پره توربین گازی چیست و چگونه کار میکند؟
پره توربین گازی یکی از حیاتیترین و پیچیدهترین قطعات در موتورهای جت، توربینهای گازی و نیروگاهها محسوب میشود. این قطعات استراتژیک، مسئول استخراج انرژی از گازهای داغ و پر فشار خروجی از محفظه احتراق و تبدیل آن به انرژی مکانیکی برای چرخاندن کمپرسور و ژنراتور هستند. در این مقاله به بررسی جامع مواد پیشرفته، روشهای تولید، دستگاههای خنککاری میپردازیم.
پره توربین یک ایرفویل شعاعی است که بر روی دیسک روتور نصب میشود. با عبور گازهای داغ با سرعت بالا از میان این پرهها، یک نیروی مماسی ایجاد شده که باعث چرخش روتور میشود. این چرخش، انرژی مکانیکی لازم برای به حرکت درآوردن کمپرسور و در نهایت ژنراتور را فراهم میکند.
انواع پره توربین گازی
پرههای توربین گازی به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
پرههای متحرک (Rotor Blades): این پرهها بر روی دیسک توربین نصب شده و با چرخش خود، انرژی گازهای داغ را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند.
پرههای ثابت (Stator Blades یا Nozzle Guide Vanes): این پرهها جریان گاز را بهینهسازی کرده و به سمت پرههای متحرک هدایت میکنند.
محیط کاری چالشبرانگیز پرههای توربین :
پرههای توربین در یکی از خشنترین محیطهای مهندسی ممکن عمل میکنند:
· دمای بسیار بالا (تا ۱۵۹۰ درجه سانتیگراد): فراتر از نقطه ذوب بسیاری از فلزات متعارف.
· نیروهای گریز از مرکز شدید: ناشی از چرخش با سرعتهای دهها هزار دور در دقیقه.
· تنشهای حرارتی و ارتعاشات: ناشی از جریان نامنظم گاز و نیروهای آیرودینامیکی.
· خوردگی و اکسیداسیون: تماس مداوم با گازهای داغ و مواد خورنده.
مواد پیشرفته مورداستفاده در ساخت پره توربین
مواد مورداستفاده در ساخت پرههای توربین گازی باید در برابر دما و تنشها مقاوم باشند انتخاب ماده مناسب مهمترین فاکتور در طراحی پره توربین است. مهمترین این مواد عبارتاند از:
۱. سوپرآلیاژهای پایه نیکل (Nickel-Based Superalloys)
مزایا: مقاومت عالی در برابر خزش (Creep)، خستگی حرارتی و اکسیداسیون. مثالها: Inconel 738, René N5, CMSX-4.
کاربرد: پرههای مرحله اول توربین که با بالاترین دما مواجه هستند.
۲. سوپرآلیاژهای تک کریستال (Single-Crystal Superalloys)
مزایا: حذف مرزدانهها و افزایش مقاومت در برابر خزش و خستگی. مثالها: PWA1484, CMSX-10.
کاربرد: پیشرفتهترین پرهها در موتورهای جت نسل جدید.
۳. پوششهای محافظ حرارتی (Thermal Barrier Coatings – TBCs)
مزایا: افزایش مقاومت در برابر دمای بالا تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد.
جنس: از جنس زیرکونیا (Zirconia) با پوشش ایتریا (Yttria).
کاربرد: پوششدهی سطح پره برای افزایش طول عمر.
۴. کامپوزیتهای زمینه سرامیکی (Ceramic Matrix Composites – CMCs)
مزایا: تحمل دماهای بالاتر و وزن کمتر. مثال: کامپوزیتهای SiC/SiC.
روشهای تولید پیچیده پره توربین:
تولید این پرهها نیازمند دقت و فناوریهای بسیار پیشرفته است:
ریختهگری دقیق (Investment Casting):
رایجترین روش تولید پرههای توربین، ریختهگری دقیق (Investment Casting) یا روش موم ازدسترفته است. در این روش:
یک مدل مومی از پره ساخته میشود اگر پره توخالی باشد، یک هسته سرامیکی با شکل کانالهای خنککاری داخلی درون قالب قرار میگیرد مدل مومی در یک ماده نسوز پوشانده شده و سپس موم ذوب و خارج میشود. فلز مذاب به داخل قالب ریختهگری میشود. پس از انجماد، پوسته نسوز شکسته شده و هسته سرامیکی با محلولهای خاصی حل میشود تا پره توخالی باقی بماند. برای تولید پرههای تککریستال، این فرآیند با کنترل دقیق جهت انجماد کریستال انجام میپذیرد
- مهندسی معکوس (Reverse Engineering): اسکن سهبعدی و بازتولید پرههای قدیمی برای تعمیر و نگهداری.
- چاپ سهبعدی (Additive Manufacturing): برای نمونهسازی سریع و تولید قطعات با هندسههای بسیار پیچیده که با روشهای سنتی ممکن نیست.
دستگاههای خنککاری: ناجی پرهها در آتش
ازآنجاییکه دمای گاز از نقطه ذوب ماده پره بیشتر است، خنککاری فعال امری حیاتی است. هوای خنککننده که از stages کمپرسور گرفته میشود (معمولاً ۱-۳% از کل جریان هوا) برای این منظور استفاده میشود. روشهای خنککاری به دو دسته داخلی و خارجی تقسیم میشوند:
خنککاری داخلی:
- همرفتی (Convection Cooling): هوا از داخل کانالهای پیچیده داخلی پره عبور کرده و گرما را از طریق همرفت میکند.
- ضربهای (Impingement Cooling): هوا با سرعت بالا به سطح داخلی مناطق بسیار داغ (مانند لبه حمله) برخورد میکند تا نرخ انتقال حرارت را به حداکثر برساند.
خنککاری خارجی:
- لایهای (Film Cooling): متداولترین روش. هوای خنک از سوراخهای ریز روی سطح خارج شده و یکلایه محافظ بین پره و گاز داغ ایجاد میکند.
- تراوشی (Transpiration Cooling): یک روش پیشرفته که در آن سطح پره از یک material متخلخل ساخته میشود و هوا به طور یکنواخت از تمام سطح تراوش میکند و یکلایه خنککننده یکنواخت ایجاد مینماید.
انواع خرابیهای رایج پره توربین :
- خستگی (Fatigue): ایجاد ترک ناشی از تنشهای چرخشی و ارتعاشی.
- خزش (Creep): تغییر شکل تدریجی و دائمی ماده تحت اثر دما و تنش بالا در طول زمان.
- خوردگی و اکسیداسیون (Corrosion & Oxidation): کاهش ضخامت و تضعیف پره به دلیل تماس با عوامل خورنده.
- سولفیداسیون: یک نوع خوردگی خاص ناشی از عوامل محیطی مانند دوده و مواد شیمیایی.
- آسیب حرارتی (Thermal Shock): ایجاد ترک به دلیل تغییرات ناگهانی دما.
برای مقابله با این خرابیها، از میراگرهای اصطکاکی برای کنترل ارتعاش و از مواد و دستگاههای خنککاری پیشرفته استفاده میشود.
جمعبندی و نتیجهگیری
پره توربین گازی نمونهای درخشان از بهکارگیری مرزهای دانش در علم مواد، ترمودینامیک و مکانیک سیالات است. پیشرفتهای مداوم در زمینه مواد تککریستال، پوششهای محافظ حرارتی (TBCs) و دستگاههای خنککاری پیچیده، امکان کارکرد توربینها در دماهای بالاتر را فراهم کرده که مستقیماً منجر به کاهش مصرف سوخت، افزایش راندمان و کاهش آلایندگی میشود.
