توربین

 تاریخچه

کلمه ی توربین برای اولین بار به وسیله کلوید باردین در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان بر گرفته  شده است.  

ساده ترین توربین ها 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
تقسیم بندی های مختلفی برای توربین های بخار وجود دارد، که عبارتند از:

1) تقسیم بندی بر اساس نوع طبقات توربین:  توربین با طبقات عکس العملی
توربین با طبقات ضربه ای
2) براساس تعداد مراحل انبساط: [ توربین های تک مرحله ای 

توربین های دو مرحله ای 

توربین های چند مرحله ای 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 یک دستگاه مکانیکی است که انرژی گرمائی از بخار تحت فشار دریافت و آنرا به کار مکانیکی مفید تبدیل میکند. توربین بخار تقریباً جانشین موتور بخار پیستونی، که توسط توماس نیوکامن  اختراع شد و توسط جیمز وات توسعه یافت، شد. توربین بخار برای به حرکت 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 که بیشتر راندمان ترمودینامیکی را از استفاده چند مرحلهای انبساط بخار آب دریافت میکند.
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 که ممکن است آنرا به عنوان توربین بخار به حساب آورد چیزی که بهتر از یک اسباب به نظر میرسید بود که توسط قهرمان اسکندریه در مصر رومی ساخته شد. اولین توربین بخار واقعی در سال 1551 در مصر عثمانی توسط تقیالدین اختراع شد. بهرحال این توربینهای بخار اولیه با مدل جدید بسیار متفاوت بودند. مدل جدید توربین در سال 1884 توسط یک مهندس انگلیسی به نام چارلز پارلز Charles Parsons اختراع شد. اولین مدل توربین او به یک دینام وصل شد که 5/7 کیلووات برق تولید کرد. اختراع وی به ثبت رسید و سپس توربین وی توسط یک فرد آمریکایی بنام جرج وستینگهاس توسعه یافت.
تعدادی توربین متفاوت ساخته شدند و به خوبی با بخار عمل کردند. توربین de laval turbine که توسط Gustaf de laval اختراع شد راندمان بخار را افزایش داد. این توربین سادهتر، ارزانتر بود و میتوانست با هرگونه فشار بخار عمل کند.
انواع توربین

توربینهای بخار با ظرفیتهای مختلف ساخته میشدند. از توربینهای باظرفیت یک اسب بخار (75/0 کیلووات) که برای پمپها و کمپرسورها و غیره تا توربینهای دو میلیون اسب بخار (000/500/1 کیلووات) که برای تولید برق مورد استفاده قرار میگیرند. توربینهای بخار از نظر عملکرد طبقهبندی میشوند.
توربینهای ایمپالس (Impulse)

یک توربین ایمپالس چند نازل ثابت دارد که بخار را به ژیگلورهای با سرعت بالا هدایت میکنند. این ژیگلورها حاوی انرژی جنبشی قابل توجه هستند که از طریق تیغههای رتور که شبیه بیلچه میباشند این انرژی را به شفت انتقال میدهند، در توربینهای ایمپالس انبساط بخار فقط در نازلها اتفاق میافتد.
انواع توربینهای بخار شامل: توربین های متراکم کننده، غیر متراکم کننده، با حرارت مجدد، کششی و القائی است. توربینهای غیر متراکم اغلب برای کاربردهای بخار فرآیند استفاده میشوند. فشار تخلیه گاز به وسیله شیر تنظیم کننده متناسب با نیاز فشار بخار کنترل میشود. این توربینها معمولاً در پالایشگاهها واحدهای حرارتی، کارخانههای کاغذسازی و دستگاههای آب شیرین کن و در مکانهائی که مقادیر زیادی بخار کم فشار بایستی در دسترس وجود داشته باشد یافت میشود.
- توربینهای متراکم کننده اغلب در نیروگاهها مخصوصاً نیروگاههای هستهای وجود دارند. این توربینها بخار را در حالت بسیار متراکم تخلیه میکنند. این نوع توربینها آب در حال تراکم 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 اکسترکتینگ  

 در بسیـــاری از مــوارد مخصوصــاً در بخشهای تولیدی مانند صنعت کاغذسازی که به بخار با فشار و حرارت معین نیاز دارند بسیار معمول است. در این نوع توربین، بخار از یک نقطه توربین با درجه حرارت و فشار مطلوب دریافت میشود و یا به سیستم گرمکننده آب تغذیه بویلر ارسال میشود. افزایش گرمای سیستم گرم کننده آب تغذیه بویلر باعث بهبود راندمان توربین خواهد شد.
- توربینهای کروزینگ   

این توربینها در دهههای 1950 و 1960 در نیروی دریائی آمریکا استفاده شد. توربینهای کروزینگ برای سرعتهای کم و متوسط طراحی شد.
- توربینهای معکوس  

 دارای یک یا چند سری تیغه هستند که در جهت عکس محور اصلی قرار میگیرند. ترتیب دریچهها به صورتی است که باعث میشود خط اصلی بخار به طرف تیغههای جلو بسته میشود و به طرف تیغههای معکوس باز میگردد. تیغههای معکوس روی همان شفت تیغههای جلوئی نصب شدهاند. توربینهای بخار معکوس 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 مکانیکی 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 مکانیک , 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 

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 

 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 تکنولوژی توربینهای گازی تکنولوژی مادر گفته می شود و کشوری که بتواند توربینهای گازی را طراحی کند و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید کند.
اجزای توربینهای گازی

به طور کلی کلیه توربینهای گازی از سه قسمت تشکیل می شوند:
.1.کمپرسور 2.محفظه احتراق 3.توربین
که بنا به کاربرد قسمتهای دیگری نیز برای افزایش راندمان و کارایی به آنها اضافه می شود . به عنوان مثال در برخی از موتورهای هواپیماها قبل از کمپرسور از دیفیوزر و بعد از توربین از نازل استفاده می شود . که دراین رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گردید .
سیکل توربینهای گازی:

سیکل ترمودینامیکی توربینهای گازی سیکل استاندارد هوایی یا برایتون می باشد که در حالت ایده ال مطابق شکل زیر شامل دو فرایند ایزنتروپیک در کمپرسور و توربین و دو فرایند ایزو بار در محفظه احتراق و دفع گازها می باشد.

سیکلهای توربینهای گازی در دونوع باز و بسته می باشند . در سیکل باز ( شکل فوق) گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه می شوند که این سیکل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد . در نوع بسته که عمدتاً در نیرو گاههای برق مورد استفاده قرار می گیرد گازهای خروجی از توربین ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور کرده و بعد از خنک شدن مجددا وارد کمپرسور گردیده و سیکل تکرار می شود.
همانطورکه قبلا بیان گردید توربینهای گازی از نظر کاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می شوند که نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می گیریند . که ذیلا در ارتباط با هرکدام از آنها بحث خواهیم نمود.
توربینهای گازی صنعتی:

منظور از توربینهای گازی صنعتی اشاره به کاربرد آنها غیر از بخش هوانوردی می باشد . در شکل زیر شمایی از یک واحد تولید نیروی برق توسط توربین گاز , نشان داده شده است.

شکل زیر هم نوعی توربین گازی با ظرفیت تولیدی 400 مگاوات را نمایش می دهد.

توربینهای گازی که در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی می باشند که شکل قبل نوعی از این توربینها با ظرفیت 400 مگاوات را نشان می دهد.
توربینهای گازی هوایی یا موتورهای جت:

همانطور که گفته شد سیکل توربینهای گازی موتورهای هواپیما شبیه به توربینهای گازی صنعتی می باشد بجز اینکه قبل از ورود هوا به کمپرسور از یک دیفیوزر و بعداز توربین از یک نازی برای بالا بردن سرعت گازهای خروجی و حرکت هواپیما به سمت جلو استفاده می کنند . این گازهای پرسرعت بر هوای خارج از موتور نیرویی وارد می کنند که طبق قانون سوم نیوتن نیروی عکس العمل آن سبب حرکت هواپیما به سمت جلو می شود . شایان ذکر است که 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 که به دو سته کلی تقسیم می شوند:

که از نظر کاری شبیه به موتور خودروها می باشند.

این موتورها به سه دسته کلی توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسیم بندی می شوند
توربوجتها اولین موتورهای جت می باشند که 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 که ردیف اول کمپرسور در این موتورها به عنوان فن عمل کرده و مقداری از هوای ورودی به موتور را از اطراف موتور by pass کرده که این عمل علاوه بر افزایش نیروی جلوبرندگی باعث کاهش صدا,آلودگی محیطی و ... می شود .
در موتورهای توربوفن با اتصال یک ملخ به گیربکس و سپس به کمپرسور , نیروی جلوبرندگی ایجاد می شود . در این حالت سعی می شود که بیشترین انرژی جنبشی گازها صرف چرخاندن توربین و از آنجا کمپرسور و در نتیجه ملخ شود . وجود گیربکس به این خاطر است که سرعت دورانی ملخ از حد معینی تجاوز نکند . یعنی باید سرعت انتهای ملخ از عدد ماخ کوچکتر باشد . زیرا سرعتی بیش از این سبب ایجاد ارتعاشات شدید و در نتیجه شکستگی ملخ می شود.
موتورهای توربوشفت نیز نوعی موتور توربوپراپ می باشند که از آنها جهت به حرکت درآوردن هلیکوپترها استفاده می شود .بطور کلی موتورهای توربوپراپ بدلیل اینکه در ارتفاع پروازی کم 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