توربین گازی (Gas Turbine) که با نام توربین احتراقی نیز شناخته میشود، یکی از پیشرفتهترین موتورهای حرارتی و نوعی موتور احتراق داخلی است که انرژی شیمیایی سوخت (مانند گاز طبیعی) را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. این انرژی مکانیکی معمولاً برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای تولید برق در نیروگاهها، پیشرانه هواپیماهای جت و همچنین تأمین قدرت ماشینآلات صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد.
نحوه کار توربین گازی:
کمپرسور
احتراق
انبساط و تولید برق
توربین گازی بر اساس سیکل ترمودینامیکی برایتون (Brayton Cycle) کار میکند که هوا از طریق یک کمپرسور به داخل موتور مکیده می شود و توسط کمپرسور فشرده می شود. این فرایند فشرده سازی، فشار و دمای هوا را نیز افزایش می دهد سپس هوای فشرده و داغ وارد محفظه احتراق می شود سپس هوای فشرده با سوخت (معمولا گاز طبیعی، گازوئیل یا سوخت های مایع) مخلوط شده و مشتعل می شود.
احتراق این مخلوط، دمای گازها را به طور چشم گیری تا محدوده 1200 تا 1500 درجه سانتی گراد افزایش می یابد در حالیکه فشار آن تقریبا ثابت حفظ می شود.
گازهای داغ و پرفشار بدست آمده از احتراق، به سمت توربین هدایت می شوند و به پره های توربین برخورد می کنند، انبساط این گاز ها در توربین، باعث چرخش آن با سرعتی بین 3000 تا 10000 دور در دقیقه می شود. این چرخش، انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.
بخشی از این انرژی صرف به حرکت درآوردن کمپرسور می شود بخش باقی مانده (خروجی مفید ) نیز برای چرخاندن یک ژنراتور (در نیروگاه های تولید برق)، ایجاد پیشرانش (در موتورهای جت) یا به کارانداختن سایر ماشین آلات مورد استفاده قرار می گیرد. در پایان، گازهای خروجی که هنوز دمای بالایی دارند (بین 450 تا 600 درجه سانتی گراد) ازطریق یک اگزوز از سیستم خارج می شوند. این فرایند به طور مداوم تکرار می شود و انرژی حاصل از احتراق سوخت را به توان مفید مکانیکی یا الکتریکی تبدیل می کند.
اجزای اصلی توربین گازی:
- کمپرسور (Compressor)
- محفظه احتراق (Combustion Chamber)
- توربین (Turbine)
- اگزوز (Exhaust)
کمپرسور (Compressor)
اصلی ترین اجزای توربین گازی ، کمپرسور می باشد که بعد از مکش هوا به داخل موتور، باعث افزایش دما و فشار هوا می شود و برای احتراق در محفظه احتراق استفاده می شود.
انواع کمپرسور در توربین گازی:
کمپرسور محوری
کمپرسور گریز از مرکز
حیاتی ترین اجزای توربین گازی محفظه احتراق است که هوای فشرده شده توسط کمپرسور را با سوخت مخلوط کند و با احتراق کنترل شده انرژی حرارتی را به دمای بالا تولید کند.
توربین: انرژی حرارتی گازهای پرفشار و داغ را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. گازهای خروجی از محفظه احتراق به پره های توربین برخورد می کنند و باعث چرخش شفت می شوند که شفت می تواند به ژنراتور وصل شود برق تولید کند یا اینکه کمپرسور را به حرکت در اورد.
اگزوز: گازهای خروجی را از سیستم خارج می کند و از گرمای این گازها برای تولید بخار و افزایش بازدهی استفاده می کند.
اجزای فرعی توربین گازی
- سیستم خنک کاری:
محفظه احتراق و پره های توربین به علت دمای بالا نیاز به خنک کاری دارند که سیستم خنک کاری این وظیفه را بر عهده دارد.
- شفت : کمپرسور و توربین به وسیله شفت به یکدیگر متصل می شوند تا انرژی مکانیکی بین آن ها امتقال یابد.
- سیستم سوخت : از حیاتی ترین بخش های توربین گازی است که مسئولیت انتقال، تنظیم و تزریق سوخت به محفظه احتراق را بر عهده دارد. و در شرایط مختلف مثل تغییر ناگهانی بار، نوسانات دما و فشار کارایی خود را حفظ کند و علاوه بر آن پایداری و امنیت فرایند احتراق را نیز حفظ و تضمین کند.
- سیستم کنترل: مغز متفکر توربین گازی این سیستم کنترل است که وظیفه نظارت ، تنظیم و بهینه سازی عملکرد تمام اجزای توربین را بر عهده دارد.
کاربردهای خاص توربین گازی در صنایع مختلف :
توربین های گازی به دلیل قابلیت راه اندازی سریع ، انعطاف پذیری عملیاتی و توانایی تولید توان بالا در صنایع مختلف نقش حیاتی ایفا می کنند که در ادامه به مهم ترین کاربردهای این سیستم می پردازیم:
- تولید برق:
توربین ها نقش بسیار مهمی در صنعت برق جهان ایفا می کنند. نیروگاه های برق ، نیروگاه های سیکل ترکیبی و تولید برق اضطراری کاربرد دارند.
- صنایع نفت و گاز:
توربین های گازی به عنوان موتور محرکه اصلی در صنایع نفت و گاز نقش حیاتی ایفا می کنند. این سامانه های پیشرفته با قابلیت اطمینان بالا و عملکرد پایدار در سخت ترین شرایط عملیاتی، به عنوان انتخاب اول در بسیاری از کاربردهای حیاتی و حساس این صنعت انتخاب می شوند.
کاربردهای اصلی در صنایع نفت و گاز:
- فشرده سازی گاز
- پمپاژ سیالات
صنایع هوایی ( موتورهای جت):
اصلی ترین کاربرد توربین های گازی در صنعت هوایی، استفاده از آن در موتورهای جت هواپیما نقش تعیین کننده ای در پیشرانش هواپیماها ایفا می کند. این موتورها با استفاده از اصول پیشرفته ایرودینامیک و ترمودینامیک، امکان پرواز در ارتفاعات بسیار بالا و سرعت های فراصوت را فراهم می کنند.
صنایع دریایی:
توربین های گازی به دلیل توان خروجی بالا ، وزن نسبتا کم و قابلیت راه اندازی سریع به عنوان گزینه ای ایده آل در صنایع دریایی شناخته می شود.این موتورهای پیشرفته معمولا در کاربرد هایی که نیاز به توان بالا در فضاهای محدود و دارای محدودیت وزنی هستند استفاده می شوند.
کاربردهای اصلی در صنایع دریایی:
- سامانه های پیشرانش کشتی ها (ship propulsion)
- تأمین برق کشتی ها (onboard power Generation)
- سکوهای دریایی نفتی (offshore platforms)
- کشتی های ویژه
صنایع عمومی :
توربین های گازی علاوه بر صنایع مختلف مانند هوایی و دریایی در بسیاری از از صنایع عمومی نیز نقش حیاتی ایفا می کنند. این سیستم ها با راه حل های کارامد، به بهینه سازی فرایندهای صنعتی نیز کمک می کنند.
کاربردهای اصلی در صنایع عمومی
- تأسیسات تولید برق و حرارت
- سیستم های تبرید و تهویه مطبوع صنعتی
- صنایع تولیدی و کارخانه ها
- مراکز داده و ارتباطات
- پروژه های عمرانی و ساخت وساز
نتیجه گیری:
در این مقاله در مورد توربین گازی و انواع کاربرد آن در صنایع مختلف صحبت کردیم.
