مقدمه
روشهای مهمی برای استفاده از گاز طبیعی جهت تولید برق وجود دارد، اما این توربین گازی است که انقلابی در استفاده از گاز طبیعی برای صنعت برق ایجاد کرده است. نوع مدرن این توربین در ابتدا به عنوان جزئی از یک موتور هوائی توسعه داده شد اما به سرعت با کاربردهای ثابت از جمله تولید توان سازگار شد. با این حال، جذب اولیه محدود بود. چندین دهه طول کشید تا توربینهای گازی مدرن و سنگین تکامل یافتند و به نوع غالب در بازار تولید برق تبدیل شدند. در حال حاضر تعداد زیادی توربین گازی (GT) در حالت کار در سراسر جهان وجود دارد. با در نظرگرفتن زمان راه اندازی نسبتاً کوتاه و قابلیت پاسخ گویی سریع، از GT ها در ظرفیت های مختلفی استفاده می شود: به عنوان واحدهای پیک بار، واحدهای بار پایه، قسمتی از سیکل ترکیب شده و غیره.
همانند بیشتر تکنولوژیهای تولید توان، اصول فنی که توربین گازی بر اساس آن استوار است، برای اولین بار در قرن نوزدهم بررسی شد. ماشین آلات کاری برای اولین بار در اوایل قرن بیستم کامل شدند اما شناخت توانایی آنها به عنوان واحدهای قدرت هواپیمایی بود که به توسعه فن آوری شتاب بخشید. برنامه های تولید برق از اوایل سال 1939 مورد آزمایش قرار گرفتند اما استفاده از آنها در صنعت تولید برق تنها پس از جنگ جهانی دوم به تدریج افزایش یافت و تا دهه 1980 اکثر این توربین ها برای تولید برق نسبتاً کم بودند.
پتانسیل کارخانه های سیکل ترکیبی با راندمان بالا طی دهه 1980 کاملاً شناخته شده بود و این تولیدکنندگان را ترغیب به تولید توربینهای گازی بزرگ و سنگین مخصوص این بازار کرد (شکل 1). این امر به نوبه خود منجر به افزایش کارایی کلی چنین نیروگاه هایی شد به طوری که در دهه دوم قرن بیست و یکم نیروگاه هایی با بازده کلی بیش از 60 درصد در حال کار هستند. این توربین ها در پیکربندی چرخه باز ساده می توانند به 46 درصد بازده برسند.
شکل 1) نمونه یک توربین گازی بزرگ صنعتی
تاریخچه توربین گازی
یک توربین گازی یک وسیله است که انرژی موجود در گاز (معمولاً هوا) را به حرکت چرخشی تبدیل می کند. یک وسیله از این نوع آسیاب بادی یا توربین بادی است که انرژی هوا در حال حرکت یعنی باد را به حرکت چرخشی تبدیل می کند. در حالیکه توربین بادی انرژی هوای آزاد را مهار می کند، این وسیله به طور معمول توسط یک گاز فشار بالا و در اغلب موارد دما بالا که در یک محفظه محدود شده است، هدایت می شود. این امکان کنترل بسیار بیشتر فرآیند جذب انرژی را فراهم می کند.
اولین پیشگام از این نوع دستگاهها توسط اسکندر در قرن اول میلادی ساخته شده است. این وسیله از واکنش جتهای بخار حاصل از یک جفت نازل در طرف مخالف یک مخزن دیگ بخار نصب شده بر روی شافت استفاده می کرد تا باعث چرخش محفظه در محور خودش شود. استفاده از گاز منبسط شده داغ جهت هدایت حرکت برای هر دو توربین بخار و گازی معمول است. پیشگام دیگر از توربین گازی «جک دودکش» است که یک توربین ساده بوده و بر روی دودکش نصب می شود به نحوی که هوای گرم بالا آمده از دودکش باعث چرخش آن می شود. سپس این حرکت می تواند تحت کنترل درآورده شود، به طور مثال برای چرخاندن گوشت بر روی یک سیخ چرخان.
اولین اختراع حاوی تمام عناصر یک توربین گازی مدرن توسط مخترع انگلیسی جان باربر (John Barber) در اختراع ثبت شده در سال 1971 شرح داده شد. در این روش یعنی« افزایش هوای قابل اشتغال با هدف دستیابی به حرکت» پیکربندی شامل یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین است که عناصر اصلی هر توربین گازی مدرن می باشند. مشخص نیست که آیا این ماشین تا به حال ساخته شده یا به طور موفقیت آمیزی کار کرده است یا خیر اما مدلهای مدرن ساخته شده اند و تولید حرکت می کنند.
در طول قرن نوزدهم تعدادی از توربین های گازی اولیه توسعه داده شدند. همه آنها از یک کمپرسور برای تولید جریانی از هوای تحت فشار استفاده می کردند و این جریان به یک توربین جهت به حرکت در آوردن یک شافت تغذیه می شد و کار مکانیکی تولید می کرد. در همه این ماشینها، کمپرسور از توربین جدا می شد؛ با وجود اینکه بازده کلی به طور محتمل بسیار پایین بود، حقیقت جدابودن کمپرسور از توربین به این منظور بود که آنها همیشه قادر به تولید نیرو برای هدایت ماشین آلات باشند.اولین کوششی که برای طراحی یک توربین گازی مدرن انجام شد، در طرحی بود که توسط مهندس آلمانی Franz Stole در سال 1972 ارائه و منتشر شد. در این طرح از کمپرسور محوری برای فشرده سازی هوا استفاده شده و سپس با استفاده از سوختی که به درون محفظه احتراق وارد می شد، بخار گاز فشار بالا بسیار داغی را تولید می کرد. این گاز گرم به یک توربین چندمرحله ای منتقل می شود که می چرخید و یک شافت را هدایت می کرد.
توجه می کنیم که کمپرسور و توربین به همان شکلی که در توربین مدرن وجود دارد، بر روی یک شافت قرار گرفته بودند. برای اینکه طراحی از این نوع بتواند اجرا شود، توربین باید انرژی بیشتری از آنچه برای راه اندازی کمپرسور لازم است تولید کند. در غیر این صورت نمی تواند به صورت پیوسته عمل کند. طراحی Stolz هرگز قادر به انجام این مورد نبود زیرا نه کمپرسور و نه توربین به اندازه کافی برای عملکرد پیوسته زیاد کارآمد نبودند. این امر به حداقل 80 درصد کارایی برای هر قسمت از سیستم نیاز دارد.
اولین توربین گازی که قادر به بهره برداری مداوم بود توسط مهندس نروژی Aegidius Elling ساخته شد و در سال 1903 به نمایش درآمد. توربین Elling توان بیشتر از مقداری که برای رانش اجزایش لازم بود، تولید می کرد و یک خروجی توان خالص 8 کیلووات داشت که به صورت هوای فشرده تحویل داده شده و می توانست ماشین آلات پنوماتیکی را هدایت کند. این طرح همچنین شامل تزریق آب به گازهای گرم بین محفظه و توربین بود، فرآیندی که امروزه در برخی از چرخه های توربین گاز مدرن مورد استفاده قرار می گیرد. دمای ورودی توربین گازی 400 درجه سانتی گراد بود که طبق استانداردهای مدرن پایین محسوب می شد. سرعت توربین 20000 دور بر دقیقه بود. در سال 1904، Elling توانست دمای ورودی را به 500 درجه سانتی گراد و توان خروجی را به 33 کیلووات برساند.
در نیمه اول قرن بیستم تحولات دیگری نیز وجود داشت. اما مهمترین اتفاقات در دهه 1930 زمانی رخ داد که شرکت سوئیسی BBC Brown Boveri شروع به تولید کمپرسورهای محوری و توربینها برای تولید بخار سوپرشارژ شده کرد. در همان زمان مهندس بریتانیایی فرانک ویتل در حال ساخت یک توربین گاز برای پیشرانه جت بود. اولین موتور در سال 1937 کار کرد در حالی که در سال 1939 براون بووری برای اولین بار یک توربین گاز را به عنوان یک واحد تولید کننده در یک نیروگاه نصب کرد. این موضوع تولد فن آوری جدید تولید برق محسوب می شود.
قاعده کاری توربین گازی
یک توربین گازی پیشرفته دارای سه جزء می باشد: یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین که در شکل 2 نشان داده شده است. هوا به داخل کمپرسور کشیده شده و فشرده (متراکم) می شود سپس به محفظه احتراقی که سوخت به طور پیوسته به آن تزریق می شود، فرستاده می شود. در این محفظه ترکیب سوخت و هوا مشتعل شده و گرمایی را آزاد می کند که هر دوی فشار و دمای هوا را بالا می برد. این بخار گاز با دمای بالا سپس به سمت (پره های) توربین فرستاده می شود تا باعث چرخش محور آن شده و توان تولید کند. در طراحی استاندارد، کمپرسور و محفظه احتراق روی محور مشابه ای قرار گرفته و آن محور همچنین با ژنراتور کوپل شده است. بنابراین در مرحله مربوط به توربین دستگاه باید توان محوری کافی تولید شود تا کمپرسور را گردانده و ژنراتور را به چرخش در آورد.
شکل 2) اجزا و قاعده کاری توربین گازی (سیکل باز)
قسمت توربین یک توربین گازی یک نوع از موتور حرارتی است و بنابراین مثل توربین بخار بازده تبدیل انرژی اش بوسیله حد بازده سیکل کارنوت تعیین می شود که بستگی به اختلاف بین دماهای ورودی و خروجی دارد. این به معنی این است که دمای گاز ورودی یک پارامتر کلیدی برای تعیین بازده کلی است و توسعه توربین های گازی پیشرفته روی پیداکردن مواد و تکنیک هایی متمرکز شده که امکان دستیابی به درجه حرارت ورودی بیشتر را فراهم می کند.
چرخه واقعی که یک توربین گازی بر طبق آن عمل می کند سیکل برایتون است که از نام جرج برایتون (George Brayton) گرفته شده که اولین بار آنرا در نظر گرفت. بر طبق تعریف او، گرما به سیال کاری یعنی هوا در فشار ثابت اضافه می شود. در زمان اختراع او، سیکل برایتون نمی توانست با موتور سیکل رفت و برگشتی otto رقابت کند اما توسعه موتور توربین گاز که مشخص شد در چرخه برایتون کار می کند – اگرچه این مورد بلافاصله تشخیص داده نشد – نشان داد که می تواند بسیار مؤثر باشد.
موتور اصلی برایتون که توسعهای از کار جان باربر بود، یک نوع از موتور پیستونی با یک پیستون برای فشرده سازی هوایی بود که سپس به یک محفظه ترکیب کننده که سوخت به آن اضافه می شد، منتقل می شد. این ترکیب سپس با ورود به محفظه احتراقی که پیستون دیگر را به حرکت در می آورد، مشتعل می گردید. پیستون استوانه ای فشرده سازی بوسیله پیستون محفظه انبساط رانده می شد[1]. سیکل توربین گازی قسمتهای فشرده سازی، احتراق و انبساط مشابهی دارد اگرچه کاملاً متفاوت عمل می کند.
توسعه اولیه توربین های گازی با هدف تولید موتورهای جت برای استفاده نظامی انجام شد. این کار که بر اساس ویتل ساخته شد، در دهه های 1940، 1950 و 1960 ادامه داشت. توسعه موتور Aero همچنان ادامه دارد اگرچه امروزه به همان اندازه که برای کاربردهای هواپیمایی نظامی انجام می شود، اغلب برای اهداف تجاری نیز بکار می رود. سطح مقطعی از یک توربین گازی موتور جت در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3 ) شماتیکی از یک توربین گازی موتور aero
یک موتور جت هوا را از طریق ورودی هوای جلوی خود وارد می کند، آنرا فشرده می کند و سپس سوخت را در هوای فشرده می سوزاند تا یک جت فشار بالای گرم ایجاد کند. این هوای فشار بالا از مجموعه ای از تیغه های توربین عبور می کند که در آنجا مقدای توان برای راندن کمپرسور استخراج می شود. تیغه های باقی مانده فشار گاز را کاهش داده و سرعت هوایی را که از عقب توربین خارج می شود، افزایش می دهند. این جت هوایی نیرویی را ایجاد می کند که طبق قانون سوم کنش و واکنش نیوتن، برای هوابرد هواپیما و نگهداری آن در آنجا استفاده می شود. توربین ممکن است به صورت پروانه محصور در پوسته بجای پروانه ای که در هوای آزاد می چرخد، به روال معمول هواپیماهای اولیه باشد. محصورشدن پروانه باعث می شود تا سرعت هوای ورودی به طور مستقل از نرخ حرکت ماشین در هوا کنترل شود و این باعث می شود هواپیما سریعتر حرکت کند.
تطبیق این توربین ها برای درایو مکانیکی و تولید توان به معنی بازطراحی مراحل توربین است به نحوی که مقداری زیادی انرژی ممکن است از هوا گرم فشار بالا گرفته شود که از محفظه احتراق به توربین تحویل داده می شود. در عوض ایجاد نیرو، انرژی به محور توربین به عنوان توان مکانیکی تحویل داده می شود. اثبات شده است که این توربین های هوانوردی کارآمد و بسیار مقرون به صرفه بوده و امروزه نیز بخش عمده ای از صنعت توربین گازی را تشکیل می دهند.
موتورهای Aero باید سبک باشند تا بتوانند وزن کلی هوا را کاهش دهند. وزن برای مصارف صنعتی کمتر مورد توجه می باشد. این موضوع برای توربین های گازی Aero این امکان را فراهم کرده تا از میراث موتور Aero خود دور شوند اگرچه شباهت های بسیار زیادی به یکدیگر دارند. در دهه های آخر قرن 20، تولیدکنندگان بزرگ با ساخت توربین های گازی با کار سنگین که مخصوص تولید برق بودند، شروع به انطباق بیشتر آنها کردند. سطح مقطع یک توربین صنعتی بزرگ در شکل 4 نشان داده شده است. این واحدها از آن زمان بسیار بزرگتر از همتایان هوانوردی خود شده اند و فلسفه طراحی نیز متفاوت بوده است. حتی در این صورت تحولات موتور هوایی به ویژه مربوط به طراحی موارد جدید، به سرعت به ماشین های بزرگتر صنعتی راه پیدا می کند.
شکل 4) سطح مقطع یک توربین گازی صنعتی بزرگ
نکته ای در مورد فشار
عملکرد اجزاء در یک توربین گازی بستگی به فعل و انفعال این اجزاء با هوای فشار بالا دارد، فعل و انفعالی که شامل تغییرات فشار هوا می باشد. دو نوع فشار متفاوت وجود دارد که نیاز است زمان تحلیل نحوه عملکرد اجزاء در نظر گرفته شود یعنی فشار استاتیک و فشار دینامیکی.
فشار استاتیک فشاری است که یک سیال ساکن بر محیط اطراف خود وارد می کند. برای مثال، هوا در یک بالون یک فشار اساتیک بر پارچه بالون وارد می کند. فشار دینامیک از طرف دیگر فشاری است که بوسیله یک سیال متحرک وارد می شود. زمانی که یک سیال مثل هوا در حال حرکت است، فشار پویا و استاتیکی را اعمال می کند. این دو با هم فشار کلی سیال را تشکیل می دهند. در صورت عدم وجود هر انرژی ورودی یا تلفات، فشار کل ثابت باقی می ماند. به هر حال تعادل بین فشار استاتیک و دینامیک می تواند تغییر کند. این مورد برای عملکرد توربین گازی مهم است.
فعل و انفعال اجزاء در یک توربین گازی با سیال در حال کار مثل هوا بر تعادل بین دو نوع فشار اثر می گذارد. شکل مسیرهای هوایی داخل توربین گازی یا کمپرسور می تواند فشار دینامیکی را به فشار استاتیکی یا برعکس تبدیل کند. اگر بخاری از هوای سرعت بالا از یک مجرا عبور کند که واگرا شود به نحوی که سطح مقطع آن افزایش یابد، هوا سرعت بالا حجم در حال افزایش را پر می کند. این موضوع سرعت آنرا کاهش می دهد اما از آنجایی که تغییری در انرژی ایجاد نمی شود، فشار ثابت باید افزایش یابد تا فشار کل بدون تغییر بماند. یک مجرای همگرا نتیجه معکوس خواهد داشت و باعث افزایش سرعت سیال عبوری از آن می شود. هر دو این اثرات در کمپرسورهای توربین گاز و توربین ها اتفاق می افتد.
فرآیندهایی که در توربین گازی اتفاق می افتد، شامل تغییرات در دما می باشد. فشرده سازی گاز منجر به افزایش دمای آن می شود در حالی که انبساط منجر به افت دما می شود. انرژی گرمایی به هر دوی کمپرسور در طول فشرده سازی و محفظه احتراق وارد می شود. انرژی گرمایی سپس در طول فرآیند تبدیل انرژی داخل توربین منبسط می شود.
کمپرسورها
نقش کمپرسور در یک توربین گازی تولید بخار از هوای به شدت فشرده شده است که می تواند به یک محفظه احتراق داده شود که در آنجا با سوخت ترکیب شده و سپس می سوزد. در طول فرآیند فشرده سازی، فشار هوا افزایش می یابد اما سرعتش زمانی که از داخل دستگاه عبور می کند نباید زیاد شود. کمپرسور معمولاً بر روی همان محور توربین قرار می گیرد و از مقداری انرژی تولید شده توسط توربین برای انجام عملکرد خود استفاده می کند.
کمپرسور یک توربین گازی پیشرفته، به طور طبیعی دارای 10 تا 16 مجموعه تیغه و پره کمپرسور می باشد که معمولاً مرحله (فاز) نامیده می شوند. هر مرحله هوا را از مرحله قبل دریافت و فشرده می کند. نسبت فشرده سازی کلی از یک سازنده به سازنده دیگر و از یک توربین به توربین دیگر فرق می کند اما معمولاً بین 15:1 و 30:1 می باشد.
بیشتر توربین های گازی از کمپرسورهای گردش محوری استفاده می کنند. در چنین کمپرسوری هر مرحله شامل مجموعه ای از تیغه هاست که به محور کمپرسور متصل می شود و با آن می چرخد و به دنبال آن مجموعه ای از پره های استاتیک نیز می چرخد. تیغه ها در مرحله اول هوا را به داخل می کشند و فشار و سرعت آنرا افزایش می دهند. این هوا سپس از داخل پره های استاتیکی عبور می کند که با شکل آنها افزایش سرعت را به افزایش فشار تبدیل می کند. هوا سپس به مرحله بعدی وارد می شود که فشرده سازی بیشتری اتفاق می افتد و همین طور ادامه می یابد تا هوا با فشار لازم از مرحله نهایی خارج شود. فشرده سازی همچنین دمای هوا را افزایش می دهد به نحوی که هوا خارج شده از کمپرسور گرم تر از هوایی است که وارد آن می شود. قسمت کمپرسور توربین گازی همچنین شامل پره های راهنمای ورودی است تا اطمینان حاصل شود که هوا در بهترین زاویه به مرحله اول کشیده می شود. سرانجام پره های راهنمای خروجی نیز وجود دارند که هوا را به داخل محفظه احتراق هدایت می کنند.
بازده کمپرسور به طور معمول حدود 87 درصد است. بازده کلی بوسیله نرمی شارش هوا داخل کمپرسور تعیین می شود و بیشتر تلاش طراحی در این است که این اطمینان حاصل شود که تا حد امکان هموار باشد. تیغه ها و پره ها به طور کلی به شکل اروفویل هستند تا جریان روان را حفظ کرده و از تلاطم جلوگیری کنند. همچنین با افزایش فشار از مرحله به مرحله دیگر در امتداد کمپرسور، جلوگیری از هر گونه عقب گرد جریان هوا نیز مهم است. به منظور دستیابی به این هدف فاصله بین نوک تیغه های چرخان و پوشش در حداقل خود حفظ می شود و پره های استاتیک دارای آب بند هستند تا از نشت به عقب جلوگیری کنند.
شکل دقیق و زاویه تیغه ها و پره های استاتیک بستگی به سرعت چرخشی کمپرسور دارد زیرا نیاز است تا دستگاه در سرعت طراحی شده خود کار کند تا به بالاترین بازده برسد.
محفظه های احتراق
محفظه احتراق یک توربین گازی جایی است که انرژی هدایت کننده کل سیستم از آن ناشی می شود. محفظه احتراق شامل یک استوانه است که یک استوانه کوچک تر دوم بنام خطی داخل آن قرار گرفته است. یک ترکیب هوا و سوخت به دهانه استوانه کوچکتر وارد می شود و ممکن است هوای اضافی از اطراف آن بین استوانه دوم و استوانه بیرونی عبور کند تا استوانه داخلی خنک شود. این هوا سپس از طریق سوراخ ها و شکاف هایی در امتداد استوانه داخلی وارد می شود.
در بیشتر محفظه های احتراق توربین گازی پیشرفته، هوا با سوخت قبل از اینکه بوسیله مجموعه ای از نازل ها به محفظه احتراق تزریق شود، ترکیب می شود. شکل و جهت نازل ها و سرپیچ ها در محفظه احتراق به دقت طراحی شده اند تا هم مخلوط شدن و هم شعله ور شدن در داخل محفظه احتراق را تضمین کنند. ترکیب هوا سوخت در ناحیه احتراق ترکیب شده و مشتعل می شوند که انرژی به صورت گرما آزاد می کند. دما در ناحیه احتراق می تواند به بیش از 1900 درجه سانتی گراد برسد که بسیار بیشتر از مقاومت خیلی از مواد است. برای کنترل این موضوع، ممکن است از هوای کمپرسور برای خنک کردن دیواره های استوانه داخلی محفظه احتراق استفاده شود. هچنین گازهای احتراق بسیار داغ را رقیق می کند تا دمای آنها کاهش یابد.
همچنین برای کنترل تولید NOx در طی فرآیند احتراق، افزودن هوا به محفظه احتراق نیز به دقت مدیریت می شود. دمای بالا در ناحیه احتراق منجر به تولید اکسیدهای نیتروژن از واکنش بین اکسیژن و نیتروژن از هوا می شود. این موضوع می تواند بوسیله حفظ شرایط کاهشی کنترل شود. با کم نگه داشتن میزان اکسیژن در مقایسه با مقدار مورد نیاز برای سوزاندن تمام سوخت، می توان تولید NOx را به حداقل رساند. با استفاده از این نوع از احتراق مرحله ای، هوای بیشتری به مراحل بعدی ناحیه احتراق وارد می شود تا واکنش احتراق ادامه یابد. با این حال بسیاری از فرآیندهای احتراق پیشرفته قبل از ورود ترکیب به محفظه احتراق، به اختلاط دقیق سوخت و هوا در نسبت استوکیومتری متکی هستند تا تولید NOx تحت کنترل باشد.
بعد از اینکه فرآیند احتراق کامل شد، گازهای گرم به مرحله نهایی محفظه احتراق وارد می شود که قسمت انتقال نامیده می شود. این یک مجرا همگراست که فشار استاتیک را به فشار دینامیکی تبدیل می کند و سرعت گازهای گرم را قبل از تحویل آنها به قست توربین افزایش می دهد.
نوع و تعداد محفظه های احتراق در توربین گازی از یک سازنده به سازنده دیگر و از یک نوع توربین به نوع دیگر متغیر است. تعداد زیادی از طراحی های توربین از مجموعه ای از محفظه های احتراق حلقوی استفاده می کند که محور توربین را بین کمپرسور و توربین احاطه کرده اند. دیگران هوا را از کمپرسور خارج از بدنه توربین به یک یا چند محفظه احتراق می برند و سپس گازها را به توربین بر می گردانند.
حداقل یک تولیدکننده توربین های گازی صنعتی سنگین از چندین مجموعه توربین و محفظه های احتراق استفاده می کند. طراحی بخش توربین به دو قسمت تقسیم می کند. هوای گرم از مجموعه اول محفظه های احتراق وارد اولین قسمت توربین می شود که در آن انرژی توسط پره های توربین استخراج می شود، سپس هوا وارد مجموعه دوم محفظه های احتراق می شود که در آن سوخت بیشتری می سوزد و قبل از اینکه به قسمت توربین دوم وارد شود، انرژی بیشتری به آن اضافه می شود. این نوع از طراحی یک توربین با قابلیت گرم شوندگی مجدد نامیده می شود که اغلب در توربین های بخاری بزرگ برای تولید توان استفاده می شود اما در توربین های گازی خیلی کمتر معمول است.
توربین ها
قسمت نهایی توربین گازی، قسمت توربین آن می باشد. این جایی است که در آن انرژی حاصل از سوخت به شکلی از انرژی مکانیکی تبدیل می شود و با چرخش محور توربین یک گشتاور تولید می شود. همه توربین های گازی به جز برای بعضی از ماشین های بسیار کوچک از قسمت های توربین گردش محوری استفاده می کند. همانند کمپرسور، توربین گردش محوری از مراحل مختلفی تشکیل خواهد شد که هر مرحله شامل مجموعه ای از پره های ثابت است که معمولاً نازل نامیده می شود و مجموعه ای از تیغه های چرخان دارد که به محور توربین متصل می شوند.
دو نوع اصلی از طراحی توربین / تیغه وجود دارد که می تواند برای یک توربین گازی بکار رود و بر روی آن اعمال شود و هر یک با روش استخراج انرژی از یک سیال تعریف می شود. این دو نوع توربین واکنشی و توربین ضربه ای نامیده می شوند.
یک روش برای درک اختلاف بین این دو این است که توربین های واکنشی فشار استاتیک را در یک سیال استخراج می کنند در حالیکه توربین های ضربه ای فشار دینامیکی را استخراج می کنند. این به معنی این است که زمانی که یک سیال از داخل یک توربین واکنشی عبور می کند، فشار استاتیک افت می کند اما سرعت سیالی که فشار دینامیکی را تعریف می کند، نسبتاً ثابت باقی می ماند. در نقطه متقابل زمانی که یک سیال از مرحله توربین ضربه ای عبور می کند، سرعت افت می کند در حالیکه فشار استاتیک ثابت باقی می ماند. مراحل یک توربین گازی محوری پیشرفته، به طور معمول این دو را با هم ترکیب می کند که بخشی از انرژی خود را از فشار استاتیک و بخشی را از فشار دینامیک استخراج می کند. معمول است که مراحل اول عمدتاً از نوع ضربه ای هستند در حالیکه مراحل آخر بیشتر از نوع واکنشی هستند. با این حال همه مراحل معمولاً از هر دو بهره می برند.
ترتیب پره های ثابت و تیغه های چرخان در توربین برعکس کمپرسور است. گاز فشار بالا و دما بالا از احتراق، ابتدا ب پره های یک مرحله را برخورد کرده و سپس به سمت تیغه های آن هدایت می شود. پره ها مجاری همگرا را تشکیل می دهند که فشار استاتیک را به فشار دینامیکی تبدیل می کنند و سرعت هوای عبوری از خود را افزایش می دهند. این فشار دینامیکی سپس برای به گردش در آوردن تیغه های چرخان استفاده می شود. همانند کمپرسور، هر دوی پره ها و تیغه ها به شکل اروفویل هستند تا جریان روان هوا را از طریق توربین کامل تضمین کنند. هر مرحله بخشی از انرژی موجود در هوا را استخراج می کند.
در یک توربین گازی ساده، کمپرسور و تیغه های توربین همه روی یک محور هستند. به هر حال آرایش های پیچیده دیگری نیز وجود دارد. در بعضی ماشین ها دو نوع محور متمرکزالمرکز وجود دارد. یکی از آنها تیغه های کمپرسور و یکی یا دو مرحله از تیغه های توربین را حمل می کند. مراحل بعدی توربین به محور دوم متصل می شود که ژنراتور را به سمت تولید نیروی الکتریکی سوق می دهد. در بعضی از توربین های گازی هوانوردی این کار هنوز بیشتر انجام می شود و مراحل کمپرسور نیز تقسیم می شوند. سپس پره های کمپرسور فشار کم بر روی همان محور همانند مراحل توربین فشار پایین (یا متوسط) سوار می شوند در حالیکه مراحل کمپرسور فشار بالا در همان محور همانند مراحل توربین فشار بالا قرار می گیرند.
بازده یک توربین گازی بستگی به افت دمایی در دو سر مرحله دارد. برای بدست آوردن بازده بالا، دمای درونی مرحله توربین باید بسیار بالا باشد. در بعضی توربین های گازی پیشرفته، دمای درونی می تواند به 1600 درجه سانتی گراد برسد. برای طراحی اجزای توربین که بتوانند این دما را تحمل کنند، به مواد و تکنیک های طراحی بسیار ویژه ای نیاز است.
بازده یک توربین گازی نه فقط به دمای گاز درونی بلکه به دمای گاز زمانی که مرحله آخر را ترک می کند، وابسته است. گاز خروجی از توربین سیکل ساده، که در تنظیمات چرخه ترکیبی نیست، برای دستیابی به حداکثر کارایی باید تا حد امکان خنک شود. به هر حال در یک نیروگاه سیکل ترکیبی، قسمتی از انرژی در یک ژنراتور بخار به تسخیر در می آید که از گرمای تلف شده در خروجی توربین استفاده می کند. دمای گازی که از توربین به بیرون می آید، در این نوع از نیروگاه بسیار بیشتر خواهد بود. دما در خروجی یک توربین گازی هوانوردی با بهره وری بالا احتمالاً در رنج 400 تا 500 درجه سانتی گراد خواهد بود. در حالیکه این نسبتاً بالا است هنوز بازده تا 46 درصد را برای بهترین ماشین ها بدست می دهد. دیگر توربین های صنعتی کوچک دارای بازده هایی تا 42 درصد هستند. به طور معکوس توربین های گازی صنعتی بزرگ طراحی شده برای عملکرد سیکل ترکیب شده ممکن است دارای دماهای گاز خروجی بالای 600 درجه سانتی گراد باشند. بازده ها ممکن است تا 28 درصد پایین باشد اما به طور معمول تا 42 درصد می باشد.
———————————————————————————————————————————————————-