PDA

مشاهده نسخه کامل : بحث تاپیک توربین گاز



ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:12
تاپیک توربین گاز

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:14
توربینهاي تکمحوره
نحوه کار یکتوربین گازي به این صورت است که ابتدا هواي تازه از طریق کانال ورودي ، واردتوربین
شده و سپسهواي ورودي به کمکیککمپرسور محوري فشرده می شود. پساز آن به هواي فشرده
شده،سوختگاز تزریق گردیده و می سوزدو طی این فرآیند، سطح انرژي آن افزایشمی یابد
expansion turbine . سپسسوختمحترق شده که دما و فشار بالایی داردبه یکتوربین انبساطی یا
هدایتمی شود و درآنجا انرژي گاز به انرژي مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخشمحور توربین می
گردد.
تبادل انرژي در توربین واقع در دو مرحله اتفاق می افتد. در نازل ورودي توربین ،گاز داغ ، منبسط می شود
و بخشی از انرژي حرارتی آن به انرژي جنبشی تبدیل می شود. سپسدر قسمتپره هاي توربین، انرژي
جنبشی به پره هاي در حال چرخشمنتقل شده و به کار تبدیل می شود. بطور معمول بیشاز 50 % کاري
که توسط توربین تولید می شود ، صرفچرخاندن کمپرسور محوري می گردد.
توربین گازي ماشینی استکه با هواي محیط کار می کند ، در نتیجه با تغییر عوامل موثر بر شدت جریان
جرمی هواي ورودي ،عملکرد توربین نیز تغییر می کند. لذا در طراحی ،شرایط مرجع براي متغییرهاي توربین
14.7 و دماي 59 درجه فارنهایتدر نظر گرفته می شود. psi ، فشار
طبق پارامترهاي مربوطه به راندمان توربین ، دماي محیط ، روي شدت جریان هواي ورودي تاثیر گذاشته و
در نتیجه پارامترهاي مختلفتوربین و بازده آنها از جمله توان خروجی ، مصرفانرژي حرارتی ، جریان
خروجی از اگزوز و شدت انتقال حرارت را تحتتاثیر قرار می دهد.
در صورتیکه از سوختی با ارزش حرارتی کمتر استفاده شود بدلیل افزایشمصرفسوختو هوا ،میزان
شدت جریان جرمی توربین افزایشمی یابددر نتیجه احتمال نزدیکشدن نسبت تراکم کمپرسور محوري به
محدوده سرج زیاد میشود . این بدان معناستکه براي کار کردن توربین ، حجم زیادي سوختنیاز است.
در نتیجه افزایشحجم سوختباعثمی شود فشار خروجی کمپرسور به عقبرانده شودو نهایتا در
کمپرسور، یکجریان برگشتی ایجاد شود.
روتور کمپرسور با قرار گرفتن دیسکها بصورت عمودي پیکربندي می شود.ابتدا قطعه جلویی محور یا
در جاي خود قرار می گیرند . tie bolt و دیسکاول بوسیله میله هاي رابط یا forward stub shaft
سپسدیسکها ي دیگر نیز در میان میله هاي رابط بصورتعمودي روي هم قرار می گیرند.در توربین مدل
رتور آن داراي هفده دیسکمی باشد.پساز آنکه آخرین دیسکو قطعه انتهایی محور یا MS7000BS
نصبگردید ، قسمتانتهایی میله هاي رابط نیز بسته میشود. aft stub shaft
پساز آنکه قسمتهاي مختلفروتورسوار شد،روتور تحتسرعت کم بالانسمیشود تا اطمینان حاصل شود
آن در حد استانداردهاي طراحی قرار دارد. vibration که سطح
radial locking جهتنصبپره هاي مرحله اول دیسکتوربین ، اولین اقدام ، جا زدن پین شعاعی یا
در حفره آن میباشد. اولین پره در جهتخلافعقربه هاي ساعتدر شکافخود قرار گرفته و بوسیله pin
شکل ، در جاي خود نگه داشته میشود . بقیه پره ها هم به همین ترتیبو در جهتخلافعقربه D یکپین
هاي ساعت ، دور دیسکنصبمیشوند.آخرین پره نیز در شکافمربوطه قرار میگیرد و نهایتا پین افقی یا
در حفره مربوطه قرار میگیرد.پین افقی به انتهاي پین شعاعی فشار آورده و آنرا به بالا axial locking pin
میراند و در نتیجه آخرین پره نیز در جاي خود ثابتمیشود . حال کلیه پره ها روي دیسکتوربین قفل شده
اند .
در جاي خود twist lock قبل از اینکه پره هاي مرحله دوم و سوم نصبشوند ابتدا پیچهاي قفل کننده یا
قرار میگیرند. سپسمجموعه پره ها بصورت یکرینگ 360 درجه در کنار هم نصبمیشوند . رینگبه
twist آرامی روي دیسک نصبگردیده و شیارها درون هم قرار میگیرند. پساز نصبآنها پیچهاي
می چرخند تا آنها را در جاي خود قفل کنند . پساز نصببدنه توربین ، مجموعه سیستم احتراق lock
نصبمیشود . سپسسیستم هواي خنککاري بدنه توربین و لوله هاي مربوطه نصبمیشود . به منظور
تسهیل در عمل خنککاري ، هوا از طریق دمنده هاي اصلی به بدنه توربین و بدنه اگزاستدمیده میشود.
سپسدیواره اطاقکهواي ورودي نصبمیشود. و پساز آن دیواره اگزاستدر جاي خود قرار می گیرد.
نصبمیشوند . این رینگها از نشتگازهاي اگزاستبه محدوده اطاقکتوربین flex seal سپسرینگهاي
هاي bleed valve که ممکن استبر اثر تغییرات انبساطی ایجاد شود ، جلوگیري میکنند. در مرحله آخر
کمپرسور نصبمیشوند. این ولوها در هنگام استارت و توقفتوربین به منظور محافظتکمپرسور محوري
در برابر سرج میباشد.
نصبمیشود. یاتاقانهاي شماره دو و سه و محفظه هاي مربوطه inlet casing یاتاقان شماره یکدر محل
، در جاي خود قرار میگیرند. ابتدا نیمه پایینی آنها و سپسنیمه بالایی آنها نصبمیشود. سپسقسمتهاي
و محفظه casing به منظور همتراز شدن با یاتاقانها نصبمیشوند.سپسنیمه هاي بالایی casing مختلف
یاتاقانها برداشته میشود و قطعات نشتبندي و دفلکتورهاي روغن نصبمیشوند. مرحله آخر ، نصبروتور ،
میباشد. casing نصبنیمه هاي بالایی محفظه یاتاقانها ، و نیمه هاي بالایی
براي سوار کردن نازل مرحله اول ، ابتدا تیغه هاي نازل بر روي رینگهاي نگهدارنده نصبمیشود. سپس
براي تنظیم alignment ها به منظور به حداقل رساندن نشتگاز نصبمیگردند. پساز آن پینهاي seal
شعاعی قطعاتدرون رینگنصبمیشوند.
در جاي خود نصب core plug براي سوار کردن نازل مرحله دوم ، ابتدا هسته هاي خنککننده نازل یا
میشوند این هسته ها به منظور کاهشدماي حلقه هاي نازل بکار میروند. سپسدیافراگم نصبمیشود و یک
پین به منظور همتراز شدن دیافراگم با نازل نصبمیشود. سپستیوبهاي خنککننده دیسکو قطعات
مربوط به آنها روي دیافراگم نصبمیشوند. نازل مرحله سوم شبیه نازل مرحله دوم میباشد ولی بوسیله جریان
هوا خنکنمیشود.بنابراین فاقد تیوبهاي خنککننده و قطعات جانبی آن می باشد.
شروع میشودکه درانتهاي نازل مرحله اول ، transition piece سوار کردن سیستم احتراق توربین با نصب
توسط پیچ بسته میشود و بوسیله یکبستنگهدارنده در قسمتزیرین آن محکم میشود. سپس
در داخل flow sleeve پیچ میشود.حال combustion wrapper به combustion casing
بتواند liner نصبمیشوند و به داخل فشار داده میشوند تا crass fire قرار میگیرد وبعدتیوبهاي casing
جاي liner در محلهاي خود روي crass fire تیوبهاي liner در جاي خود نصبشود . پساز نصب
combustion را در جاي خود ثابتمیکنند. سپس crass fire میگیرند. گیره هاي نگهدارنده ، تیوبهاي
پیچ میشود . وبعد نازل سوختروي آن قرار میگیرد. combustion casing به انتهاي can cover
شمعهاي جرقه زن و سنسورهاي شعله یابنیز روي محفظه احتراق مربوطه در محل مخصوصخود نصب
میشوند.
براي دسترسی به قسمتهاي داخلی توربین برداشته میشوند. همه casing همانطور که میدانید نیمه هاي بالایی
به ترتیبی که مشاهده میکنید برداشته میشوند. ابتدا casing پیچهاي افقی و عمودي باز میشوند و نیمه هاي
اگزاست، و سرانجام casing ورودي ، بعد casing کمپرسور ، بعد casing بعد ، turbine shell
خروجی کمپرسور . casing
براي یکآنالیز مکانیکی ، باید گفت که شیرهاي یکطرفه در سیستم مکانیکی مانند دیودها در سیستم
الکتریکی عمل میکنند. در این آنالیز یکمنیفولد اصلی وجود داردکه فشار آن بوسیله یکتانکتغذیه
تنظیم میشود.بعنوان مثال فشار C و B ، A ثابتنگهداشته میشود. فشار منیفولد اصلی بوسیله شیرهاي یکطرفه
باشد در اینصورتشیر psi در نظر بگیرید. اگر فشار در نقاط 2و 3و 4 بیشتر از 20 psi در نقطه 1 را 20
کاهشیابد ولی psi یکطرفه بسته و کنترلی روي منیفولد اصلی انجام نمی گیرد. اگر فشار در نقطه 2 به 18
افت psi بماند ، در اینصورتفشار در منیفولد اصلی به 18 psi فشار در نقاط 3و 4 در همان مقدار فبلی 20
کنترل کننده خواهد بود.در صورتیکه شرایط عملیاتی تغییرکند ، فشار مورد نیاز سیستم A میکند و سیستم
شود ، فشار psi افتکند ، بعنوان مثال 17 psi در نقاط 3و 4 تغییر میکند. اگر فشار در نقطه 3 به زیر 18
و باز شدن شیر C و A افتپیدا میکندواین باعثبسته شدن شیرهاي یکطرفه psi منیفولد اصلی به 17
کنترل کننده خواهد بود. B میشود . بنابر این در این وضعیتسیستم B یکطرفه
سیستم کنترلی مربوط به مراحل استارت ، میزان افزایشسوخترا به چند منظور کنترل میکند :
بمنظور ایجاد شعله در محفظه هاي احتراق.
بمنظور کنترل میزان شتاب.
بمنظور کنترل تغییراتدما.
شتاب روتور توربین باید کنترل شود تا میزان نیروهاي وارد شده به روتور از حد مجاز تجاوز نکند. تجاوز
کردن این نیروها از حد مجاز میتواند خسارتهاي جدي و سنگینی به روتور توربین وارد سازد.در طول مراحل
استارت ، میزان فلوي هوا کم است. اگر در این شرایط به محفظه هاي احتراق ، سوختزیادي تزریق شود ،
در اینصورت هواي کافی وجود نخواهد داشت. بنابر این دما به طرز خطرناکی بالا خواهد رفتو به بخش
داخلی صدمه خواهد زد. همچنین نوسانات زیاد دما میتواند عمر قطعاتداخلی را کاهشدهد. زیرا در این
بخش، فلزات مختلفبا سرعتهاي انتقال حرارت متفاوت وجود دارد .بنابراین سرعتدما ، بایستی به حدود
5 درجه فارنهایتبر ثانیه محدود شود.
الکترونیکی نشان داده میشود.سیگنال سرعتتوربین از over speed در این سیستم ، عملکرد حفاظت
over ارسال میشود. سپساین سیگنال با یک مقدار magnetic pickup طریق سنسورهاي مغناطیسی یا
برسد ، سیگنال set point مقایسه میشود. وقتی که سیگنال سرعتنوربین به مقدار speed set point
ارسال شده و توربین را متوقفنموده master protective به مدار حفاظتاصلی یا over speed trip
ظاهر میگردد. electronic over speed وپیغام
psi میباشد. این ولتاژ متناسببا فشار سوختبر حسب DC سیستم ارسال کننده سوختداراي یکولتاژ
یک gas control valve و stop ratio valve بین p میباشد. این ارسال کننده جهتتنظیم فشار 2
به سیستم کنترل ارسال میکند. سولنویید مربوط به تخلیه سوخت، هنگامی که غیر فعال feedback سیگنال
را به اتمسفر تخلیه میکند. این سولنویید gas contol valve و stop ratio valve میشود ، فشارگاز بین
هنگام کار توربین فعال استو در حالتبسته قرار دارد.هنگامیکه توربین متوقفمیشود ، این سولنویید باز
میشود و گاز حبسشده بین دو کنترل ولو سوخترا به منظور بالا بردن ایمنی ، تخلیه میکند.
توربینهاي دو محوره
در توربین گازي دو محوره ، هواي محیط توسط یککمپرسور مکیده شده و فشار آن افزایشمی یابد. هواي فشرده
شده در محفظه احتراق با گاز مخلوط شده و شعله ور می شود و سطح انرزي آن افزایشمی یابد.
انرژي حاصل از گاز داغ به پره هاي توربین فشار قوي برخورد کرده که قسمتی از انرژي آن آزاد شده و به انرژي
مکانیکی تبدیل شده و کمپرسور محوري را به حرکتدر می آورد. انرژي آزاد شده ، به پره هاي توربین فشار ضعیف
نیز برخورد کرده و باعث چرخشآن و همچنین چرخشکمپرسور گازمی شود. سرانجام گازهاي سوخته شده ، با
فشار و حرارت پایین ، به اتمسفر رها می شود.
به منظور آشنایی بهتر با سیکل ساده توربین گازي ، ابتدا چهار مرحله سیکل کار موتورهاي رفتوبرگشتی را بررسی
می کنیم. در یکموتور چهار زمانه ، قدرت خروجی موتور بصورتمتقاطع می باشد. زیرا در مرحله تخلیه ، فشار
گازهاي محترق شده کاهشمی یابد و در این مرحله افتفشار بوجود می آید.
در مرحله مکش، فشار منفی در سیلندر ایجاد می شود و باعثمی شود هوا از بیرون به درون سیلندر جریان یابد. در
مرحله تراکم ، هوا فشرده و فشار به مرور افزایشمی یابد. در قسمتبالایی سیلندر ، فشار زیاد استو در جه حرارت
هوا در طی مرحله تراکم افزایشمییابد. اکنون سوختتزریق شده و مخلوط هوا و گاز محترق می شود. در مرحله
احتراق ، فشار محصولات احتراق به شدت افزایشیافته و نیروي آن به محور منتقل می شود.
در مرحله تخلیه ، فشار کاهشمی یابد. اما هنوز از فشار محیط بالاتر است. فشار بالا و حرکتپیستون بطرفبالا
موجبمی شود ، گازهاي محترق شده به بیرون رانده شوند.
در سیکل ساده توربین گازي ، مرحله احتراق و تخلیه داراي یکفشار ثابتبوده و در مقایسه باموتورهاي چهار زمانه
که مراحل آن بصورت متقاطع بود ، مراحل سیکل توربین بصورت پیوسته میباشد. این بدین معناستکه فشار در
ورودي هر بخشاز توربین گازي در کمپرسور ، در محفظه احتراق و در توربین ثابتمی باشد.
در دیاگرام سیکل ساده توربین گازي که مشاهده می کنید ، در ناحیه 1، هوا وارد کمپرسور محوري شده و فشرده می
شود. هواي فشرده شده از کمپرسور خارج شده و به ناحیه 2 وارد شده و در محفظه احتراق با سوختمخلوط می
شود. گازهاي محترق شده در ناحیه 3 وارد توربین شده و با عبور از میان توربین ، باعثایجاد حرکتمکانیکی در
محور می شوند. سپسگازهاي سوخته شده به ناحیه 4 وارد شده و از طریق اگزوز به اتمسفر رها می شوند.
بنابراین تفاوت اصلی بین سیکل موتورهاي چهار زمانه و سیکل ساده توربین گازي این استکه در
توربین ، توان خروجی بصورت پیوسته ایجاد می شود ولی در موتورهاي جهار زمانه بصورتمتقاطع میباشد. این بدان
معناست که در طول کار توربین ، قدرت خروجی بطور پیوسته وجود دارد ولی در موتورهاي چهار زمانهفقدرت
خروجی فقط در مرحله تراکم ایجاد می شود.
در هر توربین ، تبادل انرژي در دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا در نازلهاي ورودي ، گاز داغ منبسط می شود وبخشی از
انرژي حرارتی آن به انرژي جنبشی تبدیل میشود واین انرژي جنبشی به پره هاي توربین منتقل شده و به کار تبدیل می
شود.
نازلهاي متغیر وظیفه تقسیم انرژي را بین توربین فشار قوي و توربین فشار ضعیفبر عهده دارند.
باز شدن نازلهاي متغیر ،باعث کاهشفشار برگشتی در توربین فشار قوي می شود و در نتیجه افتفشار در توربین فشار
قوي باعثایجاد افتتوان و همجنین کاهشسرعتتوربین فشار ضعیفمی گردد.
، cap کلاهکیا ، spark plug ، شمع جرقه زن ، cover ، اجزاي اصلی محفظه احتراق عبارتنداز : نازل سوخت
و پوسته بیرونی. liner مجموعه
چهار کاربرد اصلی هواي خروجی از کمپرسور عبارتند از:
که عبارتستاز هواي اولیه اي که براي ایجاد نسبتمناسبسوختو هوا combustion air - هواي احتراق یا
بکار می رود.
که براي سرد کردن و پایدار نمودن شعله استفاده می شود. secondary air - هواي ثانویه یا
که جهتایجاد یکلایه خنککاري مداوم بین سطوح خارجی و داخلی cooling air - هواي خنککاري یا
استفاده می شود. liner
که در ناحیه ابتداي شعله به پایین جریان می یابد تا دماي گاز را کاهشداده و dilution air - هواي رقیق کننده یا
عمر مفید قسمتهایی راکه گاز داغ از آنها عبور میکند ، افزایشدهد.
عبور liner خروجی و cassing مراحل احتراق بدین صورت است که : هواي خروجی از کمپرسور از بین ناحیه
پاشیده می شود و با هواي خروجی از liner cap وارد می شود. سوختنیز به درون liner cap کرده وبه
بر مخلوط هوا و سوختجرقه زده می شود. spark plug کمپرسور مخلوط می شود.حال توسط شمع جرقه زن یا
پساز آن گازهاي حاصل از احتراق که دماي بالایی داشته و به سرعتمنبسط می شوند به نازلهاي مرحله اول واقع در
توربین فشار قوي هدایت می شوند. پساز جرقه ، تا زمانی که هوا و سوختکافی موجود باشد ، عمل suction
احتراق ، خود بخودادامه می یابد. توربین گازي ماشینی است که باهواي محیط کار می کند . بنابراین عملکرد آن با
تغییر ویژگیهایی که بر شدت جریان هواي ورودي به کمپرسور تاثیر می گذارد تغییر می کند.مانند تغییر دما ، فشار
محیط و رطوبت.
تاثیر می گذارد. این تاثیر air flow و heat rate ، out put دماي هواي ورودي به کمپرسور به سه فا کتور
گذاري را در شکل می بینید.
heat در این شکل می توانید چگونگی تاثیر دماي ورودي کمپر سور را که در اینجا 20 درجه فارنهایتمیباشد ، بر
ملاحظه نمایید . out put و air flow ، rate
در این نمودار تاثیر ارتفاع از سطح دریا و فشار محیط روي عملکرد توربین گازي نشان داده می شود.
متناسببا آن می شود . در این مورد ، شدت انتقال حرارت out put کاهشدانسیته هوا باعثکاهشفلوي جرمی و
تحتتاثیر قرار نمی گیرد. heat rate یا
بعنوان مثال توربینی را در نظر بگیرید که در ارتفاع 300 فوت از سطح دریا نصبشده استودراین شرایط فشار
0 / 13 است. میزان ضریب تصحیح براي توان خروجی و مصرفسوختحدودا 91 / 2 psi اتمسفر آن تقریبا
خواهد بود. اگر یکتوربین گازي که توان آن در سطح دریا 100 مگا وات استدر این ارتفاع نصبشود ، توان
0 یعنی معادل 91 مگاوات خواهد بود. / خروجی مورد انتظار ، برابر حاصلضرب 100 مگاواتدر 91
می باشد. دیسکهاي مربوط به کمپرسور و spin test مرحله اول در جمع کردن روتور فشارقوي ، تستچرخشی یا
توربین فشار قوي ، تست چرخشی می شوند. سپسپره هاي کمپرسور روي دیسکو در شیار مر بوطه نصبمی
شوند. پره ها در روي دیسک، ثابتو محکم می شوند. سپسمجموعه دیسکروي یکمیز چرخان قرار می گیرد و
یکدستگاه ماسه پاش ، نوكپره ها را بر اساساندازه هاي مربوطه که در مداركمشخصاتفنی آنها درج گردیده
است،سیقل میدهد. حال مهره هاي قفل کننده ، درون شیارهاي مربوطه در جلوي محور قرار می گیرند ومیله هاي رابط
ها از قسمتبالا درون مهره ها پیچ می شوند. سپسمجموعه قسمتجلوي محور ، همراه میله هاي قفسه tiebolt یا
اي که روي آن بسته شده اند ، بصورتقائم قرار می گیرند. حال دیسکشماره 1 کمپرسور ، از بالا درون میله ها قرار
و پساز آن دیسکشماره 2 در جاي خود قرار می گیرد. این spacer می گیرد. سپسیکدیسکجدا کننده یا
در جاي خود نصبشوند ادامه می یابد. پساز قرارگیري Spacer کار تا وقتی که 6 دیسککمپرسور به همراه 5
روي میله هاي رابط قرار گرفته و پیچهاي مربوطه محکم aft stub shaft آخرین دیسک، قسمتانتهایی محور یا
می شوند. درپوشها درون شکافها قرار می گیرند تا از ورود ذراتبه داخل شکافها در حین کار توربین جلوگیري
شکل قرار می گیرد. پره هاي مرحله اول کمپرسور V کنند. پساز آن روتور فشار قوي بصورت افقی روي پایه هاي
در داخل شکافهاي شعاعی واقع در قسمتجلویی محور قرار گرفته و در جاي خود محکم می شوند. پره هاي
مرحله 11 ،10 ، 9 ، 8 کمپرسور ، در داخل شکافهاي شعاعی واقع در انتهاي محور قرار گرفته و در جاي خود محکم
می شوند. محل قرارگیري یاتاقان ژورنال و نشتبندیهاروي محور، ماشینکاري شده و نهایتا بر اساسمشخصاتی که در
نقشه نشان داده شده ، بازرسی می شوند.
قبل از نصبدیسکهاي توربین ، هر دو دیسکپیشگرم می شوند. سپسمیله هاي رابط به انتهاي محور پیچ می شوند و
دیسکمرحله اول توربین بصورت گرم و دیسکجدا کننده بصورتسرد وپساز آن مجددا دیسکمرحله دوم
بصورت گرم سوار می شود. و نهایتا یکرینگقفل کننده روي آنها نصبمی شود. سرد شدن مر حله به مرحله
دیسکهاي توربین ، باعثکاهشفاصله هاي احتمالی بین فلنج هاي انتهاي روتور و دیسکمرحله اول توربین و
همچنین فاصله بین دیسکهاي توربین و دیسکهاي جداکنننده می شود. اکنون پره ها درون شیارهاي مربوطه و روي هر
یکاز دیسکها نصبمی شوند پساز نصب پره ها ، پین هاي قفل کننده در محل خود قرار می گیرند تا پره ها و
دیسکهاي مربوطه را محکم به هم جفتکنند. هریکاز پین ها داراي یکزائده می باشد که باید با فشار مناسب،
خم شده ، تا از اتصال پین ها به پره ها اطمینان حاصل شود.
مجموعه روتور بالانسمی شود. وزنه هاي بالانسدر شیارهاي مربوطه ، HP پساز تکمیل مراحل نصب پره ها ي
به میزان استانداردکاهشمی یابد. vibration قرار گرفته اند که با تنظیم آنها میزان
کمپرسورهاي گریز از مرکز
از سال 1960 طراحی و ساختانواع کمپرسورهاي گریز از مرکز را آغاز نمود و توانستدر Nuovo pignone شرکت
طراحی این نوع کمپرسور خود را پیشتاز نموده و در سطح بین المللی مطرح گردد.
بمنظور آشنایی بهتر باانواع مختلفکمپرسورهاي گریز از مرکز ،در این بخشبه اختصار طرز کار این نوع کمپرسورها ارائه
می گردد.
فشار سیال عبوري از یککمپرسور گریز از مرکز ،توسط انرژي حاصل از چرخشپره هاي نصبشده روي کمپرسور
افزایشمییابد.
این نوع کمپرسور از یکپوسته تشکیل شده که درون آن دیافراگمها و روتور قرار دارند.
گاز از طریق نازل ورودي مکیده شده و پساز عبور از میان ایمپلرها و دیافراگم ، بطرفنازلهاي خروجی در قسمتانتهایی
محور کمپرسور هدایتمی شود.
قسمتهاي اصلی یککمپرسور گریز از مرکز شامل دو بخشثابتو متحركمی باشد.
بخشثابت کمپرسور شامل قسمتهایبدنه اصلی کمپرسور ، نازلهاي ورودي و خروجی گاز ،دریچه هاي ورودي و خروجی ،
مجموعه تجهیزات میانی دیافراگمها ، سیستمهاي نشتبندي دو طرف ابتدا وانتهاي محورویاتاقانهاي ژورنال و تراستمی
باشد.
حلقه تراستو ،seal sleeve ، ها spacer، بخشمتحركکمپرسور. شامل قسمتهاي : ایمپلرها ، محور ، بالانسدرام
رینگهاي قفل کننده می باشد.
میشود. inlet volute جریان گاز از میان نازلهاي ورودي عبور کرده و وارد دریچه ورودي یا
Inlet عمل توزیع یکنواختجریان گاز و هدایتآن به سمتچشم ایمپلررا بعهده دارد.در داخل Inlet volute
volute نصبگردیده که آشفتگی جریان گاز را کاهشداده و از چرخشگاز درون fin یکزائده بنام volute
یا انتهاي شعایی پروانه خارج tip به سمتچشم ایمپلر هدایتمیشود و ازقسمت Inlet volute جلوگیري میکند.گاز از
می گردد. ایمپلر شامل تیغه هایی است که انرژي مکانیکی محور کمپرسور را به گاز منتقل می کند. انرژي گاز به سه عامل
دما ، فشار و سرعتبستگی دارد. پساز خروج گاز از ایمپلر ، سرعتآن افزایشیافته و به قسمتهاي ثابتکمپرسورکه
دیفیوزر نام دارد جریان می یابد. قسمتی از سرعت گاز در دیفیوزرکاهشمی یابد. در انتهاي دیفیوزر یککانال برگشتی
discharge volute وجود دارد که گاز را به چشم ایمپلر بعدي هدایتمی کند. گاز پساز خروج از آخرین دیفیوزر به
Fin داراي زائده اي بنام Inlet volute نیز مانند discharge volute. و سپسبه نازل خروجی هدایتمی شود
جلوگیري میکندافزایشانرژي گاز volute میباشد. این زائده آشفتگی جریان گاز را کاهشداده و از چرخشگاز درون
باتوجه به سه ویژگی فشار ، دما و سرعتتعریفمی شود. این سه ویژگی ، تعیین کننده کمیتی بنام انتالپی هستند. انتالپی
کمیتی استکه فقط به وضعیتجریان گاز و مقدار انرژي داخلی گاز بستگی دارد.
و حاصلضربفشار و حجم گاز. حاصلضرب U باتوجه به فرمول ، انتالپی عبارتست از حاصلجمع دو مولفه انرژي درونی
فشار و حجم ، مقدار انرژي استکه بوسیله سرعتگاز ایجاد می شود.
ترمودینامیکعلمی است که مفهوم تبدیل انرژي از یکصورتبه صورتدیگر را شرح می دهد و مطالعه می کند که این
انرژي چگونه از صورتی به صورتدیگر تبدیل می شود.
هادر ناحیه اي از محور که با سیلهاي روغنی تماسپیدا می کند sleeve سوار کردن قسمتهاي مختلفروتور ، از نصب
در ناحیه اي که بالانسدرام قرار می گیرد ، نصبمی شود. locking ring آغاز می شود. سپس
به آن جفتمی شود. و نهایتا ایمپلر double key پساز آن بالانسدرام روي محور قرار گرفته و با استفاده از
در کنار بالانس درام ، روي محور جفتمی شود .حال این double key نصبشده و مجددا با استفاده از discharge
مجموعه بصورتدینامیکی بالانسمی شود.
نصبمیشود و ایمپلر بعدي روي آن اضافه می گردد. spacer پساز آن که روتور از نظر دینامیکی بالانسشد ، یک
و اضافه کردن ایمپلرها ، بر spacer مجددا روتور از نظر دینامیکی بالانسمی شود. مراحل بالانسنمودن روتور ، نصب
اساسنیاز شرکتخریدار ، تکرار می گردد. در نهایتحلقه نگهدارنده تراستنیز تحتفشار هیدرولیکی در محل خود در
انتهاي محور جاي می گیرد.
در این مرحله دیافراگمها بر روي بدنه اصلی نصبمی گردند. بدنه اصلی و دیافراگمهابصورت افقی به دو نیمه تقسیم شده
اند. روي هر نیمه از بدنه ،نیمی از دیافراگمها سوار می شوند. هر قسمتاز دیافراگم ، روي شیار مربوطه قرار می گیرد.
دیافراگمهایی که درنیمه بالایی قرار می گیرند، بوسیله پیچهاي مخصوصدر جاي خود سفتمی شوند تا هنگامیکه نیمه
بالایی بدنه روي نیمه پایینی آن قرار می گیرد ، این دیافراگمها از محل خود جدا نشوند.
پساز اینکه دو نیمه دیافراگمها روي دو نیمه بدنه در جاي خود قرار گرفتند ، لابیرنتسیلهادر ورودي دیافراگمها نصبمی
شوند. حلقه هاي لابیرنتسیل در قسمتچشم ایمپلر و پشتایمپلر ، روي شیارهر یکاز دیافراگمها قرار می
گیرند.لابیرنتسیلهایی که روي نیمه بالایی بدنه قرار می گیرند ، بوسیله پیچهاي مخصوصدر جاي خود سفتمی شوند تا
هنگامیکه نیمه بالایی بدنه روي نیمه پایینی آن قرار می گیرد ،لابیرنتها از جاي خود جدا نشوند.
حال مجموعه روتور که قبلا در مورد آن توضیح داده شده ، در نیمه پایینی و روي لابیرنتسیلهاي آنقرار می گیرد. سپس
وضعیت قرار گیري محور روتور تنظیم گردیده و تثبیتمی شود. پسازآن ، نیمهبالایی بدنه روي نیمه پایینی که روتور
آغشته به oring درون آن جاي گرفته است قرار می گیرد. قبل از نزدیککردن دو نیمه بدنه به یکدیگر ، حلقه هاي
گریس، در شیارهاي میانی دیافراگمها ، در نیمه پایینی بدنه جاي می گیرند تا نشتی بین مراحل کمپرسور را به حداقل
برسانند. بایستی از جفتشدن کامل دو نیمه بالایی و پایینی بدنه اطمینان کامل حاصل نمود تا از صدمه دیدن جدي روتور
ودیافراگمها جلوگیري شود.
کمپرسورهاي رفتو برگشتی
اصول کارکمپرسور براساسسیکل منحنی فشارحجم در شرایط ایده آل میباشد.دراینجاسیکل کامل عملکرد
کمپرسور، متناسببا منحنی فشار، حجم مربوطه نشان می شود. به حرکتنشانگر روي منحنی ،همزمان باعملکرد
کمپرسور دقتکنید.
درطول عملیات کمپرسگاز،مقداري ازکارانجام شده به انرژي حرارتی تبدیل می شود.این انرژي حرارتی به
همراه گاز از سیلندر خارج شده و در نتیجه باعث افزایشدماي گاز در طول این فرایند می شود.افزایشدما
موجببالا رفتن درجه حرارت قسمتهاي مختلفسیلندرمی شود. دماي نهایی سیلندر تا جایی افزایشمی یابد که
برابر مقدار متوسط دماي گاز ورودي به سیلندر و گاز خروجی از آن شود.
در هر سیکل از حرکتپیستون،ناحیه کوچکی در بالاي سیلندر،توسط پیستون پوشانده نمی شود. بنابراین در پایان
clearance . سیلندر نامیده میشود clearance هر سیکل، مقداري گاز در این ناحیه باقی می ماند. این ناحیه
سیلندر عبارتست از مجموع حجم محصور شده بین ناحیه بالاي سیلندر تا روي پیستون در انتهاي هر سیکل، حجم
محصور شده بین دیواره سیلندر ودریچه ها، وحجم محصور شده بین قطر سیلندر وقطر پیستون.
سیلندر به تله می افتد که فشار ودماي آن با فشار و دماي گاز clearance در پایان هر سیکل، حجمی از گاز در
خروجی برابراست. مرحله نخستسیکل هنگامی آغاز می شود که با پایین رفتن پیستون ،فشار گاز محصور شده
بافشار گاز ورودي برابر شود بنابراین دریچه ورودي سیلندر، تا زمانیکه فشار گاز درون سیلندر clearance در
برابر فشار گاز ورودي شود. ،باز نخواهد شد. این عمل باعثکاهشحجم گاز ورودي می شود.
Double acting عمل کمپرسگاز فقط در مرحله بالا رفتن پیستون انجام می گیرد.استفاده ازکمپرسورهاي
موجبمی شود ، عمل کمپرس، بین دو مرحله رفتو برگشتپیستون تقسیم شده و در نتیجه نیروي محرکه
چرخشی بصورتمتعادل در آید.
در یاتاقان اصلی که قسمتانتهایی آن بزرگتر است،پین یاتاقان همیشه یکچرخشکامل را انجام می دهد. در
نتیجه با چرخشکامل پین، روغن به تمامی سطح یاتاقان منتتقل می شود. اما در یاتاقان کوچکتر، پین یاتاقان نمی
تواند چرخشکامل انجام دهد و بنابراین عمل انتقال روغن به تمامی سطح یاتاقان غیر ممکن میشود.
همه دریچه هایی که در کمپرسورهاي رفتوبرگشتی استفاده میشود از چهار قسمت اصلی تشکیل شده اند که
. Valve stop ، فنرها ، valve shutter ، valve plate ، valve sit عبارتند از
valve قطعه ایستکه روي آن شیارهاي عبور گاز تعبیه گردیده است. این قسمتبوسیله Valve sit
بصورتمکانیکی اختلاففشار را حفظ می valve shutter و Valve sit . مسدود می شود shutter
قسمتی استکه Valve shutter . درون محفظه اي در روي بدنه سیلندر واقع شده است Valve sit . کنند
روي valve shutter بطور متناوبشیارهاي عبور گاز را مسدود و باز می کند. وظیفه فنرها برگرداندن
می shutter تعیین کننده میزان تخلیه ایستکه Valve stop . در هنگام قطع جریان گاز می باشد valve sit
تواند داشته باشد.دربدنه کمپرسورهاي بزرگاز یکساختار باز مورد استفاده قرار گرفته است. نشیمنگاه میل
شکل ساخته شده استتامیل لنگبتواند به راحتی از جاي خود خارج شود. همانطور که می U لنگ، بصورت
بینید کشیده شدن سیلندر به دو طرف، باعثباز شدن نشیمنگاه میل لنگمی شود. براي محافظتنشیمنگاه میل
در بالاي آن استفاده می شود. Crass piece لنگدر برابر این نیرو، ازمیله هایی بنام
در هنگام عبور گاز، دریچه کمپرسور بوسیله نیروي جریان گاز باز می شود. این دریچه تا زمانیکه نیروي وارد شده
از طرفجریان گاز از نیروي فنرها که در جهتمخالفاعمال می شود، بیشتر باشد،باز می ماند. در هر حال،
دریچه بایستی فقط در زمان پایان مراحل مکشوتراکم مربوطه، بسته شود و این عمل در مورد هر دو دریچه
ورودي و خروجی یکسان است.
در صورتیکه مقاومتفنر ها و سرعتگاز، متناسببا هم انتخابنشوند، عملکرد دریچه هامتعادل نخواهد بود.
فنر ها باید به گونه اي انتخاب شوند که به دریچه ها اجازه دهند تا در برابر نیروي وارد شده از طرفجریان گاز،
بدون لرزشباز شود. همچنین فنرها باید به اندازه کافی سفتباشند تا از بسته شدن دریچه، پساز پایان نقطه
مرگاطمینان حاصل شود.
اگر دریچه، بعد از پایان نقطه مرگهنوز باز بماند، در اثر برگشتجریان گاز و نیروي وارده از طرفآن، ضربه
شدیدي به دریچه وارد شده و احتمالا موجبصدمه دیدن آن خواهدشد.
حال یککمپرسور یکمرحله اي را در نظر بگیرید اگر فشار خروجی بیشترشود،نسبتفشار خروجی به ورودي
یا نسبتتراکم کمپرسور افزایشمی یابدوبازده حجمی کا هشمی یابد.
در نتیجه حجم گاز خروجی کمتر شده و ظرفیتکمپرسور کاهشمی یابد.
در این منحنی، تغییراتتوان خروجی بر حسبفشار خروجی نشان داده شده است.
ابتداي این منحنی را که داراي کمترین مقدار نسبت تراکم میباشد،در نظر بگیرید. اگر فشار خروجی کم کم
افزایشیابد،ابتدا توان خروجی، متناسببا نسبتتراکم افزایشمی یابد. باادامه افزایشفشار درخروجی، توان
خروجی به یکمقدار ماکزیمم رسیده وسپسسیر نزولی پیدا خواهد کرد.
به ورودي آن برگشت recycle در سیستمی که مشاهده می کنید،بخشی از گاز خروجی مرحله اول،توسط عمل
داده می شود و در نتیجه ظرفیت کمپرسور بصورت پیوسته کنترل می شود. این سیستم براي کمپرسورهاي چند
مرحله اي مناسبمی باشد. در این سیستم، مقداري از گاز عبوري از مرحله اول، برگشتداده شده و در نتیجه
میزان گاز عبوري از مرحله دوم کمتر از مرحله اول می باشد.
نخست تمامی جریان گازي که تحتسیستم کنترل ظرفیت قرارداد از مرحله اول عبور می کند. سپسمقداري از
آن برگشتداده شده وما بقی آن از مراحل بعدي عبور می کند. از خصوصیات این سیستم عبارتند از،
-1 کنترل آن پیوسته است.
-2 براي کمپرسورهاي چند مرحله اي بکار می رود.
-3 بازده آن مناسباست.
-4 ساختمان آن ساده است.
-5 از نظر هزینه، ارزان می باشد.

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:14
توربینهاي تکمحوره
نحوه کار یکتوربین گازي به این صورت است که ابتدا هواي تازه از طریق کانال ورودي ، واردتوربین
شده و سپسهواي ورودي به کمکیککمپرسور محوري فشرده می شود. پساز آن به هواي فشرده
شده،سوختگاز تزریق گردیده و می سوزدو طی این فرآیند، سطح انرژي آن افزایشمی یابد
expansion turbine . سپسسوختمحترق شده که دما و فشار بالایی داردبه یکتوربین انبساطی یا
هدایتمی شود و درآنجا انرژي گاز به انرژي مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخشمحور توربین می
گردد.
تبادل انرژي در توربین واقع در دو مرحله اتفاق می افتد. در نازل ورودي توربین ،گاز داغ ، منبسط می شود
و بخشی از انرژي حرارتی آن به انرژي جنبشی تبدیل می شود. سپسدر قسمتپره هاي توربین، انرژي
جنبشی به پره هاي در حال چرخشمنتقل شده و به کار تبدیل می شود. بطور معمول بیشاز 50 % کاري
که توسط توربین تولید می شود ، صرفچرخاندن کمپرسور محوري می گردد.
توربین گازي ماشینی استکه با هواي محیط کار می کند ، در نتیجه با تغییر عوامل موثر بر شدت جریان
جرمی هواي ورودي ،عملکرد توربین نیز تغییر می کند. لذا در طراحی ،شرایط مرجع براي متغییرهاي توربین
14.7 و دماي 59 درجه فارنهایتدر نظر گرفته می شود. psi ، فشار
طبق پارامترهاي مربوطه به راندمان توربین ، دماي محیط ، روي شدت جریان هواي ورودي تاثیر گذاشته و
در نتیجه پارامترهاي مختلفتوربین و بازده آنها از جمله توان خروجی ، مصرفانرژي حرارتی ، جریان
خروجی از اگزوز و شدت انتقال حرارت را تحتتاثیر قرار می دهد.
در صورتیکه از سوختی با ارزش حرارتی کمتر استفاده شود بدلیل افزایشمصرفسوختو هوا ،میزان
شدت جریان جرمی توربین افزایشمی یابددر نتیجه احتمال نزدیکشدن نسبت تراکم کمپرسور محوري به
محدوده سرج زیاد میشود . این بدان معناستکه براي کار کردن توربین ، حجم زیادي سوختنیاز است.
در نتیجه افزایشحجم سوختباعثمی شود فشار خروجی کمپرسور به عقبرانده شودو نهایتا در
کمپرسور، یکجریان برگشتی ایجاد شود.
روتور کمپرسور با قرار گرفتن دیسکها بصورت عمودي پیکربندي می شود.ابتدا قطعه جلویی محور یا
در جاي خود قرار می گیرند . tie bolt و دیسکاول بوسیله میله هاي رابط یا forward stub shaft
سپسدیسکها ي دیگر نیز در میان میله هاي رابط بصورتعمودي روي هم قرار می گیرند.در توربین مدل
رتور آن داراي هفده دیسکمی باشد.پساز آنکه آخرین دیسکو قطعه انتهایی محور یا MS7000BS
نصبگردید ، قسمتانتهایی میله هاي رابط نیز بسته میشود. aft stub shaft
پساز آنکه قسمتهاي مختلفروتورسوار شد،روتور تحتسرعت کم بالانسمیشود تا اطمینان حاصل شود
آن در حد استانداردهاي طراحی قرار دارد. vibration که سطح
radial locking جهتنصبپره هاي مرحله اول دیسکتوربین ، اولین اقدام ، جا زدن پین شعاعی یا
در حفره آن میباشد. اولین پره در جهتخلافعقربه هاي ساعتدر شکافخود قرار گرفته و بوسیله pin
شکل ، در جاي خود نگه داشته میشود . بقیه پره ها هم به همین ترتیبو در جهتخلافعقربه D یکپین
هاي ساعت ، دور دیسکنصبمیشوند.آخرین پره نیز در شکافمربوطه قرار میگیرد و نهایتا پین افقی یا
در حفره مربوطه قرار میگیرد.پین افقی به انتهاي پین شعاعی فشار آورده و آنرا به بالا axial locking pin
میراند و در نتیجه آخرین پره نیز در جاي خود ثابتمیشود . حال کلیه پره ها روي دیسکتوربین قفل شده
اند .
در جاي خود twist lock قبل از اینکه پره هاي مرحله دوم و سوم نصبشوند ابتدا پیچهاي قفل کننده یا
قرار میگیرند. سپسمجموعه پره ها بصورت یکرینگ 360 درجه در کنار هم نصبمیشوند . رینگبه
twist آرامی روي دیسک نصبگردیده و شیارها درون هم قرار میگیرند. پساز نصبآنها پیچهاي
می چرخند تا آنها را در جاي خود قفل کنند . پساز نصببدنه توربین ، مجموعه سیستم احتراق lock
نصبمیشود . سپسسیستم هواي خنککاري بدنه توربین و لوله هاي مربوطه نصبمیشود . به منظور
تسهیل در عمل خنککاري ، هوا از طریق دمنده هاي اصلی به بدنه توربین و بدنه اگزاستدمیده میشود.
سپسدیواره اطاقکهواي ورودي نصبمیشود. و پساز آن دیواره اگزاستدر جاي خود قرار می گیرد.
نصبمیشوند . این رینگها از نشتگازهاي اگزاستبه محدوده اطاقکتوربین flex seal سپسرینگهاي
هاي bleed valve که ممکن استبر اثر تغییرات انبساطی ایجاد شود ، جلوگیري میکنند. در مرحله آخر
کمپرسور نصبمیشوند. این ولوها در هنگام استارت و توقفتوربین به منظور محافظتکمپرسور محوري
در برابر سرج میباشد.
نصبمیشود. یاتاقانهاي شماره دو و سه و محفظه هاي مربوطه inlet casing یاتاقان شماره یکدر محل
، در جاي خود قرار میگیرند. ابتدا نیمه پایینی آنها و سپسنیمه بالایی آنها نصبمیشود. سپسقسمتهاي
و محفظه casing به منظور همتراز شدن با یاتاقانها نصبمیشوند.سپسنیمه هاي بالایی casing مختلف
یاتاقانها برداشته میشود و قطعات نشتبندي و دفلکتورهاي روغن نصبمیشوند. مرحله آخر ، نصبروتور ،
میباشد. casing نصبنیمه هاي بالایی محفظه یاتاقانها ، و نیمه هاي بالایی
براي سوار کردن نازل مرحله اول ، ابتدا تیغه هاي نازل بر روي رینگهاي نگهدارنده نصبمیشود. سپس
براي تنظیم alignment ها به منظور به حداقل رساندن نشتگاز نصبمیگردند. پساز آن پینهاي seal
شعاعی قطعاتدرون رینگنصبمیشوند.
در جاي خود نصب core plug براي سوار کردن نازل مرحله دوم ، ابتدا هسته هاي خنککننده نازل یا
میشوند این هسته ها به منظور کاهشدماي حلقه هاي نازل بکار میروند. سپسدیافراگم نصبمیشود و یک
پین به منظور همتراز شدن دیافراگم با نازل نصبمیشود. سپستیوبهاي خنککننده دیسکو قطعات
مربوط به آنها روي دیافراگم نصبمیشوند. نازل مرحله سوم شبیه نازل مرحله دوم میباشد ولی بوسیله جریان
هوا خنکنمیشود.بنابراین فاقد تیوبهاي خنککننده و قطعات جانبی آن می باشد.
شروع میشودکه درانتهاي نازل مرحله اول ، transition piece سوار کردن سیستم احتراق توربین با نصب
توسط پیچ بسته میشود و بوسیله یکبستنگهدارنده در قسمتزیرین آن محکم میشود. سپس
در داخل flow sleeve پیچ میشود.حال combustion wrapper به combustion casing
بتواند liner نصبمیشوند و به داخل فشار داده میشوند تا crass fire قرار میگیرد وبعدتیوبهاي casing
جاي liner در محلهاي خود روي crass fire تیوبهاي liner در جاي خود نصبشود . پساز نصب
combustion را در جاي خود ثابتمیکنند. سپس crass fire میگیرند. گیره هاي نگهدارنده ، تیوبهاي
پیچ میشود . وبعد نازل سوختروي آن قرار میگیرد. combustion casing به انتهاي can cover
شمعهاي جرقه زن و سنسورهاي شعله یابنیز روي محفظه احتراق مربوطه در محل مخصوصخود نصب
میشوند.
براي دسترسی به قسمتهاي داخلی توربین برداشته میشوند. همه casing همانطور که میدانید نیمه هاي بالایی
به ترتیبی که مشاهده میکنید برداشته میشوند. ابتدا casing پیچهاي افقی و عمودي باز میشوند و نیمه هاي
اگزاست، و سرانجام casing ورودي ، بعد casing کمپرسور ، بعد casing بعد ، turbine shell
خروجی کمپرسور . casing
براي یکآنالیز مکانیکی ، باید گفت که شیرهاي یکطرفه در سیستم مکانیکی مانند دیودها در سیستم
الکتریکی عمل میکنند. در این آنالیز یکمنیفولد اصلی وجود داردکه فشار آن بوسیله یکتانکتغذیه
تنظیم میشود.بعنوان مثال فشار C و B ، A ثابتنگهداشته میشود. فشار منیفولد اصلی بوسیله شیرهاي یکطرفه
باشد در اینصورتشیر psi در نظر بگیرید. اگر فشار در نقاط 2و 3و 4 بیشتر از 20 psi در نقطه 1 را 20
کاهشیابد ولی psi یکطرفه بسته و کنترلی روي منیفولد اصلی انجام نمی گیرد. اگر فشار در نقطه 2 به 18
افت psi بماند ، در اینصورتفشار در منیفولد اصلی به 18 psi فشار در نقاط 3و 4 در همان مقدار فبلی 20
کنترل کننده خواهد بود.در صورتیکه شرایط عملیاتی تغییرکند ، فشار مورد نیاز سیستم A میکند و سیستم
شود ، فشار psi افتکند ، بعنوان مثال 17 psi در نقاط 3و 4 تغییر میکند. اگر فشار در نقطه 3 به زیر 18
و باز شدن شیر C و A افتپیدا میکندواین باعثبسته شدن شیرهاي یکطرفه psi منیفولد اصلی به 17
کنترل کننده خواهد بود. B میشود . بنابر این در این وضعیتسیستم B یکطرفه
سیستم کنترلی مربوط به مراحل استارت ، میزان افزایشسوخترا به چند منظور کنترل میکند :
بمنظور ایجاد شعله در محفظه هاي احتراق.
بمنظور کنترل میزان شتاب.
بمنظور کنترل تغییراتدما.
شتاب روتور توربین باید کنترل شود تا میزان نیروهاي وارد شده به روتور از حد مجاز تجاوز نکند. تجاوز
کردن این نیروها از حد مجاز میتواند خسارتهاي جدي و سنگینی به روتور توربین وارد سازد.در طول مراحل
استارت ، میزان فلوي هوا کم است. اگر در این شرایط به محفظه هاي احتراق ، سوختزیادي تزریق شود ،
در اینصورت هواي کافی وجود نخواهد داشت. بنابر این دما به طرز خطرناکی بالا خواهد رفتو به بخش
داخلی صدمه خواهد زد. همچنین نوسانات زیاد دما میتواند عمر قطعاتداخلی را کاهشدهد. زیرا در این
بخش، فلزات مختلفبا سرعتهاي انتقال حرارت متفاوت وجود دارد .بنابراین سرعتدما ، بایستی به حدود
5 درجه فارنهایتبر ثانیه محدود شود.
الکترونیکی نشان داده میشود.سیگنال سرعتتوربین از over speed در این سیستم ، عملکرد حفاظت
over ارسال میشود. سپساین سیگنال با یک مقدار magnetic pickup طریق سنسورهاي مغناطیسی یا
برسد ، سیگنال set point مقایسه میشود. وقتی که سیگنال سرعتنوربین به مقدار speed set point
ارسال شده و توربین را متوقفنموده master protective به مدار حفاظتاصلی یا over speed trip
ظاهر میگردد. electronic over speed وپیغام
psi میباشد. این ولتاژ متناسببا فشار سوختبر حسب DC سیستم ارسال کننده سوختداراي یکولتاژ
یک gas control valve و stop ratio valve بین p میباشد. این ارسال کننده جهتتنظیم فشار 2
به سیستم کنترل ارسال میکند. سولنویید مربوط به تخلیه سوخت، هنگامی که غیر فعال feedback سیگنال
را به اتمسفر تخلیه میکند. این سولنویید gas contol valve و stop ratio valve میشود ، فشارگاز بین
هنگام کار توربین فعال استو در حالتبسته قرار دارد.هنگامیکه توربین متوقفمیشود ، این سولنویید باز
میشود و گاز حبسشده بین دو کنترل ولو سوخترا به منظور بالا بردن ایمنی ، تخلیه میکند.
توربینهاي دو محوره
در توربین گازي دو محوره ، هواي محیط توسط یککمپرسور مکیده شده و فشار آن افزایشمی یابد. هواي فشرده
شده در محفظه احتراق با گاز مخلوط شده و شعله ور می شود و سطح انرزي آن افزایشمی یابد.
انرژي حاصل از گاز داغ به پره هاي توربین فشار قوي برخورد کرده که قسمتی از انرژي آن آزاد شده و به انرژي
مکانیکی تبدیل شده و کمپرسور محوري را به حرکتدر می آورد. انرژي آزاد شده ، به پره هاي توربین فشار ضعیف
نیز برخورد کرده و باعث چرخشآن و همچنین چرخشکمپرسور گازمی شود. سرانجام گازهاي سوخته شده ، با
فشار و حرارت پایین ، به اتمسفر رها می شود.
به منظور آشنایی بهتر با سیکل ساده توربین گازي ، ابتدا چهار مرحله سیکل کار موتورهاي رفتوبرگشتی را بررسی
می کنیم. در یکموتور چهار زمانه ، قدرت خروجی موتور بصورتمتقاطع می باشد. زیرا در مرحله تخلیه ، فشار
گازهاي محترق شده کاهشمی یابد و در این مرحله افتفشار بوجود می آید.
در مرحله مکش، فشار منفی در سیلندر ایجاد می شود و باعثمی شود هوا از بیرون به درون سیلندر جریان یابد. در
مرحله تراکم ، هوا فشرده و فشار به مرور افزایشمی یابد. در قسمتبالایی سیلندر ، فشار زیاد استو در جه حرارت
هوا در طی مرحله تراکم افزایشمییابد. اکنون سوختتزریق شده و مخلوط هوا و گاز محترق می شود. در مرحله
احتراق ، فشار محصولات احتراق به شدت افزایشیافته و نیروي آن به محور منتقل می شود.
در مرحله تخلیه ، فشار کاهشمی یابد. اما هنوز از فشار محیط بالاتر است. فشار بالا و حرکتپیستون بطرفبالا
موجبمی شود ، گازهاي محترق شده به بیرون رانده شوند.
در سیکل ساده توربین گازي ، مرحله احتراق و تخلیه داراي یکفشار ثابتبوده و در مقایسه باموتورهاي چهار زمانه
که مراحل آن بصورت متقاطع بود ، مراحل سیکل توربین بصورت پیوسته میباشد. این بدین معناستکه فشار در
ورودي هر بخشاز توربین گازي در کمپرسور ، در محفظه احتراق و در توربین ثابتمی باشد.
در دیاگرام سیکل ساده توربین گازي که مشاهده می کنید ، در ناحیه 1، هوا وارد کمپرسور محوري شده و فشرده می
شود. هواي فشرده شده از کمپرسور خارج شده و به ناحیه 2 وارد شده و در محفظه احتراق با سوختمخلوط می
شود. گازهاي محترق شده در ناحیه 3 وارد توربین شده و با عبور از میان توربین ، باعثایجاد حرکتمکانیکی در
محور می شوند. سپسگازهاي سوخته شده به ناحیه 4 وارد شده و از طریق اگزوز به اتمسفر رها می شوند.
بنابراین تفاوت اصلی بین سیکل موتورهاي چهار زمانه و سیکل ساده توربین گازي این استکه در
توربین ، توان خروجی بصورت پیوسته ایجاد می شود ولی در موتورهاي جهار زمانه بصورتمتقاطع میباشد. این بدان
معناست که در طول کار توربین ، قدرت خروجی بطور پیوسته وجود دارد ولی در موتورهاي چهار زمانهفقدرت
خروجی فقط در مرحله تراکم ایجاد می شود.
در هر توربین ، تبادل انرژي در دو مرحله اتفاق می افتد. ابتدا در نازلهاي ورودي ، گاز داغ منبسط می شود وبخشی از
انرژي حرارتی آن به انرژي جنبشی تبدیل میشود واین انرژي جنبشی به پره هاي توربین منتقل شده و به کار تبدیل می
شود.
نازلهاي متغیر وظیفه تقسیم انرژي را بین توربین فشار قوي و توربین فشار ضعیفبر عهده دارند.
باز شدن نازلهاي متغیر ،باعث کاهشفشار برگشتی در توربین فشار قوي می شود و در نتیجه افتفشار در توربین فشار
قوي باعثایجاد افتتوان و همجنین کاهشسرعتتوربین فشار ضعیفمی گردد.
، cap کلاهکیا ، spark plug ، شمع جرقه زن ، cover ، اجزاي اصلی محفظه احتراق عبارتنداز : نازل سوخت
و پوسته بیرونی. liner مجموعه
چهار کاربرد اصلی هواي خروجی از کمپرسور عبارتند از:
که عبارتستاز هواي اولیه اي که براي ایجاد نسبتمناسبسوختو هوا combustion air - هواي احتراق یا
بکار می رود.
که براي سرد کردن و پایدار نمودن شعله استفاده می شود. secondary air - هواي ثانویه یا
که جهتایجاد یکلایه خنککاري مداوم بین سطوح خارجی و داخلی cooling air - هواي خنککاري یا
استفاده می شود. liner
که در ناحیه ابتداي شعله به پایین جریان می یابد تا دماي گاز را کاهشداده و dilution air - هواي رقیق کننده یا
عمر مفید قسمتهایی راکه گاز داغ از آنها عبور میکند ، افزایشدهد.
عبور liner خروجی و cassing مراحل احتراق بدین صورت است که : هواي خروجی از کمپرسور از بین ناحیه
پاشیده می شود و با هواي خروجی از liner cap وارد می شود. سوختنیز به درون liner cap کرده وبه
بر مخلوط هوا و سوختجرقه زده می شود. spark plug کمپرسور مخلوط می شود.حال توسط شمع جرقه زن یا
پساز آن گازهاي حاصل از احتراق که دماي بالایی داشته و به سرعتمنبسط می شوند به نازلهاي مرحله اول واقع در
توربین فشار قوي هدایت می شوند. پساز جرقه ، تا زمانی که هوا و سوختکافی موجود باشد ، عمل suction
احتراق ، خود بخودادامه می یابد. توربین گازي ماشینی است که باهواي محیط کار می کند . بنابراین عملکرد آن با
تغییر ویژگیهایی که بر شدت جریان هواي ورودي به کمپرسور تاثیر می گذارد تغییر می کند.مانند تغییر دما ، فشار
محیط و رطوبت.
تاثیر می گذارد. این تاثیر air flow و heat rate ، out put دماي هواي ورودي به کمپرسور به سه فا کتور
گذاري را در شکل می بینید.
heat در این شکل می توانید چگونگی تاثیر دماي ورودي کمپر سور را که در اینجا 20 درجه فارنهایتمیباشد ، بر
ملاحظه نمایید . out put و air flow ، rate
در این نمودار تاثیر ارتفاع از سطح دریا و فشار محیط روي عملکرد توربین گازي نشان داده می شود.
متناسببا آن می شود . در این مورد ، شدت انتقال حرارت out put کاهشدانسیته هوا باعثکاهشفلوي جرمی و
تحتتاثیر قرار نمی گیرد. heat rate یا
بعنوان مثال توربینی را در نظر بگیرید که در ارتفاع 300 فوت از سطح دریا نصبشده استودراین شرایط فشار
0 / 13 است. میزان ضریب تصحیح براي توان خروجی و مصرفسوختحدودا 91 / 2 psi اتمسفر آن تقریبا
خواهد بود. اگر یکتوربین گازي که توان آن در سطح دریا 100 مگا وات استدر این ارتفاع نصبشود ، توان
0 یعنی معادل 91 مگاوات خواهد بود. / خروجی مورد انتظار ، برابر حاصلضرب 100 مگاواتدر 91
می باشد. دیسکهاي مربوط به کمپرسور و spin test مرحله اول در جمع کردن روتور فشارقوي ، تستچرخشی یا
توربین فشار قوي ، تست چرخشی می شوند. سپسپره هاي کمپرسور روي دیسکو در شیار مر بوطه نصبمی
شوند. پره ها در روي دیسک، ثابتو محکم می شوند. سپسمجموعه دیسکروي یکمیز چرخان قرار می گیرد و
یکدستگاه ماسه پاش ، نوكپره ها را بر اساساندازه هاي مربوطه که در مداركمشخصاتفنی آنها درج گردیده
است،سیقل میدهد. حال مهره هاي قفل کننده ، درون شیارهاي مربوطه در جلوي محور قرار می گیرند ومیله هاي رابط
ها از قسمتبالا درون مهره ها پیچ می شوند. سپسمجموعه قسمتجلوي محور ، همراه میله هاي قفسه tiebolt یا
اي که روي آن بسته شده اند ، بصورتقائم قرار می گیرند. حال دیسکشماره 1 کمپرسور ، از بالا درون میله ها قرار
و پساز آن دیسکشماره 2 در جاي خود قرار می گیرد. این spacer می گیرد. سپسیکدیسکجدا کننده یا
در جاي خود نصبشوند ادامه می یابد. پساز قرارگیري Spacer کار تا وقتی که 6 دیسککمپرسور به همراه 5
روي میله هاي رابط قرار گرفته و پیچهاي مربوطه محکم aft stub shaft آخرین دیسک، قسمتانتهایی محور یا
می شوند. درپوشها درون شکافها قرار می گیرند تا از ورود ذراتبه داخل شکافها در حین کار توربین جلوگیري
شکل قرار می گیرد. پره هاي مرحله اول کمپرسور V کنند. پساز آن روتور فشار قوي بصورت افقی روي پایه هاي
در داخل شکافهاي شعاعی واقع در قسمتجلویی محور قرار گرفته و در جاي خود محکم می شوند. پره هاي
مرحله 11 ،10 ، 9 ، 8 کمپرسور ، در داخل شکافهاي شعاعی واقع در انتهاي محور قرار گرفته و در جاي خود محکم
می شوند. محل قرارگیري یاتاقان ژورنال و نشتبندیهاروي محور، ماشینکاري شده و نهایتا بر اساسمشخصاتی که در
نقشه نشان داده شده ، بازرسی می شوند.
قبل از نصبدیسکهاي توربین ، هر دو دیسکپیشگرم می شوند. سپسمیله هاي رابط به انتهاي محور پیچ می شوند و
دیسکمرحله اول توربین بصورت گرم و دیسکجدا کننده بصورتسرد وپساز آن مجددا دیسکمرحله دوم
بصورت گرم سوار می شود. و نهایتا یکرینگقفل کننده روي آنها نصبمی شود. سرد شدن مر حله به مرحله
دیسکهاي توربین ، باعثکاهشفاصله هاي احتمالی بین فلنج هاي انتهاي روتور و دیسکمرحله اول توربین و
همچنین فاصله بین دیسکهاي توربین و دیسکهاي جداکنننده می شود. اکنون پره ها درون شیارهاي مربوطه و روي هر
یکاز دیسکها نصبمی شوند پساز نصب پره ها ، پین هاي قفل کننده در محل خود قرار می گیرند تا پره ها و
دیسکهاي مربوطه را محکم به هم جفتکنند. هریکاز پین ها داراي یکزائده می باشد که باید با فشار مناسب،
خم شده ، تا از اتصال پین ها به پره ها اطمینان حاصل شود.
مجموعه روتور بالانسمی شود. وزنه هاي بالانسدر شیارهاي مربوطه ، HP پساز تکمیل مراحل نصب پره ها ي
به میزان استانداردکاهشمی یابد. vibration قرار گرفته اند که با تنظیم آنها میزان
کمپرسورهاي گریز از مرکز
از سال 1960 طراحی و ساختانواع کمپرسورهاي گریز از مرکز را آغاز نمود و توانستدر Nuovo pignone شرکت
طراحی این نوع کمپرسور خود را پیشتاز نموده و در سطح بین المللی مطرح گردد.
بمنظور آشنایی بهتر باانواع مختلفکمپرسورهاي گریز از مرکز ،در این بخشبه اختصار طرز کار این نوع کمپرسورها ارائه
می گردد.
فشار سیال عبوري از یککمپرسور گریز از مرکز ،توسط انرژي حاصل از چرخشپره هاي نصبشده روي کمپرسور
افزایشمییابد.
این نوع کمپرسور از یکپوسته تشکیل شده که درون آن دیافراگمها و روتور قرار دارند.
گاز از طریق نازل ورودي مکیده شده و پساز عبور از میان ایمپلرها و دیافراگم ، بطرفنازلهاي خروجی در قسمتانتهایی
محور کمپرسور هدایتمی شود.
قسمتهاي اصلی یککمپرسور گریز از مرکز شامل دو بخشثابتو متحركمی باشد.
بخشثابت کمپرسور شامل قسمتهایبدنه اصلی کمپرسور ، نازلهاي ورودي و خروجی گاز ،دریچه هاي ورودي و خروجی ،
مجموعه تجهیزات میانی دیافراگمها ، سیستمهاي نشتبندي دو طرف ابتدا وانتهاي محورویاتاقانهاي ژورنال و تراستمی
باشد.
حلقه تراستو ،seal sleeve ، ها spacer، بخشمتحركکمپرسور. شامل قسمتهاي : ایمپلرها ، محور ، بالانسدرام
رینگهاي قفل کننده می باشد.
میشود. inlet volute جریان گاز از میان نازلهاي ورودي عبور کرده و وارد دریچه ورودي یا
Inlet عمل توزیع یکنواختجریان گاز و هدایتآن به سمتچشم ایمپلررا بعهده دارد.در داخل Inlet volute
volute نصبگردیده که آشفتگی جریان گاز را کاهشداده و از چرخشگاز درون fin یکزائده بنام volute
یا انتهاي شعایی پروانه خارج tip به سمتچشم ایمپلر هدایتمیشود و ازقسمت Inlet volute جلوگیري میکند.گاز از
می گردد. ایمپلر شامل تیغه هایی است که انرژي مکانیکی محور کمپرسور را به گاز منتقل می کند. انرژي گاز به سه عامل
دما ، فشار و سرعتبستگی دارد. پساز خروج گاز از ایمپلر ، سرعتآن افزایشیافته و به قسمتهاي ثابتکمپرسورکه
دیفیوزر نام دارد جریان می یابد. قسمتی از سرعت گاز در دیفیوزرکاهشمی یابد. در انتهاي دیفیوزر یککانال برگشتی
discharge volute وجود دارد که گاز را به چشم ایمپلر بعدي هدایتمی کند. گاز پساز خروج از آخرین دیفیوزر به
Fin داراي زائده اي بنام Inlet volute نیز مانند discharge volute. و سپسبه نازل خروجی هدایتمی شود
جلوگیري میکندافزایشانرژي گاز volute میباشد. این زائده آشفتگی جریان گاز را کاهشداده و از چرخشگاز درون
باتوجه به سه ویژگی فشار ، دما و سرعتتعریفمی شود. این سه ویژگی ، تعیین کننده کمیتی بنام انتالپی هستند. انتالپی
کمیتی استکه فقط به وضعیتجریان گاز و مقدار انرژي داخلی گاز بستگی دارد.
و حاصلضربفشار و حجم گاز. حاصلضرب U باتوجه به فرمول ، انتالپی عبارتست از حاصلجمع دو مولفه انرژي درونی
فشار و حجم ، مقدار انرژي استکه بوسیله سرعتگاز ایجاد می شود.
ترمودینامیکعلمی است که مفهوم تبدیل انرژي از یکصورتبه صورتدیگر را شرح می دهد و مطالعه می کند که این
انرژي چگونه از صورتی به صورتدیگر تبدیل می شود.
هادر ناحیه اي از محور که با سیلهاي روغنی تماسپیدا می کند sleeve سوار کردن قسمتهاي مختلفروتور ، از نصب
در ناحیه اي که بالانسدرام قرار می گیرد ، نصبمی شود. locking ring آغاز می شود. سپس
به آن جفتمی شود. و نهایتا ایمپلر double key پساز آن بالانسدرام روي محور قرار گرفته و با استفاده از
در کنار بالانس درام ، روي محور جفتمی شود .حال این double key نصبشده و مجددا با استفاده از discharge
مجموعه بصورتدینامیکی بالانسمی شود.
نصبمیشود و ایمپلر بعدي روي آن اضافه می گردد. spacer پساز آن که روتور از نظر دینامیکی بالانسشد ، یک
و اضافه کردن ایمپلرها ، بر spacer مجددا روتور از نظر دینامیکی بالانسمی شود. مراحل بالانسنمودن روتور ، نصب
اساسنیاز شرکتخریدار ، تکرار می گردد. در نهایتحلقه نگهدارنده تراستنیز تحتفشار هیدرولیکی در محل خود در
انتهاي محور جاي می گیرد.
در این مرحله دیافراگمها بر روي بدنه اصلی نصبمی گردند. بدنه اصلی و دیافراگمهابصورت افقی به دو نیمه تقسیم شده
اند. روي هر نیمه از بدنه ،نیمی از دیافراگمها سوار می شوند. هر قسمتاز دیافراگم ، روي شیار مربوطه قرار می گیرد.
دیافراگمهایی که درنیمه بالایی قرار می گیرند، بوسیله پیچهاي مخصوصدر جاي خود سفتمی شوند تا هنگامیکه نیمه
بالایی بدنه روي نیمه پایینی آن قرار می گیرد ، این دیافراگمها از محل خود جدا نشوند.
پساز اینکه دو نیمه دیافراگمها روي دو نیمه بدنه در جاي خود قرار گرفتند ، لابیرنتسیلهادر ورودي دیافراگمها نصبمی
شوند. حلقه هاي لابیرنتسیل در قسمتچشم ایمپلر و پشتایمپلر ، روي شیارهر یکاز دیافراگمها قرار می
گیرند.لابیرنتسیلهایی که روي نیمه بالایی بدنه قرار می گیرند ، بوسیله پیچهاي مخصوصدر جاي خود سفتمی شوند تا
هنگامیکه نیمه بالایی بدنه روي نیمه پایینی آن قرار می گیرد ،لابیرنتها از جاي خود جدا نشوند.
حال مجموعه روتور که قبلا در مورد آن توضیح داده شده ، در نیمه پایینی و روي لابیرنتسیلهاي آنقرار می گیرد. سپس
وضعیت قرار گیري محور روتور تنظیم گردیده و تثبیتمی شود. پسازآن ، نیمهبالایی بدنه روي نیمه پایینی که روتور
آغشته به oring درون آن جاي گرفته است قرار می گیرد. قبل از نزدیککردن دو نیمه بدنه به یکدیگر ، حلقه هاي
گریس، در شیارهاي میانی دیافراگمها ، در نیمه پایینی بدنه جاي می گیرند تا نشتی بین مراحل کمپرسور را به حداقل
برسانند. بایستی از جفتشدن کامل دو نیمه بالایی و پایینی بدنه اطمینان کامل حاصل نمود تا از صدمه دیدن جدي روتور
ودیافراگمها جلوگیري شود.
کمپرسورهاي رفتو برگشتی
اصول کارکمپرسور براساسسیکل منحنی فشارحجم در شرایط ایده آل میباشد.دراینجاسیکل کامل عملکرد
کمپرسور، متناسببا منحنی فشار، حجم مربوطه نشان می شود. به حرکتنشانگر روي منحنی ،همزمان باعملکرد
کمپرسور دقتکنید.
درطول عملیات کمپرسگاز،مقداري ازکارانجام شده به انرژي حرارتی تبدیل می شود.این انرژي حرارتی به
همراه گاز از سیلندر خارج شده و در نتیجه باعث افزایشدماي گاز در طول این فرایند می شود.افزایشدما
موجببالا رفتن درجه حرارت قسمتهاي مختلفسیلندرمی شود. دماي نهایی سیلندر تا جایی افزایشمی یابد که
برابر مقدار متوسط دماي گاز ورودي به سیلندر و گاز خروجی از آن شود.
در هر سیکل از حرکتپیستون،ناحیه کوچکی در بالاي سیلندر،توسط پیستون پوشانده نمی شود. بنابراین در پایان
clearance . سیلندر نامیده میشود clearance هر سیکل، مقداري گاز در این ناحیه باقی می ماند. این ناحیه
سیلندر عبارتست از مجموع حجم محصور شده بین ناحیه بالاي سیلندر تا روي پیستون در انتهاي هر سیکل، حجم
محصور شده بین دیواره سیلندر ودریچه ها، وحجم محصور شده بین قطر سیلندر وقطر پیستون.
سیلندر به تله می افتد که فشار ودماي آن با فشار و دماي گاز clearance در پایان هر سیکل، حجمی از گاز در
خروجی برابراست. مرحله نخستسیکل هنگامی آغاز می شود که با پایین رفتن پیستون ،فشار گاز محصور شده
بافشار گاز ورودي برابر شود بنابراین دریچه ورودي سیلندر، تا زمانیکه فشار گاز درون سیلندر clearance در
برابر فشار گاز ورودي شود. ،باز نخواهد شد. این عمل باعثکاهشحجم گاز ورودي می شود.
Double acting عمل کمپرسگاز فقط در مرحله بالا رفتن پیستون انجام می گیرد.استفاده ازکمپرسورهاي
موجبمی شود ، عمل کمپرس، بین دو مرحله رفتو برگشتپیستون تقسیم شده و در نتیجه نیروي محرکه
چرخشی بصورتمتعادل در آید.
در یاتاقان اصلی که قسمتانتهایی آن بزرگتر است،پین یاتاقان همیشه یکچرخشکامل را انجام می دهد. در
نتیجه با چرخشکامل پین، روغن به تمامی سطح یاتاقان منتتقل می شود. اما در یاتاقان کوچکتر، پین یاتاقان نمی
تواند چرخشکامل انجام دهد و بنابراین عمل انتقال روغن به تمامی سطح یاتاقان غیر ممکن میشود.
همه دریچه هایی که در کمپرسورهاي رفتوبرگشتی استفاده میشود از چهار قسمت اصلی تشکیل شده اند که
. Valve stop ، فنرها ، valve shutter ، valve plate ، valve sit عبارتند از
valve قطعه ایستکه روي آن شیارهاي عبور گاز تعبیه گردیده است. این قسمتبوسیله Valve sit
بصورتمکانیکی اختلاففشار را حفظ می valve shutter و Valve sit . مسدود می شود shutter
قسمتی استکه Valve shutter . درون محفظه اي در روي بدنه سیلندر واقع شده است Valve sit . کنند
روي valve shutter بطور متناوبشیارهاي عبور گاز را مسدود و باز می کند. وظیفه فنرها برگرداندن
می shutter تعیین کننده میزان تخلیه ایستکه Valve stop . در هنگام قطع جریان گاز می باشد valve sit
تواند داشته باشد.دربدنه کمپرسورهاي بزرگاز یکساختار باز مورد استفاده قرار گرفته است. نشیمنگاه میل
شکل ساخته شده استتامیل لنگبتواند به راحتی از جاي خود خارج شود. همانطور که می U لنگ، بصورت
بینید کشیده شدن سیلندر به دو طرف، باعثباز شدن نشیمنگاه میل لنگمی شود. براي محافظتنشیمنگاه میل
در بالاي آن استفاده می شود. Crass piece لنگدر برابر این نیرو، ازمیله هایی بنام
در هنگام عبور گاز، دریچه کمپرسور بوسیله نیروي جریان گاز باز می شود. این دریچه تا زمانیکه نیروي وارد شده
از طرفجریان گاز از نیروي فنرها که در جهتمخالفاعمال می شود، بیشتر باشد،باز می ماند. در هر حال،
دریچه بایستی فقط در زمان پایان مراحل مکشوتراکم مربوطه، بسته شود و این عمل در مورد هر دو دریچه
ورودي و خروجی یکسان است.
در صورتیکه مقاومتفنر ها و سرعتگاز، متناسببا هم انتخابنشوند، عملکرد دریچه هامتعادل نخواهد بود.
فنر ها باید به گونه اي انتخاب شوند که به دریچه ها اجازه دهند تا در برابر نیروي وارد شده از طرفجریان گاز،
بدون لرزشباز شود. همچنین فنرها باید به اندازه کافی سفتباشند تا از بسته شدن دریچه، پساز پایان نقطه
مرگاطمینان حاصل شود.
اگر دریچه، بعد از پایان نقطه مرگهنوز باز بماند، در اثر برگشتجریان گاز و نیروي وارده از طرفآن، ضربه
شدیدي به دریچه وارد شده و احتمالا موجبصدمه دیدن آن خواهدشد.
حال یککمپرسور یکمرحله اي را در نظر بگیرید اگر فشار خروجی بیشترشود،نسبتفشار خروجی به ورودي
یا نسبتتراکم کمپرسور افزایشمی یابدوبازده حجمی کا هشمی یابد.
در نتیجه حجم گاز خروجی کمتر شده و ظرفیتکمپرسور کاهشمی یابد.
در این منحنی، تغییراتتوان خروجی بر حسبفشار خروجی نشان داده شده است.
ابتداي این منحنی را که داراي کمترین مقدار نسبت تراکم میباشد،در نظر بگیرید. اگر فشار خروجی کم کم
افزایشیابد،ابتدا توان خروجی، متناسببا نسبتتراکم افزایشمی یابد. باادامه افزایشفشار درخروجی، توان
خروجی به یکمقدار ماکزیمم رسیده وسپسسیر نزولی پیدا خواهد کرد.
به ورودي آن برگشت recycle در سیستمی که مشاهده می کنید،بخشی از گاز خروجی مرحله اول،توسط عمل
داده می شود و در نتیجه ظرفیت کمپرسور بصورت پیوسته کنترل می شود. این سیستم براي کمپرسورهاي چند
مرحله اي مناسبمی باشد. در این سیستم، مقداري از گاز عبوري از مرحله اول، برگشتداده شده و در نتیجه
میزان گاز عبوري از مرحله دوم کمتر از مرحله اول می باشد.
نخست تمامی جریان گازي که تحتسیستم کنترل ظرفیت قرارداد از مرحله اول عبور می کند. سپسمقداري از
آن برگشتداده شده وما بقی آن از مراحل بعدي عبور می کند. از خصوصیات این سیستم عبارتند از،
-1 کنترل آن پیوسته است.
-2 براي کمپرسورهاي چند مرحله اي بکار می رود.
-3 بازده آن مناسباست.
-4 ساختمان آن ساده است.
-5 از نظر هزینه، ارزان می باشد.

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:16
توربین
1. مقدمه
توربین، وسیله‌ای که انرژی یک جریان در حال حرکت از آب، بخار یا گاز را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. عنصر پایه در یک توربین یک چرخ یا گردنده همراه با پروانه، پره، تیغه یا تیغه‌های مکانیکی می‌باشد که در محیط آن به گونه‌ای چیده شده‌اند که سیال در حال حرکت یک نیروی مماسی وارد می‌کند و این باعث حرکت چرخ و اعمال انرژی به آن می‌گردد. سپس این انرژی مکانیکی از طریق یک محور محرک برای به کار انداختن یک ماشین، کمپرسور، ژنراتور الکتریکی، و یا پروانه انتقال می‌یابد. توربین‌ها به انواع توربین‌های هیدرولیکی یا آبی، توربین‌های بخار، یا توربین‌های گازی گروه‌بندی می‌گردند. امروزه ژنراتورهایی که از طریق توربین نیرو می‌گیرند بیشتر انرژی الکتریکی دنیا را تامین می‌نمایند. چرخ‌های باد که الکتریسیته تولید می‌کنند به عنوان توربین‌های بادی شناخته می‌شوند.

2. توربین‌های هیدرولیکی

توربین‌های هیدرولیکی برای تبدیل انرژی آب متحرک به انرژی قابل استفاده به کار می‌روند. توربین کاپلان بسیار شبیه پروانه قایق عمل می‌کند. تیغه‌های نوسان‌دار عریض توسط آبی که از آبگیر رها می‌شود به چرخش درمی‌آیند محور ژنراتور را می‌گردانند. توربین پلتون یک مدل قرن 19 است که بیشتر مانند یک چرخ آبی عمل می‌کند. چرخ طوری طراحی شده است که با برخورد آب رها شده از مخزن که از طریق لوله تحت فشار به تیغ‌های منحنی آن ضربه می‌زند، بچرخد. یک نازل برای تبدیل انرژی جنبشی آب پرفشار به یک جت قدرتمند به کار می‌رود و تیغه‌ها ممنتوم را جذب می‌کنند.
قدیمی‌ترین و ساده‌ترین شکل توربین هیدرولیک چرخ آبی بود، که اولین بار در یونان باستان استفاده گردید و متعاقباً در بیشتر اروپای باستان و قرون وسطی برای ساییدن غلات توسعه یافت. این چرخ از یک محور عمودی همراه با مجموعه‌ای از پره‌ها یا تیغه‌هایی که در یک جریان یا آب آسیاب سریع قرار گرفته بودند تشکیل شده بود. توان خروجی آن حدود 5/0 اسب بخار (hp) بود. چرخ آبی افقی (که یک محور افقی متصل به یک چرخ پره‌ای عمودی است)، که اولین بار توسط معمار و مهندس رومی، مارکوس ویترویوس پولیو[1]، در قرن اول قبل از میلاد معرفی گشت، بخش پایین‌تری از چرخه پره‌ای را درون جریان داشت، بنابراین به صورت یک چرخ آبی Undershot عمل می‌کرد.
در حدود قرن دوم بعد از میلاد، چرخ‌های overshoot موثرتر در نواحی تپه‌ای به کار آمدند. در اینجا آب از بالا روی پره‌ها ریخته می‌شد، و از آبی که سقوط می‌کرد انرژی اضافه بدست می‌آمد. حداکثر توان چرخ آبی، که از چوب ساخته شده بود، از حدود 3 hp به تقریباً 50 hp در قرون وسطی افزایش یافت.
انتقال از چرخ آبی به توربین بسیار معنادار می‌باشد. اولین تلاش مهم برای فرموله کردن یک بنیان برای طراحی چرخ آبی در قرن 18 توسط جان اسمیتن[2]، مهندس عمران بریتانیایی انجام شد، که اثبات نمود چرخ‌های overshoot موثرتر بودند. با این وجود، مهندس نظامی فرانسوی، ژان ویکتور پونسله[3]، یک چرخ undershoot اختراع کرد که پره‌های آن راندمان را به نزدیک 70 درصد افزایش دادند؛ این چرخ به سرعت بطور گسترده استفاده شد. مهندس نظامی فرانسوی دیگر، کلود بوردین[4]، عبارت توربین را ابداع نمود، و آن را به عنوان بخشی از یک بررسی تئوری که در آن وی روی سرعت دوران تاکید داشت معرفی کرد. بنوا فورنیرون[5]، که زیر دست بوردین در سنت آتین مطالعه می‌کرد، چرخ‌هایی را طراحی کرد و ساخت که به سرعت‌های rpm 60 یا بیشتر دست یافتند و تا حدود hp 50 برای آهنگران فرانسوی توان فراهم نمود. در نهایت فورنیون توربین‌هایی ساخت که در rpm 2300 کار می‌کردند و با راندمانی بیش از 80 درصد hp 60 را توسعه می‌دادند.
با وجود راندمان قابل توجه‌اش، توربین فورنیرون در نتیجه جریان شعاعی خارجی آب که از آن گذر می‌کرد اشکالاتی داشت. اگر جریان آب کاهش می‌یافت یا بار برداشته می‌شد مشکلاتی را به وجود می‌آورد. مهندس امریکایی متولد انگلستان، جیمز ب فرانسیس[6]، توربینی را طراحی نمود که در آن جریان به سمت داخل بود، و توربینی که بعدها عکس‌العملی یا فرانسیس نامیده شد در توربین‌های هیدرولیکی برای فشار آب، یا هد معادل با ستون آب 10 تا 100 متری (33 تا 330 فوتی) به طور گسترده به کار رفت. این نوع از توربین‌ها با گسترش نیروی فشار در آب در زمان جریان یافتن در گذرگاه پره‌ها، منجر به یک نیروی خالص، یا عکس‌العمل، می‌شدند که دارای یک مؤلفه مماسی بود که چرخ را می‌گردند.
توربین‌ها و توان هیدرولیکی
ژنراتورهای سد بونویل در اورگون همین که آب از توربین‌های بزرگ می‌گذرد و محورهای ژنراتورها را می‌گرداند الکتریسیته تولید می‌کنند. آب تحت فشار بالا پشت سد به درون یک کانال رها می‌شود، که در آنجا به پره‌های عرض توربین برخورد می‌کند و باعث می‌گردد با سرعت خیلی زیاد بچرخند. این نیروی مکانیکی از طریق یک محور محرک به ژنراتور منتقل می‌گردد.

برای نصب در مکان‌هایی که هد آب حدود 90 تا 900 متر (300 تا 3000 فوت) در دسترس بود، چرخ پلتون، که بعد از مهندسی امریکایی لستر آلن پلتون[7] نام گرفت، در نیمه دوم قرن 19 مورد استفاده قرار گرفت. در این توربین، آب از یک مخزن در سطح بالا از طریق یک مجرای طولانی، یا آبگیر، به سمت یک نازل لوله‌کشی می‌گردد، که در آنجا انرژی آب به انرژی جنبشی یک جت پرسرعت تبدیل می‌شود. آنگاه این جت به پره‌های منحنی برخورد می‌نماید، که جریان را با زاویه حدود 180 درجه می‌چرخانند و ممنتوم را جذب می‌کنند. از آنجا که عمل توربین پلتون به تکانه جت روی چرخ بستگی دارد، و نه به عکس‌العمل آب منبسط شده، این نوع از توربین را توربین ضربه‌ای یا تکانه‌ای می‌نامند.
تقاضای رو به افزایش برای نیروی هیدروالکتریک در اوایل قرن 20 منجر به نیازی به توربین‌های مناسب برای هد کم آب 3 تا 9 متر (10 تا 30 فوت) شد که می‌توانستند در بسیاری از رودخانه‌هایی که سد‌های کم ارتفاع را می‌شد روی آنها ساخت به کار روند. در سال 1913 مهندس استرالیایی ویکتور کاپلان[8] ابتدا توربین پره‌ای خود را پیشنهاد نمود که به طور ساده شبیه پروانه یک قایق در جهت عکس عمل می‌کرد. بعدها کاپلان با اجازه دادن به پره‌ها به دوران حول محورهای خود توربین‌اش را بهبود داد. این پره‌های با گام متغیر راندمان را با هماهنگ نمودن زاویه پره با هد یا میزان جریان بهبود بخشیدند.
برای برقرار نمودن ولتاژ خروجی ثابت در یک نصب هیدروالکتریکی، سرعت توربین باید صرف نظر از تغییرات فشار آب اعمال شده بر آن ثابت بماند. این نیازمند کنترل‌های گسترده‌ای است، که برای هر دو توربین کاپلان و فرانسیس، به طور اولیه برای باز و بسته کردن گذرگاه پره راهنما به منظور تنظیم نمودن جریان، و در مورد توربین کاپلان، تغییر گام پره‌ها، عمل می‌کند. در نصب یک توربین پلتون، جریان آب با باز یا بسته نمودن نازل‌های فراهم کننده تنظیم می‌شود. در اینجا، یک نازل با گذرگاه ریزش موقت باید تهیه شود، زیرا تغییرات سریع جریان در پره‌های طولانی موج‌های فشاری، به نام چکش آب، را تولید می‌کنند که می‌تواند بسیار تخریب کننده باشد. در زمان تنظیم، جریان آب از طریق نازل فراهم کننده و نازل ریزشی باید تقریباً با بسته شدن احتمالی گذرگاه، که باید به آرامی صورت گیرد تا از چکش آب جلوگیری شود، ثابت نگه داشته شوند.[9]
نمای شماتیک از یک توربین ضربه‌ای


انواع توربین‌ها
یک توربین انرژی را از شکل آب در حال سقوط به توان محور دورانی تبدیل می‌نماید. انتخاب بهترین توربین برای هر محل هیدرو بستگی به مشخصه‌های محل دارد، که مهم‌ترین آنها هد و جریان در دسترس می‌باشد. این انتخاب همچنین به سرعت مطلوب کارکرد ژنراتور یا هر وسیله دیگری که توربین را بارگذاری می‌کند وابسته است. ملاحظات دیگری نظیر اینکه آیا قرار است توربین توان را تحت شرایط جریان قطعه‌ای تولید نماید نیز نقش مهمی را برای انتخاب ایفا می‌کنند. همه توربین‌ها دارای مشخصه‌های توان-سرعت هستند. آنها در یک سرعت، هد و ترکیب جریان مشخص تمایل به کار کردن با حداکثر راندمان را دارند.
سرعت توربین طراحی شده بسیار به وسیله هدی که با آن کار می‌کند تعیین می‌گردد. توربین‌ها را می‌توان به انواع ماشین‌های با هد زیاد، هد متوسط و هد کم طبقه‌بندی نمود. همچنین توربین‌ها بر اساس روش کلیدی عملکرد‌شان تقسیم می‌گردند و می‌توانند ضربه‌ای یا عکس‌العملی باشند.

هد زیاد هد متوسط هد کم
توربین‌های ضربه‌ای پلتون
تورگو جریان جانبی
پلتون با چندین جت
تورگو جریان جانبی
توربین‌های عکس‌العملی فرانسیس پره‌ای
کاپلان

عنصر دورانی (که رانر [Runner] نام دارد) یک توربین عکس‌العملی به طور کامل در آب غوطه‌ور می‌شود و در یک پوشش فشار ضمیمه می‌گردد. پره‌های رانر طوری شکل داده شده‌اند که اختلاف فشار در راستای آنها نیروهای لیفت، همانند بال‌های هواپیما، را اعمال می‌کند، که باعث دوران رانر می‌گردند.
در مقابل، رانر توربین‌های ضربه‌ای در هوا عمل می‌کند، و به وسیله یک جت (یا جت‌هایی) از آب به حرکت درمی‌آید. در اینجا آب قبل و بعد از برخورد با پره‌ها در فشار اتمسفر باقی می‌ماند. در این حالت یک نازل آب با سرعت کم فشرده شده را به یک جت پرسرعت تبدیل می‌کند. پره‌های رانر جت را چنان دچار تغییر شکل می‌کنند که تفاوت در ممنتوم آب بیشینه شود و در نتیجه نیروی روی پره‌ها به حداکثر برسد.
توربین‌های ضربه‌ای معمولاً از توربین‌های عکس‌العملی ارزان‌ترند، زیرا نیازی به یک پوشش فشار ویژه یا حتی لقی که به دقت مهندسی شده باشد ندارند، اما با این وجود فقط برای هد نسبتاً بالا مناسب هستند.

توربین‌های ضربه‌ای
توربین‌های ضربه‌ای در مقایسه با توربین‌های عکس‌العملی عموماً برای کاربردهای میکرو-هیدرو مناسب‌ترند زیرا دارای مزیت‌های زیر می‌باشند:
v تلرانس بیشتر برای شن یا هر ذره دیگر درون آب،
v دسترسی بهتر به اجزای کاری،
v هیچ فشاری اطراف محور را آب‌بندی نمی‌کند،
v ساخت و نگهداری ساده‌تر،
v راندمان جریان-جزئی بهتر.
مهم‌ترین عیب توربین‌های ضربه‌ای این است که آنها اکثراً برای محل‌های با هد پایین مناسب نیستند زیرا به علت سرعت‌های مشخص پایین آنها افزایش چشمگیری در سرعت از سیستم انتقال لازم خواهد بود تا انتقال کوپلینگ را به الترناتور استاندارد ممکن سازد. توربین‌های جریان جانبی، تورگو و پلتون با چندین جت در هدهای متوسط مناسب هستند.

توربین پلتون
یک توربین پلتون از یک مجموعه از پره‌ها که به طور ویژه‌ای شکل گرفته‌اند روی محیط یک دیسک دایره‌ای قرار داده شده‌اند تشکیل شده است. این توربین توسط جت‌هایی از آب که از یک یا چندین نازل خارج می‌گردند و به پره‌ها ضربه می‌زنند به حرکت درمی‌آید. پره‌ها به دو نیمه تقسیم می‌شوند طوری که مساحت مرکزی به عنوان یک نقطه مرده ناتوان از تغییر شکل دادن جت خارج شده از جت عمل نمی‌کند. قسمت برش خورده در لبه پایینی به پره بعدی اجازه می‌دهد که قبل از برخورد کردن با جت موازی با پره قبلی بیشتر حرکت کند و همچنین اجازه ورودی یکنواخت‌تری از پره را به جت می‌دهد. پره پلتون طوری طراحی شده است تا جت را 165 درجه (نه 180 درجه) تغییر شکل دهد که این بیشینه زاویه ممکن بدون بازگشت جت به پره ماقبل برای جت ورودی می‌باشد.

رانر یک توربین پلتون

شکل پره در نصب هیدروی با مقیاس بزرگ توربین‌های پلتون به طور عادی فقط برای هد بالای 150 متر در نظر گرفته می‌شوند، اما برای کاربردهای میکرو-هیدرو توربین‌های پلتون می‌توانند به طور موثر برای هد پایینی حدود 20 متر نیز به کار روند. توربین‌های پلتون برای کمتر کاربرد ندارند زیرا سرعت‌های دورانی آنها خیلی کم می‌شود و رانر مورد نیاز بسیار بزرگ و سنگین است. اگر اندازه رانر و سرعت کم مشکلی برای یک نصب مشخص ایجاد نکنند، آنگاه یک توربین پلتون می‌تواند برای برای هد نسبتاً پایین به طور موثر به کار روند. اگر یک سرعت حرکت بالا و رانر کوچکتر مورد نیاز باشد آنگاه دو گزینه وجود دارند:
- افزایش تعداد جت‌ها.
داشتن دو یا چندین جت یک رانر کوچکتر را قادر می‌سازد تا برای یک جریان داده شده استفاده شود و سرعت دورانی را افزایش می‌دهد. توان مورد نیاز هنوز قابل دستیابی است و راندمان جریان-جزئی به ویژه خوب است زیرا چرخ می‌تواند با تعداد کاهش یافته‌ای از جت‌ها که هر جت هنوز جریان مطلوب را دریافت می‌کند کار کند.
- رانرهای دوتایی (دوقلو).
رانرهای دوتایی می‌توانند در یک محور قرار بگیرند چه سمت به سمت یا در سمت‌های مخالف ژنراتور. این پیکربندی غیرعادی است و فقط زمانی قابل استفاده می‌باشد که تعداد جت‌ها در هر واحد رانر بیشینه شده باشد، اما این اجازه کاربرد رانرهای با قطر کمتر و بنابراین با سرعت دورانی زیاد را می‌دهد.

توربین تورگو
توربین تورگو یک ماشین ضربه‌ای شبیه به یک توربین پلتون است که برای داشتن سرعت معین بیشتر طراحی شده بود. در این حالت جت‌ها ضربه زدن به صفحه رانر را در یک صفحه هدف قرار می‌دهند و روی دیگری موجود هستند. بنابراین میزان جریان با خارج نمودن سیال در تداخل با جت ورودی (شرایطی که در توربین پلتون برقرار است) محدود نمی‌گردد. در نتیجه، یک توربین تورگو می‌تواند رانری با قطر کمتری از توربین پلتون داشته باشد، بسیار به نظر می‌رسد که بتوان توربین‌های تورگو را مستقیماً به ژنراتور متصل نمود تا اینکه بخواهیم از افزایش دهنده‌های سرعت گران‌قیمت استفاده نماییم.
همانند توربین پلتون، توربین تورگو برای طیف گسترده‌ای از سرعت‌ها موثر است و مشخصه‌های عمومی توربین‌های ضربه‌ای که درمورد توربین پلتون لیست شده را مشترک است، علاوه بر این حقیقت که می‌تواند افقی و یا عمودی نصب شود. ساخت رانر یک توربین تورگو نسبت به توربین پلتون مشکل‌تر است و پره‌های این رانر شکننده‌تر از تیغه‌ای توربین پلتون هستند. زمانی آنها توسط گیلبرت، جایکز و گوردن[10]، یک سازنده انگلیسی که امتیاز انحصاری آنرا دارا بودند ساخته می‌شدند، اما اکنون در کشورهای متعدد دیگری ساخته می‌شوند.

واحد توان چند منظوره و قاتا (Ghatta)
قاتا یا چرخ آبی نپالی سنتی با یک محور عمودی است. آب از بالا وارد چرخ آبی می‌گردد. توربین از چوب ساخته شده است تا ساخت آسان و فنون تعمیری را قابل استفاده کند. یک نتیجه از این طراحی راندمان پایین و خروجی توان کم (حداکثر kW 12) می‌باشد.
از دل این قاتای سنتی قاتای بهبود یافته توسعه دید. چرخ آبی چوبی بهبود یافت و بعدها با یک نمونه فولادی با پره‌های گرد جایگزین شد. این امر انتقال ممنتوم آب را ارتقا داد و توان خروجی را دو برابر نمود.
واحد توان چند منظوره
واحد توان چند منظوره (MPPU) در طول زمان بین قاتا و قاتای بهبود یافته قرار گرفته است. نام چند منظوره به ساختمان MPPU ارتباط دارد که اتصال چندین ماشین به آن را ممکن می‌کند. مفهوم MPPU به سادگی همان قاتای پیشرفته است: یک محور عمودی با یا سنگ آسیاب دوار و ثابت. پیچیدگی فنی، توان خروجی و قیمت بین قااتی پیشرفته و توربین‌های جریان جانبی قرار دارند.
تمام اجزا به جای چوب از فولاد هستند، آب فراهم شده بهبود یافته است و اتلاف اصطکاک در مقایسه با قاتای پیشرفته کاهش یافته‌اند.
فلسفه طراحی آن تولید وسیله‌ای به سادگی و ارزانی ممکن بود. توجه ویژه‌ای به قابلیت حمل معطوف گشته بود.

توربین جریان جانبی
توربین جریان مرکزی که یک توربین میشل-بانکی نیز نامیده می‌شود یک رانر استوانه‌ای شکل دارد که از دو دیسک متصل به هم در نزدیکی لبه‌ها توسط مجموعه‌ای از پره‌ای منحنی تشکیل شده است. محور رانر یک توربین جریان مرکزی همیشه افقی است (برخلاف پلتون و تورگو که می‌تواند دارای جهت‌گیری افقی یا عمودی شفت باشد).
عملکرد:
در زمان عمل یک نازل مستطیلی جت را به تمام طول رانر هدایت می‌کند. آب با پره‌ها برخورد می‌کند و بیشتر انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد. آنگاه از طریق یک رانر عبور می‌کند و در هنگام خروج به پره‌ها ضربه می‌زند، و قبل از خارج شدن از توربین انرژی کمتری را وارد می‌کند. با وجود اینکه به طور محدود به عنوان یک توربین ضربه‌ای شناخته می‌شوند، نیروهای فشار هیدرودینامیکی نیز وجود دارند و تعریف جریان مخلوط دقیق‌تر است.
راندمان جریان جزئی:
راندمان جریان جزئی بالا می‌تواند در کمتر از یک چهارم یک جریان کامل به وسیله چیدمانی برای جریان جزئی نشان داده شده در شکل بدست آید. در جریان‌های کم، آب می‌تواند چه از طریق دو سوم یا یک سوم رانر به طور کانال‌شده به حرکت درآید، در نتیجه از یک راندمان نسبتاً بالا برای توربین حمایت می‌کند.


توربین‌های عکس‌العملی
توربین‌های عکس‌العملی که در اینجا مد نظر قرار گرفته‌اند توربین فرانسیس و پره‌ای می‌باشند. یک حالت خاص از توربین‌های پره‌ای توربین کاپلان می‌باشد. در تمام این حالات، سرعت مخصوص بالا است، یعنی توربین‌های عکس‌العملی از توربین‌های ضربه‌ای در شرایط هد و جریان یکسان سریع‌تر می‌چرخند. این امر این نتایج بسیار مهم را دارد که یک توربین عکس‌العملی غالباً می‌تواند به یک الترناتور متصل شود بدون اینکه نیازی به یک سیستم حرکتی افزایش دهنده سرعت داشته باشد. با حذف سیستم محرک صرفه‌جویی مالی خوبی به دست آمد و نگهداری واحد هیدرو بسیار ساده‌تر است. توربین فرانسیس برای هد متوسط مناسب است، در حالیکه توربین پره‌ای بیشتر برای هد کم بکار می‌آید.
در مجموع توربین‌های عکس‌العملی به ساخت پیچیده‌تری نسبت به توربین‌های ضربه‌ای نیلز دارند، زیرا ساخت آنها شامل پره‌های با پروفیل پیچیده‌تر همراه با پوشش با شکل‌دهی دقیق می‌باشد. هزینه‌های اضافی به وسیله راندمان بالا و مزایای سرعت‌های حرکتی زیاد در هد کم از ماشین‌های نسبتاً فشرده جبران می‌گردد.
محدودیت‌های ساخت جذابیت این توربین‌ها را برای استفاده در میکرو-هیدرو در کشور‌های در حال توسعه کم نموده است. با این وجود به دلیل اهمیت میکرو-هیدرو با هد کم، کارهایی برای توسعه ماشین‌های پره‌ای، که ساده‌تر ساخته می‌شوند، صورت گرفته است. بیشتر توربین‌های ضربه‌ای مشخصه راندمانی جریان-جزئی کمی دارند.

توربین فرانسیس
توربین‌های فرانسیس می‌توانند یا ماشین پوشش مارپیچی و یا مجرای باز باشند. پوشش مارپیچی طوری باریک می‌گردد که بتواند آب را به طور یکنواخت در تمام محیط رانر پخش نماید و پروانه‌ها را هدایت کند تا آب را با زاویه مناسب به رانر تغذیه کنند. پره‌های رانر به روشی پیچیده شکل داده شده‌اند و آب را طوری مسیردهی می‌کنند که به طور محوری از مرکز رانر خارج شود. در حین انجام این کار آب بیشتر انرژی فشاری خود را قبل از ترک توربین از طریق یک لوله آماده به رانر منتقل می‌کند.
توربین فرانسیس عموماً با پره‌های هدایتی قابل تنظیم، ست می‌شود. این جریان آب را در زمان ورود به رانر تنظیم می‌کند و معمولاً به یک سیستم کنترل‌کننده متصل است که جریان ورودی به بارگذاری توربین را به همان روش سوپاپ نیزه‌ای یا صفحه تغییر شکل‌دهنده در یک توربین پلتون هماهنگ می‌نماید. زمانی که جریان کاهش می‌یابد راندمان توربین نیز افت می‌کند.

توربین پره‌ای
توربین پره‌ای ساده شامل یک پروانه، شبیه به پروانه کشتی، است که درون یک امتداد از لوله سرناوه (آبگیر) قرار گرفته است. محور توربین در نقطه‌ای که توربین تغییر جهت می‌دهد به خارج از لوله انتقال می‌یابد. پروانه معمولاً سه تا شش پره دارد، سه تا برای حالت واحد هد بسیار کم و جریان آب توسط پره‌های ایستا یا درگاهی‌های حلقوی تنظیم می‌گردد. این نوع از توربین‌های پره‌ای به عنوان یک توربین جریان محوری با پره ثابت شناخته می‌شود زیرا زاویه گام پره‌های راوتر قابل تغییر نمی‌باشد. راندمان جریان جزئی توربین‌های پره‌ای با پره‌های ثابت خیلی ضعیف است.
توربین کاپلان

مکان‌های هیدروی با مقیاس بزرگ از ویرایش‌های پیچیده‌تر توربین‌های پره‌ای استفاده می‌کنند. با تغییر دادن گام پره‌های پروانه همراه با تنظیم دهانه دریچه‌ای ثابت نگه داشتن یک راندمان منطقی را برای شرایط جریان جزئی ممکن می‌سازد. چنین توربین‌هایی تحت عنوان گام متغیر یا توربین‌های کاپلان شناخته می‌شوند.

توربین‌های پمپ معکوس
پمپ‌های گریز از مرکز می‌توانند با گذراندن آب به طور معکوس از درونشان به صورت یک توربین عمل کنند. تحقیقاتی به عمل آمده است تا عملکرد پمپ‌ها به عنوان توربین را دقیق‌تر پیش‌بینی کنند.
مزایای پتانسیلی آنها هزینه کم در تولید انبوه (و نیز در بسیاری حالات برای تولید محلی)، در دسترس بودن اجزای یدکی و شبکه‌های فروش/پشتیبانی گسترده‌تر هستند. معایب آنها این است که مشخصه‌های عملکردی کمتر شناخته شده‌ و راندمان جریان جزئی بسیار ضعیفی دارند. شرکت‌ها متعددی پمپ‌ها رل به عنوان توربین در زمان‌های گوناگون استفاده نموده‌اند، اما این فناوری هنوز اثبات نشده است و عملکرد آنها نسبتاً ضعیف می‌باشد.

توربین پلتون
1. مقدمه
پس از احتراق زیست توده‌ای، قوه محرکه مولد برق[11] پرکاربردترین منبع انرژی قابل تجدید برای تولید الکتریسیته می‌باشد. در یک دستگاه هیدروپاور، انرژی جنبشی آب در جریان با کمک یک توربین به انرژی مکانیکی تبدیل می‌گردد. سپس انرژی مکانیکی برای گرداندن یک ژنراتور و تولید انرژی الکتریکی به کار می‌رود. انواع گوناگونی از توربین وجود دارد و انتخاب توربین به حجم جریان یا آب در دسترس و هد، یا اختلاف ارتفاع بین توربین و سطح منبع آب (یعنی فشار آب) بستگی دارد. تمام انواع توربین‌ها می‌توانند بنا به توان موجود در جریان آب و خروجی الکتریکی مورد نیاز در اندزه‌های مختلف ساخته شوند. در مکان‌هایی که هد زیاد اما حجم کم جریان وجود دارد، نظیر نواحی کوهستانی، توربین پلتون معمولاً استفاده می‌شود.
2. توربین پلتون
بر خلاف بسیاری از توربین‌هایی که با آب کار می‌کنند، توربین پلتون در هوا دوران می‌کند در حالیکه یک جت آب، یا گاهی بیش از یک جت، از طریق یک نازل به طور مماسی به توربین ضربه می‌زند. توربین دارای مجموعه‌ای تیغه‌های یکسان حول محیط خود می‌باشد. هر تیغه توسط یک برآمدگی تیز که جت را به دو قسمت تقسیم می‌کند به دو نیمه جدا شده است. اگر هندسه جت و تیغه ایده‌آل باشند، سرعت جریان آب به صورت زیر است
و
و بیش از 90% انرژی جنبشی جت آب می‌تواند به محور توربین منتقل شود. سرعت‌های آب در شکل زیر نمایش داده شده‌اند.




شکل 1
3. محاسبات با استفاده از توربین آبی
جریان حجم آب در نازل Q است و فشار آب p می‌باشد. در آزمایشگاه، فشار را می‌توان با استفاده از یک پمپ تنظیم نمود و حجم را با به کار بردن یک اندازه‌گیر جریان حجمی مغناطیسی بدست آورد. فشار را با یک مانومتر جیوه‌ای (در فشار هوای نسبی) محاسبه می‌کنند. این کار با استفاده از رابطه زیر انجام می‌شود.
که در آن r چگالی (جرم حجمی) سیال مانومتر (rHg=13550 kg/m3)، g شتاب جاذبه (g=9.81m/s2) و h اختلاف ارتفاع بین دو سطح جیوه می‌باشد. توان مکانیکی در دسترس برای جت عبارت است از
سرعت جت آب از رابطه زیر بدست می‌آید
که در آن A مساحت سطح مقطع نازل می‌باشد. برای یک نازل با سطح مقطع دایره‌ای و قطر D، .
شکل 2
گشتاور توربین با ترمز گیری در محور توربین در زمانی که در حال دوران می‌باشد بدست می‌آید. این کار با تنگ کردن یک اهرم ترمز چوبی، با طول موثر l، که محور را فشار می‌دهد انجام می‌گیرد. یک نیروی اصطکاک باعث می‌گردد که اهرم ترمز یک نیروی (F) در زوایای عمود بر طولش تجربه نماید (شکل 3). این نیرو با استفاده از مقیاس فنری ژول محاسبه می‌شود. گشتاور است و توان در محور برابر است با
که در آن سرعت زاویه‌ای توربین می‌باشد. سرعت دوران r=ω/2p است و L شعاع چرخ توربین از مرکز محور تا نقطه‌ای است که جت با تیغه‌ها برخورد می‌نماید. سرعت دوران (r) یا استفاده از یک نور استروبوسکوپی و مشاهده یک علامت روی کمربند چرخ توربین محاسبه می‌گردد. استروسکوپ ابتدا روی بسامدهای بیشینه آن تنظیم می‌گردد که کاهش می‌یابد. زمانی که علائم روی کمربند چرخ ساکن می‌گردند، فرکانس استروسکوپ برابر سرعت دوران توربین می‌شود.
شکل 3

راندمان مکانیکی توربین بیان می‌کند که انرژی مکانیکی آب در دسترس با چه بازدهی به توربین منتقل می‌گردد و برابر است با
میزان خطا sh در راندمان با رابطه زیر نمایش داده می‌شود
که در آن sp…sF اندازه‌های خطاهای محاسباتی هستند.
توربین آبی توسط یک تسمه محرک به یک ژنراتور الکتریکی متصل است. کار مکانیکی توربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود (شکل 4). با استفاده از یک مقاومت قابل تنظیم، بار قابل تنظیم می‌تواند به خروجی ژنراتور کوپل شود. توان الکتریکی تولید شده در مقاومت برابر است با
شکل 4
زمانی که ژنراتور به توربین وصل می‌شود، ترکیب راندمان الکتریکی توربین-ژنراتور (he) و راندمان کلی (htot) برابرند با
خطای معادل عبارت است از


________________________________________
[1] Marcus Vitruvius Pollio
[2] John Smeaton
[3] Jean Victor Poncelet
[4] John Burdin
[5] Benoit Fourneyon
[6] James B. Francis
[7] Lester Allen Pelton
[8] Victor Kaplan
[9] ¬ منبع: Microsoft Encarta Premium Suite 2005
[10] Gilbert, Gikes, and Gordon
[11] hydropower

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:24
توربین
1. مقدمه
توربین، وسیله‌ای که انرژی یک جریان در حال حرکت از آب، بخار یا گاز را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. عنصر پایه در یک توربین یک چرخ یا گردنده همراه با پروانه، پره، تیغه یا تیغه‌های مکانیکی می‌باشد که در محیط آن به گونه‌ای چیده شده‌اند که سیال در حال حرکت یک نیروی مماسی وارد می‌کند و این باعث حرکت چرخ و اعمال انرژی به آن می‌گردد. سپس این انرژی مکانیکی از طریق یک محور محرک برای به کار انداختن یک ماشین، کمپرسور، ژنراتور الکتریکی، و یا پروانه انتقال می‌یابد. توربین‌ها به انواع توربین‌های هیدرولیکی یا آبی، توربین‌های بخار، یا توربین‌های گازی گروه‌بندی می‌گردند. امروزه ژنراتورهایی که از طریق توربین نیرو می‌گیرند بیشتر انرژی الکتریکی دنیا را تامین می‌نمایند. چرخ‌های باد که الکتریسیته تولید می‌کنند به عنوان توربین‌های بادی شناخته می‌شوند.

2. توربین‌های هیدرولیکی

توربین‌های هیدرولیکی برای تبدیل انرژی آب متحرک به انرژی قابل استفاده به کار می‌روند. توربین کاپلان بسیار شبیه پروانه قایق عمل می‌کند. تیغه‌های نوسان‌دار عریض توسط آبی که از آبگیر رها می‌شود به چرخش درمی‌آیند محور ژنراتور را می‌گردانند. توربین پلتون یک مدل قرن 19 است که بیشتر مانند یک چرخ آبی عمل می‌کند. چرخ طوری طراحی شده است که با برخورد آب رها شده از مخزن که از طریق لوله تحت فشار به تیغ‌های منحنی آن ضربه می‌زند، بچرخد. یک نازل برای تبدیل انرژی جنبشی آب پرفشار به یک جت قدرتمند به کار می‌رود و تیغه‌ها ممنتوم را جذب می‌کنند.
قدیمی‌ترین و ساده‌ترین شکل توربین هیدرولیک چرخ آبی بود، که اولین بار در یونان باستان استفاده گردید و متعاقباً در بیشتر اروپای باستان و قرون وسطی برای ساییدن غلات توسعه یافت. این چرخ از یک محور عمودی همراه با مجموعه‌ای از پره‌ها یا تیغه‌هایی که در یک جریان یا آب آسیاب سریع قرار گرفته بودند تشکیل شده بود. توان خروجی آن حدود 5/0 اسب بخار (hp) بود. چرخ آبی افقی (که یک محور افقی متصل به یک چرخ پره‌ای عمودی است)، که اولین بار توسط معمار و مهندس رومی، مارکوس ویترویوس پولیو[1]، در قرن اول قبل از میلاد معرفی گشت، بخش پایین‌تری از چرخه پره‌ای را درون جریان داشت، بنابراین به صورت یک چرخ آبی Undershot عمل می‌کرد.
در حدود قرن دوم بعد از میلاد، چرخ‌های overshoot موثرتر در نواحی تپه‌ای به کار آمدند. در اینجا آب از بالا روی پره‌ها ریخته می‌شد، و از آبی که سقوط می‌کرد انرژی اضافه بدست می‌آمد. حداکثر توان چرخ آبی، که از چوب ساخته شده بود، از حدود 3 hp به تقریباً 50 hp در قرون وسطی افزایش یافت.
انتقال از چرخ آبی به توربین بسیار معنادار می‌باشد. اولین تلاش مهم برای فرموله کردن یک بنیان برای طراحی چرخ آبی در قرن 18 توسط جان اسمیتن[2]، مهندس عمران بریتانیایی انجام شد، که اثبات نمود چرخ‌های overshoot موثرتر بودند. با این وجود، مهندس نظامی فرانسوی، ژان ویکتور پونسله[3]، یک چرخ undershoot اختراع کرد که پره‌های آن راندمان را به نزدیک 70 درصد افزایش دادند؛ این چرخ به سرعت بطور گسترده استفاده شد. مهندس نظامی فرانسوی دیگر، کلود بوردین[4]، عبارت توربین را ابداع نمود، و آن را به عنوان بخشی از یک بررسی تئوری که در آن وی روی سرعت دوران تاکید داشت معرفی کرد. بنوا فورنیرون[5]، که زیر دست بوردین در سنت آتین مطالعه می‌کرد، چرخ‌هایی را طراحی کرد و ساخت که به سرعت‌های rpm 60 یا بیشتر دست یافتند و تا حدود hp 50 برای آهنگران فرانسوی توان فراهم نمود. در نهایت فورنیون توربین‌هایی ساخت که در rpm 2300 کار می‌کردند و با راندمانی بیش از 80 درصد hp 60 را توسعه می‌دادند.
با وجود راندمان قابل توجه‌اش، توربین فورنیرون در نتیجه جریان شعاعی خارجی آب که از آن گذر می‌کرد اشکالاتی داشت. اگر جریان آب کاهش می‌یافت یا بار برداشته می‌شد مشکلاتی را به وجود می‌آورد. مهندس امریکایی متولد انگلستان، جیمز ب فرانسیس[6]، توربینی را طراحی نمود که در آن جریان به سمت داخل بود، و توربینی که بعدها عکس‌العملی یا فرانسیس نامیده شد در توربین‌های هیدرولیکی برای فشار آب، یا هد معادل با ستون آب 10 تا 100 متری (33 تا 330 فوتی) به طور گسترده به کار رفت. این نوع از توربین‌ها با گسترش نیروی فشار در آب در زمان جریان یافتن در گذرگاه پره‌ها، منجر به یک نیروی خالص، یا عکس‌العمل، می‌شدند که دارای یک مؤلفه مماسی بود که چرخ را می‌گردند.
توربین‌ها و توان هیدرولیکی
ژنراتورهای سد بونویل در اورگون همین که آب از توربین‌های بزرگ می‌گذرد و محورهای ژنراتورها را می‌گرداند الکتریسیته تولید می‌کنند. آب تحت فشار بالا پشت سد به درون یک کانال رها می‌شود، که در آنجا به پره‌های عرض توربین برخورد می‌کند و باعث می‌گردد با سرعت خیلی زیاد بچرخند. این نیروی مکانیکی از طریق یک محور محرک به ژنراتور منتقل می‌گردد.

برای نصب در مکان‌هایی که هد آب حدود 90 تا 900 متر (300 تا 3000 فوت) در دسترس بود، چرخ پلتون، که بعد از مهندسی امریکایی لستر آلن پلتون[7] نام گرفت، در نیمه دوم قرن 19 مورد استفاده قرار گرفت. در این توربین، آب از یک مخزن در سطح بالا از طریق یک مجرای طولانی، یا آبگیر، به سمت یک نازل لوله‌کشی می‌گردد، که در آنجا انرژی آب به انرژی جنبشی یک جت پرسرعت تبدیل می‌شود. آنگاه این جت به پره‌های منحنی برخورد می‌نماید، که جریان را با زاویه حدود 180 درجه می‌چرخانند و ممنتوم را جذب می‌کنند. از آنجا که عمل توربین پلتون به تکانه جت روی چرخ بستگی دارد، و نه به عکس‌العمل آب منبسط شده، این نوع از توربین را توربین ضربه‌ای یا تکانه‌ای می‌نامند.
تقاضای رو به افزایش برای نیروی هیدروالکتریک در اوایل قرن 20 منجر به نیازی به توربین‌های مناسب برای هد کم آب 3 تا 9 متر (10 تا 30 فوت) شد که می‌توانستند در بسیاری از رودخانه‌هایی که سد‌های کم ارتفاع را می‌شد روی آنها ساخت به کار روند. در سال 1913 مهندس استرالیایی ویکتور کاپلان[8] ابتدا توربین پره‌ای خود را پیشنهاد نمود که به طور ساده شبیه پروانه یک قایق در جهت عکس عمل می‌کرد. بعدها کاپلان با اجازه دادن به پره‌ها به دوران حول محورهای خود توربین‌اش را بهبود داد. این پره‌های با گام متغیر راندمان را با هماهنگ نمودن زاویه پره با هد یا میزان جریان بهبود بخشیدند.
برای برقرار نمودن ولتاژ خروجی ثابت در یک نصب هیدروالکتریکی، سرعت توربین باید صرف نظر از تغییرات فشار آب اعمال شده بر آن ثابت بماند. این نیازمند کنترل‌های گسترده‌ای است، که برای هر دو توربین کاپلان و فرانسیس، به طور اولیه برای باز و بسته کردن گذرگاه پره راهنما به منظور تنظیم نمودن جریان، و در مورد توربین کاپلان، تغییر گام پره‌ها، عمل می‌کند. در نصب یک توربین پلتون، جریان آب با باز یا بسته نمودن نازل‌های فراهم کننده تنظیم می‌شود. در اینجا، یک نازل با گذرگاه ریزش موقت باید تهیه شود، زیرا تغییرات سریع جریان در پره‌های طولانی موج‌های فشاری، به نام چکش آب، را تولید می‌کنند که می‌تواند بسیار تخریب کننده باشد. در زمان تنظیم، جریان آب از طریق نازل فراهم کننده و نازل ریزشی باید تقریباً با بسته شدن احتمالی گذرگاه، که باید به آرامی صورت گیرد تا از چکش آب جلوگیری شود، ثابت نگه داشته شوند.[9]
نمای شماتیک از یک توربین ضربه‌ای


انواع توربین‌ها
یک توربین انرژی را از شکل آب در حال سقوط به توان محور دورانی تبدیل می‌نماید. انتخاب بهترین توربین برای هر محل هیدرو بستگی به مشخصه‌های محل دارد، که مهم‌ترین آنها هد و جریان در دسترس می‌باشد. این انتخاب همچنین به سرعت مطلوب کارکرد ژنراتور یا هر وسیله دیگری که توربین را بارگذاری می‌کند وابسته است. ملاحظات دیگری نظیر اینکه آیا قرار است توربین توان را تحت شرایط جریان قطعه‌ای تولید نماید نیز نقش مهمی را برای انتخاب ایفا می‌کنند. همه توربین‌ها دارای مشخصه‌های توان-سرعت هستند. آنها در یک سرعت، هد و ترکیب جریان مشخص تمایل به کار کردن با حداکثر راندمان را دارند.
سرعت توربین طراحی شده بسیار به وسیله هدی که با آن کار می‌کند تعیین می‌گردد. توربین‌ها را می‌توان به انواع ماشین‌های با هد زیاد، هد متوسط و هد کم طبقه‌بندی نمود. همچنین توربین‌ها بر اساس روش کلیدی عملکرد‌شان تقسیم می‌گردند و می‌توانند ضربه‌ای یا عکس‌العملی باشند.

هد زیاد هد متوسط هد کم
توربین‌های ضربه‌ای پلتون
تورگو جریان جانبی
پلتون با چندین جت
تورگو جریان جانبی
توربین‌های عکس‌العملی فرانسیس پره‌ای
کاپلان

عنصر دورانی (که رانر [Runner] نام دارد) یک توربین عکس‌العملی به طور کامل در آب غوطه‌ور می‌شود و در یک پوشش فشار ضمیمه می‌گردد. پره‌های رانر طوری شکل داده شده‌اند که اختلاف فشار در راستای آنها نیروهای لیفت، همانند بال‌های هواپیما، را اعمال می‌کند، که باعث دوران رانر می‌گردند.
در مقابل، رانر توربین‌های ضربه‌ای در هوا عمل می‌کند، و به وسیله یک جت (یا جت‌هایی) از آب به حرکت درمی‌آید. در اینجا آب قبل و بعد از برخورد با پره‌ها در فشار اتمسفر باقی می‌ماند. در این حالت یک نازل آب با سرعت کم فشرده شده را به یک جت پرسرعت تبدیل می‌کند. پره‌های رانر جت را چنان دچار تغییر شکل می‌کنند که تفاوت در ممنتوم آب بیشینه شود و در نتیجه نیروی روی پره‌ها به حداکثر برسد.
توربین‌های ضربه‌ای معمولاً از توربین‌های عکس‌العملی ارزان‌ترند، زیرا نیازی به یک پوشش فشار ویژه یا حتی لقی که به دقت مهندسی شده باشد ندارند، اما با این وجود فقط برای هد نسبتاً بالا مناسب هستند.

توربین‌های ضربه‌ای
توربین‌های ضربه‌ای در مقایسه با توربین‌های عکس‌العملی عموماً برای کاربردهای میکرو-هیدرو مناسب‌ترند زیرا دارای مزیت‌های زیر می‌باشند:
v تلرانس بیشتر برای شن یا هر ذره دیگر درون آب،
v دسترسی بهتر به اجزای کاری،
v هیچ فشاری اطراف محور را آب‌بندی نمی‌کند،
v ساخت و نگهداری ساده‌تر،
v راندمان جریان-جزئی بهتر.
مهم‌ترین عیب توربین‌های ضربه‌ای این است که آنها اکثراً برای محل‌های با هد پایین مناسب نیستند زیرا به علت سرعت‌های مشخص پایین آنها افزایش چشمگیری در سرعت از سیستم انتقال لازم خواهد بود تا انتقال کوپلینگ را به الترناتور استاندارد ممکن سازد. توربین‌های جریان جانبی، تورگو و پلتون با چندین جت در هدهای متوسط مناسب هستند.

توربین پلتون
یک توربین پلتون از یک مجموعه از پره‌ها که به طور ویژه‌ای شکل گرفته‌اند روی محیط یک دیسک دایره‌ای قرار داده شده‌اند تشکیل شده است. این توربین توسط جت‌هایی از آب که از یک یا چندین نازل خارج می‌گردند و به پره‌ها ضربه می‌زنند به حرکت درمی‌آید. پره‌ها به دو نیمه تقسیم می‌شوند طوری که مساحت مرکزی به عنوان یک نقطه مرده ناتوان از تغییر شکل دادن جت خارج شده از جت عمل نمی‌کند. قسمت برش خورده در لبه پایینی به پره بعدی اجازه می‌دهد که قبل از برخورد کردن با جت موازی با پره قبلی بیشتر حرکت کند و همچنین اجازه ورودی یکنواخت‌تری از پره را به جت می‌دهد. پره پلتون طوری طراحی شده است تا جت را 165 درجه (نه 180 درجه) تغییر شکل دهد که این بیشینه زاویه ممکن بدون بازگشت جت به پره ماقبل برای جت ورودی می‌باشد.

رانر یک توربین پلتون

شکل پره در نصب هیدروی با مقیاس بزرگ توربین‌های پلتون به طور عادی فقط برای هد بالای 150 متر در نظر گرفته می‌شوند، اما برای کاربردهای میکرو-هیدرو توربین‌های پلتون می‌توانند به طور موثر برای هد پایینی حدود 20 متر نیز به کار روند. توربین‌های پلتون برای کمتر کاربرد ندارند زیرا سرعت‌های دورانی آنها خیلی کم می‌شود و رانر مورد نیاز بسیار بزرگ و سنگین است. اگر اندازه رانر و سرعت کم مشکلی برای یک نصب مشخص ایجاد نکنند، آنگاه یک توربین پلتون می‌تواند برای برای هد نسبتاً پایین به طور موثر به کار روند. اگر یک سرعت حرکت بالا و رانر کوچکتر مورد نیاز باشد آنگاه دو گزینه وجود دارند:
- افزایش تعداد جت‌ها.
داشتن دو یا چندین جت یک رانر کوچکتر را قادر می‌سازد تا برای یک جریان داده شده استفاده شود و سرعت دورانی را افزایش می‌دهد. توان مورد نیاز هنوز قابل دستیابی است و راندمان جریان-جزئی به ویژه خوب است زیرا چرخ می‌تواند با تعداد کاهش یافته‌ای از جت‌ها که هر جت هنوز جریان مطلوب را دریافت می‌کند کار کند.
- رانرهای دوتایی (دوقلو).
رانرهای دوتایی می‌توانند در یک محور قرار بگیرند چه سمت به سمت یا در سمت‌های مخالف ژنراتور. این پیکربندی غیرعادی است و فقط زمانی قابل استفاده می‌باشد که تعداد جت‌ها در هر واحد رانر بیشینه شده باشد، اما این اجازه کاربرد رانرهای با قطر کمتر و بنابراین با سرعت دورانی زیاد را می‌دهد.

توربین تورگو
توربین تورگو یک ماشین ضربه‌ای شبیه به یک توربین پلتون است که برای داشتن سرعت معین بیشتر طراحی شده بود. در این حالت جت‌ها ضربه زدن به صفحه رانر را در یک صفحه هدف قرار می‌دهند و روی دیگری موجود هستند. بنابراین میزان جریان با خارج نمودن سیال در تداخل با جت ورودی (شرایطی که در توربین پلتون برقرار است) محدود نمی‌گردد. در نتیجه، یک توربین تورگو می‌تواند رانری با قطر کمتری از توربین پلتون داشته باشد، بسیار به نظر می‌رسد که بتوان توربین‌های تورگو را مستقیماً به ژنراتور متصل نمود تا اینکه بخواهیم از افزایش دهنده‌های سرعت گران‌قیمت استفاده نماییم.
همانند توربین پلتون، توربین تورگو برای طیف گسترده‌ای از سرعت‌ها موثر است و مشخصه‌های عمومی توربین‌های ضربه‌ای که درمورد توربین پلتون لیست شده را مشترک است، علاوه بر این حقیقت که می‌تواند افقی و یا عمودی نصب شود. ساخت رانر یک توربین تورگو نسبت به توربین پلتون مشکل‌تر است و پره‌های این رانر شکننده‌تر از تیغه‌ای توربین پلتون هستند. زمانی آنها توسط گیلبرت، جایکز و گوردن[10]، یک سازنده انگلیسی که امتیاز انحصاری آنرا دارا بودند ساخته می‌شدند، اما اکنون در کشورهای متعدد دیگری ساخته می‌شوند.

واحد توان چند منظوره و قاتا (Ghatta)
قاتا یا چرخ آبی نپالی سنتی با یک محور عمودی است. آب از بالا وارد چرخ آبی می‌گردد. توربین از چوب ساخته شده است تا ساخت آسان و فنون تعمیری را قابل استفاده کند. یک نتیجه از این طراحی راندمان پایین و خروجی توان کم (حداکثر kW 12) می‌باشد.
از دل این قاتای سنتی قاتای بهبود یافته توسعه دید. چرخ آبی چوبی بهبود یافت و بعدها با یک نمونه فولادی با پره‌های گرد جایگزین شد. این امر انتقال ممنتوم آب را ارتقا داد و توان خروجی را دو برابر نمود.
واحد توان چند منظوره
واحد توان چند منظوره (MPPU) در طول زمان بین قاتا و قاتای بهبود یافته قرار گرفته است. نام چند منظوره به ساختمان MPPU ارتباط دارد که اتصال چندین ماشین به آن را ممکن می‌کند. مفهوم MPPU به سادگی همان قاتای پیشرفته است: یک محور عمودی با یا سنگ آسیاب دوار و ثابت. پیچیدگی فنی، توان خروجی و قیمت بین قااتی پیشرفته و توربین‌های جریان جانبی قرار دارند.
تمام اجزا به جای چوب از فولاد هستند، آب فراهم شده بهبود یافته است و اتلاف اصطکاک در مقایسه با قاتای پیشرفته کاهش یافته‌اند.
فلسفه طراحی آن تولید وسیله‌ای به سادگی و ارزانی ممکن بود. توجه ویژه‌ای به قابلیت حمل معطوف گشته بود.

توربین جریان جانبی
توربین جریان مرکزی که یک توربین میشل-بانکی نیز نامیده می‌شود یک رانر استوانه‌ای شکل دارد که از دو دیسک متصل به هم در نزدیکی لبه‌ها توسط مجموعه‌ای از پره‌ای منحنی تشکیل شده است. محور رانر یک توربین جریان مرکزی همیشه افقی است (برخلاف پلتون و تورگو که می‌تواند دارای جهت‌گیری افقی یا عمودی شفت باشد).
عملکرد:
در زمان عمل یک نازل مستطیلی جت را به تمام طول رانر هدایت می‌کند. آب با پره‌ها برخورد می‌کند و بیشتر انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد. آنگاه از طریق یک رانر عبور می‌کند و در هنگام خروج به پره‌ها ضربه می‌زند، و قبل از خارج شدن از توربین انرژی کمتری را وارد می‌کند. با وجود اینکه به طور محدود به عنوان یک توربین ضربه‌ای شناخته می‌شوند، نیروهای فشار هیدرودینامیکی نیز وجود دارند و تعریف جریان مخلوط دقیق‌تر است.
راندمان جریان جزئی:
راندمان جریان جزئی بالا می‌تواند در کمتر از یک چهارم یک جریان کامل به وسیله چیدمانی برای جریان جزئی نشان داده شده در شکل بدست آید. در جریان‌های کم، آب می‌تواند چه از طریق دو سوم یا یک سوم رانر به طور کانال‌شده به حرکت درآید، در نتیجه از یک راندمان نسبتاً بالا برای توربین حمایت می‌کند.


توربین‌های عکس‌العملی
توربین‌های عکس‌العملی که در اینجا مد نظر قرار گرفته‌اند توربین فرانسیس و پره‌ای می‌باشند. یک حالت خاص از توربین‌های پره‌ای توربین کاپلان می‌باشد. در تمام این حالات، سرعت مخصوص بالا است، یعنی توربین‌های عکس‌العملی از توربین‌های ضربه‌ای در شرایط هد و جریان یکسان سریع‌تر می‌چرخند. این امر این نتایج بسیار مهم را دارد که یک توربین عکس‌العملی غالباً می‌تواند به یک الترناتور متصل شود بدون اینکه نیازی به یک سیستم حرکتی افزایش دهنده سرعت داشته باشد. با حذف سیستم محرک صرفه‌جویی مالی خوبی به دست آمد و نگهداری واحد هیدرو بسیار ساده‌تر است. توربین فرانسیس برای هد متوسط مناسب است، در حالیکه توربین پره‌ای بیشتر برای هد کم بکار می‌آید.
در مجموع توربین‌های عکس‌العملی به ساخت پیچیده‌تری نسبت به توربین‌های ضربه‌ای نیلز دارند، زیرا ساخت آنها شامل پره‌های با پروفیل پیچیده‌تر همراه با پوشش با شکل‌دهی دقیق می‌باشد. هزینه‌های اضافی به وسیله راندمان بالا و مزایای سرعت‌های حرکتی زیاد در هد کم از ماشین‌های نسبتاً فشرده جبران می‌گردد.
محدودیت‌های ساخت جذابیت این توربین‌ها را برای استفاده در میکرو-هیدرو در کشور‌های در حال توسعه کم نموده است. با این وجود به دلیل اهمیت میکرو-هیدرو با هد کم، کارهایی برای توسعه ماشین‌های پره‌ای، که ساده‌تر ساخته می‌شوند، صورت گرفته است. بیشتر توربین‌های ضربه‌ای مشخصه راندمانی جریان-جزئی کمی دارند.

توربین فرانسیس
توربین‌های فرانسیس می‌توانند یا ماشین پوشش مارپیچی و یا مجرای باز باشند. پوشش مارپیچی طوری باریک می‌گردد که بتواند آب را به طور یکنواخت در تمام محیط رانر پخش نماید و پروانه‌ها را هدایت کند تا آب را با زاویه مناسب به رانر تغذیه کنند. پره‌های رانر به روشی پیچیده شکل داده شده‌اند و آب را طوری مسیردهی می‌کنند که به طور محوری از مرکز رانر خارج شود. در حین انجام این کار آب بیشتر انرژی فشاری خود را قبل از ترک توربین از طریق یک لوله آماده به رانر منتقل می‌کند.
توربین فرانسیس عموماً با پره‌های هدایتی قابل تنظیم، ست می‌شود. این جریان آب را در زمان ورود به رانر تنظیم می‌کند و معمولاً به یک سیستم کنترل‌کننده متصل است که جریان ورودی به بارگذاری توربین را به همان روش سوپاپ نیزه‌ای یا صفحه تغییر شکل‌دهنده در یک توربین پلتون هماهنگ می‌نماید. زمانی که جریان کاهش می‌یابد راندمان توربین نیز افت می‌کند.

توربین پره‌ای
توربین پره‌ای ساده شامل یک پروانه، شبیه به پروانه کشتی، است که درون یک امتداد از لوله سرناوه (آبگیر) قرار گرفته است. محور توربین در نقطه‌ای که توربین تغییر جهت می‌دهد به خارج از لوله انتقال می‌یابد. پروانه معمولاً سه تا شش پره دارد، سه تا برای حالت واحد هد بسیار کم و جریان آب توسط پره‌های ایستا یا درگاهی‌های حلقوی تنظیم می‌گردد. این نوع از توربین‌های پره‌ای به عنوان یک توربین جریان محوری با پره ثابت شناخته می‌شود زیرا زاویه گام پره‌های راوتر قابل تغییر نمی‌باشد. راندمان جریان جزئی توربین‌های پره‌ای با پره‌های ثابت خیلی ضعیف است.
توربین کاپلان

مکان‌های هیدروی با مقیاس بزرگ از ویرایش‌های پیچیده‌تر توربین‌های پره‌ای استفاده می‌کنند. با تغییر دادن گام پره‌های پروانه همراه با تنظیم دهانه دریچه‌ای ثابت نگه داشتن یک راندمان منطقی را برای شرایط جریان جزئی ممکن می‌سازد. چنین توربین‌هایی تحت عنوان گام متغیر یا توربین‌های کاپلان شناخته می‌شوند.

توربین‌های پمپ معکوس
پمپ‌های گریز از مرکز می‌توانند با گذراندن آب به طور معکوس از درونشان به صورت یک توربین عمل کنند. تحقیقاتی به عمل آمده است تا عملکرد پمپ‌ها به عنوان توربین را دقیق‌تر پیش‌بینی کنند.
مزایای پتانسیلی آنها هزینه کم در تولید انبوه (و نیز در بسیاری حالات برای تولید محلی)، در دسترس بودن اجزای یدکی و شبکه‌های فروش/پشتیبانی گسترده‌تر هستند. معایب آنها این است که مشخصه‌های عملکردی کمتر شناخته شده‌ و راندمان جریان جزئی بسیار ضعیفی دارند. شرکت‌ها متعددی پمپ‌ها رل به عنوان توربین در زمان‌های گوناگون استفاده نموده‌اند، اما این فناوری هنوز اثبات نشده است و عملکرد آنها نسبتاً ضعیف می‌باشد.

توربین پلتون
1. مقدمه
پس از احتراق زیست توده‌ای، قوه محرکه مولد برق[11] پرکاربردترین منبع انرژی قابل تجدید برای تولید الکتریسیته می‌باشد. در یک دستگاه هیدروپاور، انرژی جنبشی آب در جریان با کمک یک توربین به انرژی مکانیکی تبدیل می‌گردد. سپس انرژی مکانیکی برای گرداندن یک ژنراتور و تولید انرژی الکتریکی به کار می‌رود. انواع گوناگونی از توربین وجود دارد و انتخاب توربین به حجم جریان یا آب در دسترس و هد، یا اختلاف ارتفاع بین توربین و سطح منبع آب (یعنی فشار آب) بستگی دارد. تمام انواع توربین‌ها می‌توانند بنا به توان موجود در جریان آب و خروجی الکتریکی مورد نیاز در اندزه‌های مختلف ساخته شوند. در مکان‌هایی که هد زیاد اما حجم کم جریان وجود دارد، نظیر نواحی کوهستانی، توربین پلتون معمولاً استفاده می‌شود.
2. توربین پلتون
بر خلاف بسیاری از توربین‌هایی که با آب کار می‌کنند، توربین پلتون در هوا دوران می‌کند در حالیکه یک جت آب، یا گاهی بیش از یک جت، از طریق یک نازل به طور مماسی به توربین ضربه می‌زند. توربین دارای مجموعه‌ای تیغه‌های یکسان حول محیط خود می‌باشد. هر تیغه توسط یک برآمدگی تیز که جت را به دو قسمت تقسیم می‌کند به دو نیمه جدا شده است. اگر هندسه جت و تیغه ایده‌آل باشند، سرعت جریان آب به صورت زیر است
و
و بیش از 90% انرژی جنبشی جت آب می‌تواند به محور توربین منتقل شود. سرعت‌های آب در شکل زیر نمایش داده شده‌اند.




شکل 1
3. محاسبات با استفاده از توربین آبی
جریان حجم آب در نازل Q است و فشار آب p می‌باشد. در آزمایشگاه، فشار را می‌توان با استفاده از یک پمپ تنظیم نمود و حجم را با به کار بردن یک اندازه‌گیر جریان حجمی مغناطیسی بدست آورد. فشار را با یک مانومتر جیوه‌ای (در فشار هوای نسبی) محاسبه می‌کنند. این کار با استفاده از رابطه زیر انجام می‌شود.
که در آن r چگالی (جرم حجمی) سیال مانومتر (rHg=13550 kg/m3)، g شتاب جاذبه (g=9.81m/s2) و h اختلاف ارتفاع بین دو سطح جیوه می‌باشد. توان مکانیکی در دسترس برای جت عبارت است از
سرعت جت آب از رابطه زیر بدست می‌آید
که در آن A مساحت سطح مقطع نازل می‌باشد. برای یک نازل با سطح مقطع دایره‌ای و قطر D، .
شکل 2
گشتاور توربین با ترمز گیری در محور توربین در زمانی که در حال دوران می‌باشد بدست می‌آید. این کار با تنگ کردن یک اهرم ترمز چوبی، با طول موثر l، که محور را فشار می‌دهد انجام می‌گیرد. یک نیروی اصطکاک باعث می‌گردد که اهرم ترمز یک نیروی (F) در زوایای عمود بر طولش تجربه نماید (شکل 3). این نیرو با استفاده از مقیاس فنری ژول محاسبه می‌شود. گشتاور است و توان در محور برابر است با
که در آن سرعت زاویه‌ای توربین می‌باشد. سرعت دوران r=ω/2p است و L شعاع چرخ توربین از مرکز محور تا نقطه‌ای است که جت با تیغه‌ها برخورد می‌نماید. سرعت دوران (r) یا استفاده از یک نور استروبوسکوپی و مشاهده یک علامت روی کمربند چرخ توربین محاسبه می‌گردد. استروسکوپ ابتدا روی بسامدهای بیشینه آن تنظیم می‌گردد که کاهش می‌یابد. زمانی که علائم روی کمربند چرخ ساکن می‌گردند، فرکانس استروسکوپ برابر سرعت دوران توربین می‌شود.
شکل 3

راندمان مکانیکی توربین بیان می‌کند که انرژی مکانیکی آب در دسترس با چه بازدهی به توربین منتقل می‌گردد و برابر است با
میزان خطا sh در راندمان با رابطه زیر نمایش داده می‌شود
که در آن sp…sF اندازه‌های خطاهای محاسباتی هستند.
توربین آبی توسط یک تسمه محرک به یک ژنراتور الکتریکی متصل است. کار مکانیکی توربین به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود (شکل 4). با استفاده از یک مقاومت قابل تنظیم، بار قابل تنظیم می‌تواند به خروجی ژنراتور کوپل شود. توان الکتریکی تولید شده در مقاومت برابر است با
شکل 4
زمانی که ژنراتور به توربین وصل می‌شود، ترکیب راندمان الکتریکی توربین-ژنراتور (he) و راندمان کلی (htot) برابرند با
خطای معادل عبارت است از


________________________________________
[1] Marcus Vitruvius Pollio
[2] John Smeaton
[3] Jean Victor Poncelet
[4] John Burdin
[5] Benoit Fourneyon
[6] James B. Francis
[7] Lester Allen Pelton
[8] Victor Kaplan
[9] ¬ منبع: Microsoft Encarta Premium Suite 2005
[10] Gilbert, Gikes, and Gordon
[11] hydropower

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:30
نيروگاه هاي گازي

نيروگاه هاي گازي ، كاربردهاي ويژه اي دارند.
نيروگاه گازي به نيروگاهي مي گويند كه برمبناي سيكل گاز( سيكل برايتون) كارمي كند ؛وازسيكل هاي حرارتي مي باشد، يعني سيال عامل كار يك گاز است.( عامل انتقال وتبديل انرژي گازي است ، مثلا هوا (
در نيروگاه هاي بخار عامل انتقال« بخارمايع» مي باشد.
نيروگاه گازي داراي توربين گازي است ،يعني با سيكل برايتون كارمي كند.ساختمان آن درمجموع ساده است :
1- كمپرسور: وظيفه فشردن كردن هوا .
2- اتاق احتراق: وظيفه سوزاندن سوخت در محفظه
3- توربين : وظيفه گرداندن ژنراتور

هواي فشرده كمپرسور وارد اتاق احتراق كه داراي سوخت گازوئيل است مي شود .
چون هواي فشرده شده گرم است و در اتاق احتراق سوخت آتش گرفته و هوا فشرده و داغ مي شود .
هواي داغ فشرده كار همان بخار داغ فشرده توربين هاي بخار را انجام مي دهد .
كمپرسور به كار رفته در نيروگاه هاي گازي شبيه توربين است، داراي رتوري است كه بر روي اين رتور پره متحرك است، هوا به حركت درآمده و به پره هاي ساكني برخوردكرده، در نتيجه جهت حركت هوا عوض شده و اين هوا باز به پره هاي متحرك برخورد كرده و اين سيكل ادامه دارد و در هر عمل هوا فشرده ترمي شود.
كمپرسور، مصرف كننده عظيم انرژي است .
هواي فشرده گرم است. هواي فشرده كمپرسور وارد اتاق احتراق كه داراي سوخت گازوئيل است مي شود .
چون هواي فشرده شده گرم است و در اتاق احتراق سوخت آتش گرفته و هوا فشرده وداغ مي شود .
هواي داغ فشرده كار همان بخار داغ فشرده توربين هاي بخار را انجام مي دهد .
هواي داغ فشرده را به توربين مي دهيم؛ توربين داراي پره هاي متحرك و ساكن است . پره هاي ثابت چسبيده به استاتور مي باشد؛ پره هاي متحرك چسبيده به رتور مي باشد.
حال ژنراتور را مي توان به محور وصل كرده و از ترمينال هاي ژنراتور مي توان برق گرفت ؛ طول نيروگاه ممكن است به m 20 برسد.
قدرت نيروگاه هاي گازي 1 M w ولی بالاي 100Mw نيز ساخته مي شود .

نحوه راه اندازي واستارت نيروگاه چگونه است ؟

درابتدا نياز به يك عامل خارجي است تا توربين رابه سرعت 3000 دوربرساند.

حسن نيروگاه :

1- سادگي آن است -تمام آن روي يك شافت سواراست .

2- ارزان است - چون تجهيزات آن كم است . يكي از عواملي كه بر روي راندمان تأثير مي گذارد اين است كه هواي ورودي چه دمايي دارد.
3- سريع النصب است .
4- كوچك است . درسكوهاي نفتي كه نياز به برق زيادي مي باشد بايدازنيروگاه گازي استفاده كرد، تاجاي كمتري بگيرد.
5- احتياج به آب ندارد (درسيكل اصلي نيروگاه نياز به آب نيست) اما درتجهيزات جنبي نيازبه آب است مثلا براي خنك كردن هيدروژن به كاررفته جهت سردكردن ژنراتور درسرعتهاي بالا .
6- راه اندازي اين نيروگاه سريع است .
7- پرسنل كم .

زماني نيروگاه گازي خاموش است كه دراتاق احتراق سوخت نباشد .
يك نيروگاه بخار را بعد از راه اندازي نبايد خاموش كرد .اما نيروگاه گازي بدين صورت است كه صبح مي توان روشن كرد و آخر شب خاموش نمود .نيروگاه گازي بسيار مناسب براي بار پيك است و نيروگاه بخار براي بار پيك نامناسب است .

معايب :

1- آلودگي محيط زيست زياد است .
2- عمر آن كم است .(فرسودگی توربين وكمپرسور( سوخت مازوت به علت آلودگي بيشتري كه نسبت به سوخت گازوئيل دارد، كمتربه كارمي رود .
3- استهلاك زياداست . (پره توربين ، پره كمپرسور (
4- راندمان كم است (مصرف سوخت آن زياد است ) ؛ اين نقيصه اي است كه كشورهاي اروپايي با آن مواجهند .

دلايل راندمان پايين :
الف ) خروج دود با دماي زياد
ب ) حدود 3/1 توان توربين صرف كمپرسور مي شود .
بنابراين درنيروگاه گازي براي استفاده درازمدت اصلا جايزنيست چراكه هزينه مصرف سوخت گران است .

5- امكان استفاده ازسوخت جامد فراهم نيست . ( مانند زغال سنگ ) چراكه بلافاصله پره هاي رتورپرازدود مي شود .

نيروگاه هاي گازي را اگر بخواهيم براي مدت طولاني استفاده كنيم ، هزينه نيروگاه گازي بالا ست .نيروگاه گازي را از جايي استفاده كنند كه امكان بهره برداري زمان بهره برداري زير2000 ساعت باشد .
اگرزمان بهره برداري بالاي 2000 ساعت باشد از نيروگاه بخار اگر زمان بهره برداري در سال بالاي 5000ساعت باشد ، نيروگاه آبي استفاده مي شود.
در كشور ما، برق عمده مصرفي برق خانگي است ( 60% ) وحدود 30 % برق صنعتي است . درنتيجه 50 % نيروگاه هاي كشور بايد هر شب روشن شود ؛ بنابراين قسمت عمده برق توليدي مابايد ازنوع نيروگاه گازي باشد.
نيروگاه گازي را به دليل ارزاني دركارخانجات نيز مي توان به كاربرد .نيروگاه گازي را درنيروگاه اتمي نيز استفاده مي کنند. جهت سردكردن رآكتور هوا به كارمي رود كه درنتيجه هوا داغ و فشرده مي شود و در نتيجه به نيروگاه گازي داده و برق مصرفي نيروگاه اتمي راتأمين مي كنند .

درنيروگاه هاي گازي جهت افزايش راندمان روش هايي را اتخاذ مي كنند.

1- دود خروجي هواي ورودي به اتاق را گرم مي كند (سيكل پيچيده ترشده اما راندمان بالا مي رود).
حالت اول : دود با هوای ورودي كمپرسور كنار يكديگر قرار داده در اين صورت راندمان تجهيزات به شدت افت مي كند.
حالت دوم : دود با هوای ورودي كمپرسور به صورت غیر مستقیم در كنار يكديگر قرار داده که با این روش راندمان 1 الي 2 درصدقابل افزايش است ؛ (هواي ورودي به اتاق احتراق گرم مي شود (
2- استفاده از توربين هاي دو مرحله اي : زياد شدن راندمان مستلزم مخارج و صرف هزينه نيز مي باشد .
3- استفاده از كمپرسور دومرحله اي : هر چه دماي ورودي كمپرسور پايين تر باشد ؛ راندمان بيشتر است .
با اين روش دماي ورودي كمپرسور به طورمصنوعي پايين نگه داشته مي شود در مرحله Lp به دليل بالا رفتن فشار هوا گرم مي شود كه از كولر استفاده مي كنند ؛ آب سرد بر روي لوله فشار هوا ريخته و هواخنك كرده آب گرم مي شود و خارج مي شود .
بالاترين راندمان چيزي درحدود 35% است كه نيروگاه داراي كمپرسور دومرحله اي توربين دومرحله اي و پيش گرم كن مي باشد.
نيروگاه گازي به اين معنا نيست كه سوخت آن گازاست ،بلكه توربين آن گازي است و سوخت آن مايع يا گازوئيل است كه اكثرا گازوئيل است .
دركشورما به دليل زياد بودن سوخت گازوئيل ، نيروگاه گازي با سوخت گازوئيل به كار ميرود و مرسوم است. اما دركشورهاي اروپايي به دليل زياد بودن سوخت جامد ، نيروگاه گازي به نحو ديگري طراحي شده كه با سوخت جامد كارمي كند ، به اين نيروگاه ها ، نيروگاه گازي سيكل بسته مي گويند.
هواي داغ ناشي از احتراق را داخل گرم كن مي چرخانيم و بعد هوا را بيرون ميفرستيم.
ملاحظه مي شود كه هواي داغ ناشي از احتراق داخل توربين مي شود .لذا ميتوان ازسوخت جامد استفاده كردكه اين نوع ساده ترين نوع نيروگاه گازي سيكل بسته مي باشد.
مي توان سيكل فوق را كامل تر كرد. اگر هواي ورودي به كمپرسور تصفيه شده باشد، پره هاي توربين داراي عمر زيادي خواهدبود. مشكل ايجاد اين است كه هواي خارج شده از توربين به دليل تصفيه بودن بايداستفاده شود ، پس هوای خروجي از توربين را استفاده مي كنيم ، اما اين هوا داغ است و گاز وارد كمپرسور شود راندمان افت مي كند ؛ لذا از كولر استفاده مي كنيم و هوا را سرد مي كنند .
در نيروگاه گازي هرچه هواي ورودي به كمپرسور سردتر باشد، راندمان افزايش مييابد. لذا نيروگاه هاي گازي درزمستان راندمان بهتري دارند.


محاسن نيروگاه هاي گازي سيكل بسته :
1- امكان استفاده ازسوخت جامد فراهم مي شود.
2- عمرزياد ( خوردگي پره ها كم است (
3- چون سيكل بسته است ، لذاضرورت نداردكه فشارهواي خروجي توربين 1 Atm باشد، پس مي توان سطح كارفشار هوارابالا برد، به جاي 1 Atm از 10 Atm كه چون هواي فشرده ترشده ، جاي كمتري گرفته وحجم كمپرسور وتوربين درنهايت كوچك ترمي شود.

معايب :
1- راندمان درمقايسه باسيكل بازكمتر است . 4 الي 5 درصد راندمان كاهش مي يابد.
2- هزينه زياداست .

درسوخت مايع نيروگاه هاي گازي سيكل بسته ، اجازه داريم توربين رادوقسمتي بسازيم .
كمپرسور هوا را گرفته و داخل اتاق احتراق مي سوزاند ، هواي خروجي آن را وارد گرم كن مي كنيم كه خود گرم كن يك سيكل بسته را تشكيل مي دهد. توربين كمكي قدرت لازم از ژنراتور كوچك درقسمت توربين كمكي به كاربرد .

درنيروگاه گازي سيكل بازداراي معايب زيراست :

قدرت كمپرسور خيلي از انرژي توربين رامي گيرد و همچنين دود خروجي داغ است(در حدود 300 درجه سلسیوس) درنتيجه سوخت ايجاد شده به هدرمي رود ؛ لذا راندمان كاهش مي يابد.

استفاده از نيروگاه سيكل تركيبي ( نيروگاه گازي دركنار نيروگاه بخار( هواي گرم خروجي ازتوربين رابال اضافه كردن اكسيژن به آن به طرف بويل نيروگاه بخار برده ميشود. راندمان اين قبيل نيروگاه ها50 % مي باشد.

ebrahim zaheri
2011-Jul-14, 10:33
نيروگاه هاي سيکل ترکيبي

در توربين گاز جهت کنترل درجه حرارت در اتاق احتراق ضروري است که احتراق با هواي بسيار زياد صورت پذيرد .دود خروجي از اگزوز توربين گاز ، علاوه بر اينکه داراي درجه حرارت بالايي است ، اکسيژن کافي نيز جهت احتراق دارد ولي در نيروگاههاي سيکل ترکيبي از انرژي گاز خروجي از اگزوز به روش هاي مختلفي جهت توليد بخار استفاده مي شود که در بخش هاي آتي به آن اشاره خواهيم کرد .

بر اساس نحوه استفاده از گاز خروجي ، نيروگاههاي سيکل ترکيبي به سه دسته

تقسيم بندي مي شوند :

1- نيروگاههاي سيکل ترکيبي بدون مشعل

در اين نوع ، دود خروجي از اگزوز توربين گاز که حجم بالا و دماي زيادي ( دماي گاز خروجي در بار اسمي در حدود 500 درجه سانتي گراد است ) دارد به بويلري هدايت مي شود و به جاي مشعل و سوخت در واحدهاي بخاري ، جهت توليد حرارت به کار مي رود. بخار توليد شده نيز توربين بخار را به چرخش در مي آورد. اين امر باعث بالا رفتن راندمان مجموعه نيروگاهي مي گردد ، ضمن آنکه هزينه هاي سرمايه گذاري به ازاي هر کيلو وات تا حد قابل ملاحظه اي کاهش پيدا مي کند . اين مجموعه براي توليد برق پايه استفاده مي شود و کارآيي آن در صورتي که فقط براي توليد برق به کار رود تا 50 درصد هم بالا مي رود .
در مناطق سردسير با بکارگيري توربين بخار با فشارخروجي زياد به جاي کندانسور و برج خنک کن در تامين آب گرم و بخار مصرفي گرمايش مناطق شهري و صنعتي نيز استفاده مي شود که در اين صورت راندمان تا 80 درصد هم افزايش مي يابد.

2- نيروگاههاي سيکل ترکيبي با سوخت اضافي ( مشعل )در نيروگاههاي سيلک ترکيبي بدون مشعل ، کارکرد بخش بخار وابستگي کامل به کارکرد توربين گاز دارد . در مواردي که نياز به کارکرد دائمي بخش بخار وجود دارد با تعبيه مشعل در بويلر ، به گونه اي که در صورت توقف بخش گاز کارکرد قسمت بخار با اشکال مواجه نگردد ، عملکرد مستقل اين دو بخش تامين مي شود و بدين ترتيب ، اين نوع نيروگاههاي سيکل ترکيبي شکل گرفته اند .
اين نوع سيکل ترکيبي عموماٌ به منظور بالا بردن قدرت و جلوگيري از نوسانات قدرت توربين بخار با تغيير بار توربين گاز به کار گرفته مي شود . امکان کارکرد واحد بخار در نقطه کار مناسب تر با تعبيه مشعل ساده ، به کارگيري سوخت مناسب و استفاده از گاز داغ خروجي توربين گاز به عنوان هواي دم عملي است . قدرت واحد گاز و واحد بخار در حداکثر بار سيستم مساوي است . راندمان اين نوع سيکل ترکيبي از واحد بخاري ساده بيشتر و از سيکل ترکيبي بدون مشعل کمتر مي باشد . اين نوع واحد ها غالباً در مواردي که علاوه بر تامين انرژي الکتريکي ، تامين آب مصرفي و يا بخار مورد نياز واحدهاي صنعتي نيز مد نظر باشد ، به کار مي رود .

3- نيروگاههاي سيکل ترکيبي جهت تامين هواي دم کوره بويلر اين نوع سيکل ترکيبي مشابهت زيادي با توربين بخار معمولي دارد با اين تفاوت که در نيروگاه بخاري ساده از سيستم پيش گرم کن هوا و فن تامين کننده هواي دم که خود مصرف کننده انرژي است استفاده مي گردد . ليکن در اين گونه سيکل ترکيبي،سيستم گرمايش و فن دمنده هواي احتراق کوره را توربين گاز بر عهده گرفته است . بدين ترتيب راندمان واحد بخاري ساده با جانشين کردن سيستم تامين هواي دم با توربين گاز ، بطور نسبس بهبود مي يابد .
معمولاٍ اين نوع سيکل ترکيبي در نيروگاههاي بخاري بزرگ که سوخت آن ذغال سنگ و يا مازوت مي باشد ، به کار مي رود . قدرت توليدي توربين گاز در اين نوع سيکل حداکثر 20 درصد قدرت توليد کل نيروگاه است .











بررسي بيشتر نيروگاههاي سيکل ترکيبي

کاربرد گونه هاي مختلف سيکل هاي ترکيبي متفاوت مي باشد ولي از آنجايي که سيکل هاي ترکيبي بدون مشعل در ارتباط با توليد بار پايه و مياني از اولويت بيشتري برخوردار است. ( هزينه سرمايه گذاري کمتر، مدت زمان نصب و راه اندازي کمتر ، راندمان بالاتر و قابليت انعطاف بيشتر )، ذيلاً به تشريح اين نوع چرخه ها مي پردازيم :



سيکل هاي ترکيبي بدون مشعل

هدف اصلي در اين نوع سيکل هاي ترکيبي ، استفاده مجدد از حرارت تلف شده اگزوز توربين گاز به منظور بالا بردن بهره وري سوخت مي باشد .

جهت حصول به هدف فوق و به حداقل رساندن هزينه ها ، سه رويه اجرايي در ابتدا مد نظر قرار گرفت و بر اساس آن سازندگان مختلف و توليد کنند گان انرژي الکتريکي نسبت به نصب هر سه گونه سيکل اقدام نمودند که ذيلاٌ معرفي و تشريح مي شوند :

1- چند توربين گاز ، چند بويلر و يک توربين بخار

اين دسته خود به دو زير دسته به صورت زير تقسيم مي گردد:

2- يک توربين گاز ، يک بويلر و يک توربين بخار آرايش اين گونه سيکل هاي ترکيبي بر پايه تقليل هزينه سرمايه گذاري اوليه مي باشد و حاصل تجارب اوليه در زمينه کاربرد چند توربين گاز با يک ژنراتور مي باشد .

در اين روش محور توربين گاز و محور توربين بخار و محور ژنراتور مشترک بوده و بصورت مجموعه واحد عمل مي کند .

طرز کار کلي سيستم به اين صورت است که گاز حاصل از احتراق توربين گاز ، قسمتي از انرژي مکانيکي خود را جهت به چرخش در آوردن توربين گاز مصرف مي کند . گاز داغ خروجي از توربين گاز ، ضمن عبور از بويلر و توليد بخار وارد اتمسفر مي گردد. بخار توليدي در بويلر ، در توربين بخار منبسط شده و قسمتي ديگر از نيروي مکانيکي لازم جهت توليد انرژي الکتريکي در ژنراتور را تامين مي کند .

در اين روش به سبب اينکه غالباٌ ضريب قابليت بهره برداري توربين گاز از بويلر و توربين بخار کمتر مي باشد ، اگزوز کمکي براي توربين گاز بکار نمي رود و قابليت بهره برداري کل مجموعه معادل توربين گاز خواهد بود و انجام بازديدها و تعميرات بويلر و توربين بخار منطبق با برنامه تعميرات توربين گاز مي باشد . به سبب عدم کاربرد اگزوز کمکي ونيز استفاده از ژنراتور مشترک ، هزينه سرمايه گذاري پايين است . ضمناٌ در مواردي که تامين آب گرم مصرفي و يا گرمايش شهر ي مورد نظر باشد معمولاٌ ژنراتور مستقل براي واحد بخار ملحوظ مي شود.
بطور کلي محاسن و معايب اين گونه سيستم ها به صورت زير است :



الف – محاسن :

1- هزينه سرمايه گذاري کمتر

2- سادگي زياد و معالاٌ تجهيزات بهره برداري کمتر

3- هزينه تعميرات و بهره برداري کمتر

4- تلفات کمتر

5- زمان نصب سريعتر



ب – معايب :

1- عدم امکان بهره برداري از توربين گاز در صورت وجود عيب بر روي تجهيزات بخار ( عدم قابليت انعطاف)

2- وجود تلفات زياد انرژي در نيم بار بدين ترتيب معمولاٌٍ اين گونه آرايش در سيکل ترکيبي به کار مي رود که هدف از احداث آن توليد و تامين بار پايه باشد .

3- دو يا چند توربين گاز ، دو يا چند بويلر و يک توربين بخار بجز حالات استثنا ، متداول ترين گونه در اين نحوه آرايش ، دو توربين گاز با بويلر هاي مربوطه و يک توربين بخار مي باشند .




در اين روش معمولاً 3/1 از انرژي الکتريکي را به توربين بخار و 3/2 آن را توربين گاز توليد مي نمايد .

گاز داغ خروجي از هر توربين گاز وارد مستقيماً وارد بويلر مخصوص به خود مي گردد. بخار خروجي از بويلر نيز وارد هدرمشترک شده و توربين بخار را تغذيه مي نمايد .

از آنجايي که قابليت بهره برداري بويلر و توربين بخار بيش از توربين گاز مي باشد در اين آرايش اين امکان وجود دارد که در صورت توقف يک واحد گازي ، واحدهاي گازي ديگر بتوانند به همراه توربين بخار کار کنند .

قدرت ژنراتور واحدهاي گازي و واحد بخار دو توربين گاز مشابه مي باشد . متناسب با سليقه بهره برداري مي توان با تعبيه اگزوز کمکي در حد فاصل توربين گاز و بويلر ، کارکرد مستقل توربين گاز را ( در صورت توقف توربين بخار يا بويلر ) فراهم نمود .
در اين روش ايجاد امکان تعميرات بر روي بويلر ضروري مي باشد که مستلزم تعبيه دمپرهاي مناسب است . ( دمپر وسيله اي است که در محل خروج گاز داغ از توربين گاز قرار مي گيرد و با ايستادن در وضعيت هاي مختلف ، امکان انتقال گاز داغ را به اگزوز و يا بويلر فراهم مي آورد .) البته وجود دمپر مستلزم انجام تعميرات خاص و بازديدهاي ويژه مي باشد که اين امر به نوبه خود باعث کاهش قابليت بهره برداري مي گردد. همچنين وجود دمپر پس از مدتي بهره برداري باعث تلفات گاز داغ مي گردد که نهايتاً کاهش راندمان را در پي خواهد داشت .
برخي سازندگان و توليد کنندگان انرژي الکتريکي جهت ايجاد امکان بهره برداري غير هم زمان توربين گاز و بخار ، به جاي اگزوز کمکي کندانسور کمکي را توصيه مي نمايد . حسن اين روش در اين است که ضمن ايجاد امکان بهره گيري از توربين گاز در مواقع توقف توربين بخار و جلوگيري از تلفات گاز داغ از طريق اگزوز کمکي ، راه اندازي سريع بويلر و توربين بخار را باعث مي گردد . اين روش بيشتر در مواردي که فروش بخار و يا آب گرم مصرف شهري و صنعتي نيز مد نظر باشد مورد استفاده قرار مي گيرد .



محاسن و معايب سيستم دو يا چند توربين گاز ، دو يا چند بويلر و يک توربين بخار در قياس با واحد بخاري ساده به صورت زير است :



الف – محاسن :

1- هزينه سرمايه گذاري کمتر

2- امکان اجراي مرحله اي طرح

3- زمان نصب کوتاه تر

4- قابليت انعطاف بيشتر و امکان بهره برداري جزء به جزء

5- راندمان بيشتر در حالت نيم بار



ب – معايب

1- نياز به سوخت مرغوب تر

2- عوامل کنترل بيشتر

اين گونه آرايش در مواردي که هدف تامين بار پايه و مياني است به کار مي رود.
3- چند توربين گاز ، يک بويلر و يک توربين بخار علت اصلي مطالعه بر روي اين چنين آرايشي تحليل هزينه سرمايه گذاري به حداقل ممکن مي باشد در ابتداي امر به سبب عدم تقارن نوع سه توربين گاز و يک بويلر و عدم امکان توزيع يکنواخت گاز داغ به داخل بويلر ، خوردگي و فرسودگي هاي ايجاد شده ناشي از آن باعث شد مطالعه بر روي اين نوع آرايش ها مردود شناخته شود.در صورت موفقيت در بهر ه گيري از اين نوع آرايش ، در واقع ضريب آمادگي سيستم وابستگي کامل به بويلر پيدا مي کرد .

در عمل به علت اينکه امکان کارکرد همزمان توربين هاي گازي ، بويلر و توربين بخار کم است و نيز گاز داغ را نمي توان در حالات مختلف به طور يکنواخت در بويلر توزيع نمود ، اين روش توليدي با اقبال مواجه نگرديد .
4- يک توربين گاز ، يک بويلر و چند توربين بخار قدمت زياد واحدهاي بخاري و امکان باز سازي مجدد آنها و شرايط کار اين گونه واحدها باعث شد که غالب توليدکنندگان انرژي الکتريسيته به فکر بازسازي اين گونه واحدها با استفاده از واحدهاي گازي بيفتند. در اين روش ضمن ايجاد امکان به کار گيري مجدد از سرمايه گذاري انجام شده ، مي توان نسبت به افزايش راندمان واحدهاي قديمي تر نيز اقدام کرد .

اين روش بازسازي و نوسازي تنها براي واحدهاي گازسوز و يا با سوخت مايع امکان پذير است . اين روش بدان جهت قوت گرفت که غالباٌ قسمت حساس واحدهاي بخاري يعني بويلر آنها ، معمولاً پس از مدتي کارکرد نياز به بازسازي کامل دارد در صورتي که توربين و ساير متعلقات آن با انجام تعميرات جزيي قابل استفاده مجدد مي باشند. بدين ترتيب با تلفيق تکنولوژي قديمي ( توربين بخار ) که داراي شرايط کار قابل انطباق با شرايط تکنولوژي جديد توربين گاز مي باشد ، شرايظ بهره برداري مناسبي از توربين گاز جديد و توربين بخار قديمي فراهم مي آيد. به عنوان مثال در صورتي که هدف بازسازي سه واحد بخار 20 مگاواتي باشد ، مي توان به جاي نوسازي سه بويلر، با نصب يک واحد توربين گاز 120 مگاواتي و يک بويلر بدون مشعل ، ضمن افزايش قدرت مجموعه به 180 مگاوات ، با جزئي سرمايه گذاري بيشتر راندمان مجموعه را از 30 درصد ، که در صورت کارکرد مستقل هر کدام حاصل مي شود، به بيش از 40 درصد افزايش داد که البته اين افزايش 10 درصدي در راندمان هزينه هاي سوخت را به

ميزان 3/1 کاهش خواهد داد .