسب با نیاز فشار بخار كنترل میشود. این توربینها معمولاً در پالایشگاهها واحدهای حرارتی، كارخانههای كاغذسازی و دستگاههای آب شیرین كن و در مكانهائی كه مقادیر زیادی بخار كم فشار بایستی در دسترس وجود داشته باشد یافت میشود.
- توربینهای متراكم كننده اغلب در نیروگاهها مخصوصاً نیروگاههای هستهای وجود دارند. این توربینها بخار را در حالت بسیار متراكم تخلیه میكنند. این نوع توربینها آب در حال تراكم در آخرین توربین به مواد گرانتر احتیاج دارد، در غیر اینصورت خوردگی تیغههای توربینها مسائل بزرگی به وجود میآورد. این مواد بهرحال به دلائل مختلف در نیروگاههای هستهای بسیار معمول است.
- توربینهای با حرارت مجدد نیز تقریباً به طور انحصار در نیروگاهها مورد استفاده قرار میگیرند. در این نوع توربین جریان بخار از بخش فشار زیاد در داخل توربین خارج میشود و برای افزایش حرارت آن به بویلر (دیگ بخار) برمیگردد. این بخار سپس به بخش فشار متوسط توربین برمیگردد و در آنجا منبسط میشود.
- توربیـنهـای اكستركتینگ (Extracting Turbines) در بسیـــاری از مــوارد مخصوصــاً در بخشهای تولیدی مانند صنعت كاغذسازی كه به بخار با فشار و حرارت معین نیاز دارند بسیار معمول است. در این نوع توربین، بخار از یك نقطه توربین با درجه حرارت و فشار مطلوب دریافت میشود و یا به سیستم گرمكننده آب تغذیه بویلر ارسال میشود. افزایش گرمای سیستم گرم كننده آب تغذیه بویلر باعث بهبود راندمان توربین خواهد شد.
- توربینهای كروزینگ (Cruising Turbines)
این توربینها در دهههای 1950 و 1960 در نیروی دریائی آمریكا استفاده شد. توربینهای كروزینگ برای سرعتهای كم و متوسط طراحی شد.
- توربینهای معكوس (Reversing Turbines) دارای یك یا چند سری تیغه هستند كه در جهت عكس محور اصلی قرار میگیرند. ترتیب دریچهها به صورتی است كه باعث میشود خط اصلی بخار به طرف تیغههای جلو بسته میشود و به طرف تیغههای معكوس باز میگردد. تیغههای معكوس روی همان شفت تیغههای جلوئی نصب شدهاند. توربینهای بخار معكوس زمانی در صنعت دریائی مورد استفاده قرار میگرفت.
توربین های گازی

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 مكانیكی 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 مكانیك , متالورژی و سایر علوم مربوطه گشته است . توربین های گازی دارای شرایط کاری سخت می باشند و قطعاتی نظیر پره های توربین باید در درجه حرارت های بالا استحکام مناسبی داشته باشند.همچنین به دلیل اتمسفرشدیدا اکسیدکننده و خورنده توربین ها، قطعات مختلف توربین بویژه پره ها باید مقاومت بالایی در برابر خوردگی داغ و اکسیداسیون داشته باشند. تاکنون آلیاژهای پایه نیکل و پایه کبالت بهترین آلیاژها برای ساخت قطعات توربین بوده اند اما حتی با بهینه کردن ترکیب شیمیایی سوپر آلیاژها امکان دستیابی به کلیه خواص مطلوب فوق وجود ندارد لذا برای مقاوم سازی این آلیاژها در برابر خوردگی داغ، اکسیداسیون و سایش، پوشش هایی در سطح آنها صورت می گیرد . یک نوع از پوشش های کار آمد برای این منظور پوشش های سد حرارتی (Thermal Barrier Coatings) هستند که به اختصار پوشش های TBC نامیده می شوند.
اغلب پوشش های TBC بر پایه زیرکونیا ( Zro2 ) می باشند که با افزودن ترکیباتی مثل ایتر یا (Y2o3 ) پایدار می گردند. Zro2 دارای هدایت حرارتی کم و ضریب انبساط حرارتی بالا می باشد و افزودن Y2o3 به آن موجب ایجاد مقاومت بیشتر در برابر شرایط سیکل حرارتی می گردد. با بکارگیری این پوشش ها و با استفاده از خاصیت هدایت حرارتی کم آنها راندمان توربین های گازی افزایش می یابد زیرا با حضور این پوششها دمای فلز پایه تا 170˚C کاهش پیدا میکند ودرنتیجه امکان افزایش دمای کاری توربین فراهم میشود.
در حال حاضر تحقیقات برای توسعه اینگونه پوشش ها و همچنین بکارگیری نوع دیگری از پوشش های فلزی که بعنوان لایه bond coat بین فلز پایه و پوشش سرامیکی قرار می گیرند، درحال گسترش می باشد.
لایه bond coat معمولا یک پوشش فلزی است که چسبندگی پوشش سرامیکی را به فلز پایه افزایش می دهد. درحال حاضر برروی سوپر آلیاژها ابتدا یک لایه از پوشش فلزی bond coat به ضخامت 80-150μm داده شده است و بر روی آن پوشش سد حرارتی با ضخامتی در حدود 300μm تا 2 mmبکار گرفته می شود.
برنامه (Industrrial Power Generation) IPG یک همکاری مشترک از سازندگان توربین گاز، دانشگاهها، شرکتهای گاز طبیعی، تولید کنندگان انرژی الکتریکی، آزمایشگاههای ملی و استفاده کنندگان صنعتی می باشد. همکاری فوق که شامل طیف وسیعی از مشارکت کنندگان مختلف است منابع و امکانات فنی- اقتصادی- تحقیقاتی مناسبی را برای ایجاد یک تحول اساسی در فن آوری توربین گاز فراهم می آورد. یکی از قدمهای اولیه این برنامه تولید پوشش سد حرارتی TBC برای توربینهای گاز بوده است.
به همین خاطر امروزه به تكنولوژی توربینهای گازی تكنولوژی مادر گفته می شود و كشوری كه بتواند توربینهای گازی را طراحی كند و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید كند.
اجزای توربینهای گازی

به طور كلی كلیه توربینهای گازی از سه قسمت تشكیل می شوند:
.1.كمپرسور 2.محفظه احتراق 3.توربین
كه بنا به كاربرد قسمتهای دیگری نیز برای افزایش راندمان و كارایی به آنها اضافه می شود . به عنوان مثال در برخی از موتورهای هواپیماها قبل از كمپرسور از دیفیوزر و بعد از توربین از نازل استفاده می شود . كه دراین رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گردید .
سیكل توربینهای گازی:

سیكل ترمودینامیكی توربینهای گازی سیكل استاندارد هوایی یا برایتون می باشد كه در حالت ایده ال مطابق شكل زیر شامل دو فرایند ایزنتروپیك در كمپرسور و توربین و دو فرایند ایزو بار در محفظه احتراق و دفع گازها می باشد.
توربین چیست ؟
سیكلهای توربینهای گازی در دونوع باز و بسته می باشند . در سیكل باز ( شكل فوق) گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه می شوند كه این سیكل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد . در نوع بسته كه عمدتاً در نیرو گاههای برق مورد استفاده قرار می گیرد گازهای خروجی از توربین ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گردیده و سیكل تكرار می شود.
همانطوركه قبلا بیان گردید توربینهای گازی از نظر كاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می گیریند . كه ذیلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهیم نمود.
توربینهای گازی صنعتی:

منظور از توربینهای گازی صنعتی اشاره به كاربرد آنها غیر از بخش هوانوردی می باشد . در شكل زیر شمایی از یك واحد تولید نیروی برق توسط توربین گاز , نشان داده شده است.
توربین چیست ؟
شكل زیر هم نوعی توربین گازی با ظرفیت تولیدی 400 مگاوات را نمایش می دهد.
توربین چیست ؟
توربینهای گازی كه در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی می باشند كه شكل قبل نوعی از این توربینها با ظرفیت 400 مگاوات را نشان می دهد.
توربینهای گازی هوایی یا موتورهای جت:

همانطور كه گفته شد سیكل توربینهای گازی موتورهای هواپیما شبیه به توربینهای گازی صنعتی می باشد بجز اینكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از یك دیفیوزر و بعداز توربین از یك نازی برای بالا بردن سرعت گازهای خروجی و حركت هواپیما به سمت جلو استفاده می كنند . این گازهای پرسرعت بر هوای خارج از موتور نیرویی وارد می كنند كه طبق قانون سوم نیوتن نیروی عكس العمل آن سبب حركت هواپیما به سمت جلو می شود . شایان ذكر است كه 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 كه به دو سته كلی تقسیم می شوند:


كه از نظر كاری شبیه به موتور خودروها می باشند.


این موتورها به سه دسته كلی توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسیم بندی می شوند
توربوجتها اولین موتورهای جت می باشند كه 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 كه ردیف اول كمپرسور در این موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداری از هوای ورودی به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه این عمل علاوه بر افزایش نیروی جلوبرندگی باعث كاهش صدا,آلودگی محیطی و ... می شود .
در موتورهای توربوفن با اتصال یك ملخ به گیربكس و سپس به كمپرسور , نیروی جلوبرندگی ایجاد می شود . در این حالت سعی می شود كه بیشترین انرژی جنبشی گازها صرف چرخاندن توربین و از آنجا كمپرسور و در نتیجه ملخ شود . وجود گیربكس به این خاطر است كه سرعت دورانی ملخ از حد معینی تجاوز نكند . یعنی باید سرعت انتهای ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زیرا سرعتی بیش از این سبب ایجاد ارتعاشات شدید و در نتیجه شكستگی ملخ می شود.
موتورهای توربوشفت نیز نوعی موتور توربوپراپ می باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هلیكوپترها استفاده می شود .بطور كلی موتورهای توربوپراپ بدلیل اینكه در ارتفاع پروازی كم از قدرت زیادی برخوردار هستند از آنها در هواپیماهای ترابری استفاده می شود مثل (سی 130)
توربین های گازی پیشرفته امروزی

توربین های گازی جدید ی که برای موارد تولید انرژی الکتریکی طراحی شده و بکار می روند ، در حالت کلی از نظر اندازه ، مواد به کاررفته در اجزای مختلف و فناوری ، تغییرات اساسی یافته اند . مشخصات کلی به قرار زیر است :



مشخصات کلی توربین گازی سری قبلی این مدل ، 100 مگاوات ، Cº 1100و

مدل GT13E2 ساخت شرکت ABB درسال 1995 در هلند به بهره برداری رسید . توان خالص تولید ی این توربین در 50 هرتز با سوخت گاز طبیعی برابر 164 مگاوات در کارایی 7/35 درصد و با سوخت مایع برابر 161 مگاوات در کارایی 4/35 درصد است . نسبت فشار کمپرسور این واحد برابر 15:1 است . در این نمونه 72 مشعل در محیط محفظه ی احتراق قرار گرفته است که این نوع مشعل ، ظرفیت تولید گاز NOx بسیار کمتری دارد . مقدار NOx تولید شده با سوخت گاز ، کمتر از PPm 25 و با سوخت مایع و تزریق آب ، کمتراز PPm 42 است . دمای ورودی گاز به توربین ºC 1100 و خروجی ºC 525 است .
این توبین 5 مرحله پره دارد که در دو ردیف اول روتور ، و سه ردیف ثابت ، که در آنها سیستم خنک کننده نیز تعبیه شده است . سیستم خنک کننده ، در ریشه پره های دو ردیف آخرنیز نصب شده است. جنرال الکتریک و شرکت اروپایی توربین گازی به طور مشترک ، مدل F 9001 MS را با فرکانس 50 هرتز ارائه داده اند که در نیرو گاه جنویلرس فرانسه ازآن استفاده می شود .
توان تولید ی این واحد 215 مگاوات در کارایی 35 درصد است . توان تولید ی مدل جدید تری ازاین سری به 226 مگاوات افزایش یافته است . کمپرسور این توربین گازی دارای 18 مرحله با نسبت فشار 20:1 و محفظه ی احتراق مجهز به 18 مشعل با سیستم کنترل NOx است .
توربین ، از نوع سه مرحله ای است که در دوردیف اول ، خنک کاری انجام می شود . دمای ورودی توربین ºC 1288 است . از مدل 60 هرتز که FA 7001 MS نامیده
می شود ، در نیروگاه نیو مارتین فلوریدا بهره برداری می شود . توان تولیدی این توربین 149 مگاوات با NOx کمتر از PPm 25 با سوخت گاز طبیعی است . کارایی این واحد با سیکل ترکیبی 47 درصد است . این واحد ها ی بزرگ با کارایی بالا که برای زمانهای حداکثر بار طراحی شده است ، قابلیت مانور بالایی دارند .
توربین گازی جنویلوس از لحظه آغاز راه اندازی تا رسیدن به شرایط تولید با ظرفیت کافی فقط به 12 دقیقه زمان نیاز دارد و چون هزینه تولید این واحد پایین است ، انتظار
می رود که از آن در سیکل های ترکیبی استفاده شود. در این صورت ، تولید الکتریسیته برای بار پایه صورت می گیرد و تعداد دفعات راه اندازی و از کاراندازی آن کاهش خواهد یافت . با تغییر روش استفاده و با بهره برداری بهینه ، ویژگیهای تعمیراتی نیز تغییر خواهد کرد که در این صورت باید به این موارد نیز در طراحی توجه شود .
لازم است ذکر شود که در صورت استفاده در بار پایه ، خروج واحد از شبکه بدون برنامه ریزی قبلی ، ضررمالی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت .
1) موتورهای پیستونی: 2 )موتورهای توربینی: 1) توان تولید برق درحدود 150 مگاوات در 60 هرتز یا 200 مگاوات در 50 هرتز 2) دمای گاز ورودی توربین در حدود Cº1260 و نسبت فشار کمپرسور 1: 16؛ 3) کارایی کل واحد با گاز طبیعی حدود 35 درصد و در صورت استفاده از سیکل ترکیبی ،47 درصد. 33 درصد است .چند نمونه از توربین های گازی پیشرفته ای که سازندگان توربین گازی در کشورهای مختلف ارائه داده اند به قرارزیر است

http://www.asemoniha.com/f359/%D8%AA%D9%88%D8%B1%D8%A8%DB%8C%D9%86-%DA%86%DB%8C%D8%B3%D8%AA-%D8%9F-6963/

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :