واژهٔ توربین برای اولین بار به وسیلهٔ (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.
موارد استفاده
تقریبا تمام الکتریکی روی از نوعی توربین استفاده می‌کند بازده بالاترین توربین ۴۰ درصد است. اکثر جت‌ها مانند کشتی‌ها و نیروگاه‌های اتمی برای حرکت از توربین استفاده میکنند.
نگاهی کلی بر توربین های گازی
توربین های گازی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند و به انواع زمینی (صنعتی ) و هوایی تقسیم می شوند . واحدهای بزرگ این توربین ها برای تولید بخش مهمی از انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرند.
مزایا و معایب توربین گازی :
مزایا
1-توربین گازی نسبت به وزن آن توان زیادی تحویل می دهد.
2-موتورهای توربین گازی کوچکتر از توربین های دیگر هستند.
معایب :
گران بودن این توربین ها نسبت به انواع مشابه است.
- اجزای توربین های گازی :
اصول همه توربین های گازی یکی است و همگی دارای gas generator ( که شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین هستند ) می باشند و هدف آن تامین گاز با دما و فشار بالا است که در نهایت این انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.
یک توربین شامل:
1-کمپرسور : هوا از محیط اطراف به داخل کمپرسور هدایت می شود و در کمپرسور، هوا از بین پرههای ثابت و متحرک (روتور و کمپرسور ) عبور کرده و فشرده می شود و از طریق یک مجرای خروجی از کمپرسور خارج شده و به محفظه احتراق می رود.
2-محفظه احتراق : هوا و سوخت در محفظه احتراق با یکدیگر مخلوط شده و محترق می‌شوند و گازهایی با دمای بالا ایجاد می کند. از آنجا که در این توربین ها گاز حاصل از احتراق به شکل دیگری از انرژی تبدیل می شود و گاز داغ حاصل از احتراق به عنوان سیال حامل انرژی استفاده می شود به آن توربین گازی گفته میشود.
از هوای خروجی کمپرسور فقط یک سوم با سوخت مخلوط می شود و بخشی از آن به اطراف محفظه احتراق جریان یافته و برای خنک نگه داشتن دیواره ها بکار می رود و بخشی از آن ، قبل از اینکه گازهای داغ به قسمت توربین انتقال یاید با آن مخلوط می شود تا دمای آن به 900 تا 1200 درجه کلوین برسد.
3-توربین : در توربین انرژی گاز داغ با فشار بالا که توسط کمپرسور و محفظه احتراق ایجاد شده است به انرژی مکانیکی تبدیل می شود در واقع انبساط گاز و نیروی ضربه حاصل از برخورد گاز به پره های متحرک توان توربین گازی را تامین می کند و از این توان دو سوم صرف فشرده شدن هوا می شود و بقیه صرف کارهای دیگری مانند تولید برق یا راندن مکانیکی میشود.
علاوه بر موارد بالا، برای افزایش کارایی توربین گازی ممکن است شامل کولرهای خنک کننده بین کمپرسور ها ، مبدلهای حرارتی بین توربین ها و مبدل های حرارتی برای گرم کردن هوای ورودی به محفظه احتراق باشد.
- انواع توربین های گازی
1- توربین گازی تک محوری :
اگر استفاده از توربین گازی به منظور تولید توانی ثابت (سرعت و تولید ثابت) مدنظر باشد در این صورت به کارگیری توربین گازی تک محوری مناسبتر است در این نوع واحدها ، کارایی در حالت تولید توان پایین ، کم بوده و لذا مورد توجه نیست
2- توربین گازی دو محوری:
نوع دیگر توربین گازی دو محوری است که در آن ، از محورها با سرعت متفاوتی بهره برداری میشود هر یک از این محورها، توربینی با توان متفاوت دارد و برای شرایطی که محدوده وسیعی از توان مورد نیاز است از آن استفاده میشود این نوع واحدها در حمل ونقل زمینی و دریایی مانند راه آهن و مقاصد دریایی به کار گرفته می شود این نوع توربین دارای یک توربین گازی فشار بالا و یک توربین گازی فشار ضعیف است توان حاصل از توربین گازی فشار بالا صرف چرخاندن کمپرسور می شود توربین قسمت فشار ضعیف انرژی لازم برای مصرف را که توان آن ثابت نبوده و بستگی به مصرف کننده دارد (که در حال تغییر است) تولید می کند.
3-پره های توربین گازی
پره های توربین گازی در قسمت کمپرسور و توربین شامل پره ثابت یا نازل (Stationary Vane)و پره متحرک (Rotor blade)می باشد که ازاین به بعد پره ثابت را با نام نازل وپره متحرک را با نام پره در این مقاله ذکر می کنیم.
پره های کمپرسور معمولاً از جنس استنلس استیل هستند و شامل دو قسمت ایرفویل و ریشه هستند و بوسیله فرایند فورج ساخته می شوند و ترتیب عملیات بصورت 1- اکستروژن 2- پهن سازی (upsetting) از میله فورج است و با چند مرحله فورج و بعد ماشینکاری ، پره بدست می آید.
پره های توربین ابتدا با روش فورج و از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته می شدند زیرا در فورج همراستایی مولکولها واستحکام بیشتر است اما با پیشرفت ریخته گری دقیق و طراحی هندسه پیچیده مسیرهای خنک کاری پره، موجب شد تا پره های ریختگی بطور تدریجی جانشین پره های فورج شوند.
با توجه به شرایط خشن کاری که دمای محیط بالا ، تنش مکانیکی بالا، خستگی گرمایی، گاز خورنده و غیره موجب شده است که پره های توربین از سوپر آلیاژ ساخته شوند . سوپرآلیاژها، با استفاده از عناصر گروه VIII-Aجدول تناوبی، برای کاربرد در دمای بالا و در مواردی که تنشهای مکانیکی بالایی در سیستم وجود دارد، در سه گروه: (i) سوپرآلیاژهای پایه نیکل، (ii) سوپر آلیاژهای پایه کبالت و (iii) سوپر آلیاژهای پایه آهن، طراحی و توسعه یافته اند
- معرفی پره ها و نازلها
نازلها دارای : شرود داخلی، شرود خارجی و ایرفویل (شامل سمت مقعر ، سمت محدب ، لبه حمله و لبه فرار) می باشد.
اجزای مختلف پره ها شامل ریشه، شنک، پلت فرم، شرود و ایرفویل (شامل سطح مقعر یا فشار، سطح محدب یا مکش ، لبه حمله و لبه فرار ) می باشد. که بسته به طراحی پره، ممکن است شنک یا شرود در پره ای وجود نداشته باشد.
پرههای متحرک توربین غالباً با ریخته گری دقیق بدست می آید و بر روی ایرفویل آنها ماشینکاری بعدی صورت نمی گیرد ولی ریشه ، شنک و شرود پره ها باید ماشینکاری شود. ریشه از نظر ابعادی دقیق ترین قسمت پره می باشد . دقت بالا شکل پیچیده و جنس چقر (tough) پره ها که از سوپر آلیاژ می باشند و عمدتاً هم پایه نیکل هستند باعث میشود که ماشینکاری آنها اهمیت ویژه ای پیدا کند و از میان روشهای موجود ، سنگرنی خزشی مناسبترین روش ماشینکاری ریشه پره می باشد
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 21 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله توربین