جستجو در تالارهای گفتگو

توربينهاي گازي مقدمه : از زمان تولد توربينهاي گازي امروزي در مقايسه با ساير تجهيزات توليد قدرت , زمان زيادي نمي گذرد . با اين وجود امروزه اين تجهيزات به عنوان سامانه هاي مهمي در امر توليد قدرت مكانيكي مطرح مي باشند . از توليد انرژي برق گرفته تا پرواز هواپيماهاي مافوق صوت همگي مرهون استفاده از اين وسيله سودمند مي باشند . ظهور توربينهاي گازي باعث پيشرفت زيادي در رشته هاي مهندسي مكانيك , متالورژي و ساير علوم مربوطه گشته است . بطوري كه پيدايش سوپرآلياژهاي پايه نيكل و تيتانيوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره هاي ثابت و متحرك توربينها كه دماهاي بالايي در حدود 1500 درجه سانتيگراد و يا بيشتر را متحمل مي شوند, از سرعت بيشتري برخوردار شد . به همين خاطر امروزه به تكنولوژي توربينهاي گازي تكنولوژي مادر گفته مي شود و كشوري كه بتواند توربينهاي گازي را طراحي كند و بسازد هر چيز ديگري را هم مي تواند توليد كند . همانطور كه بيان گرديد از اين تجهيزات در نيروگاهها براي توليد برق ( معمولا براي جبران بارپيك) موتورهاي جلوبرنده (هواپيما ,كشتيها و حتي خودروها) , در صنايع نفت و گاز براي به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده مي شود كه امروزه كاربرد توربينهاي گازي در حال گسترش مي باشد . اجزاي توربينهاي گازي : به طور كلي كليه توربينهاي گازي از سه قسمت تشكيل مي شوند : 1.كمپرسور 2.محفظه احتراق 3.توربين كه بنا به كاربرد قسمتهاي ديگري نيز براي افزايش راندمان و كارايي به آنها اضافه مي شود . به عنوان مثال در برخي از موتورهاي هواپيماها قبل از كمپرسور از ديفيوزر و بعد از توربين از نازل استفاده مي شود . كه دراين رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گرديد سيكل توربينهاي گازي : سيكل ترموديناميكي توربينهاي گازي سيكل استاندارد هوايي يا برايتون مي باشد كه در حالت ايده ال مطابق شكل زير شامل دو فرايند ايزنتروپيك در كمپرسور و توربين و دو فرايند ايزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهاميباشد سيكلهاي توربينهاي گازي در دونوع باز و بسته مي باشند . در سيكل باز ( شكل فوق) گازهاي خروجي از توربين به درون اتمسفر تخليه مي شوند كه اين سيكل بيشتر در موتورهاي هواپيما مورد استفاده قرار مي گيرد . در نوع بسته كه عمدتاً در نيرو گاههاي برق مورد استفاده قرار مي گيرد گازهاي خروجي از توربين ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گرديده و سيكل تكرار مي شود . همانطوركه قبلا بيان گرديد توربينهاي گازي از نظر كاربردي به دو گروه صنعتي و هوايي تقسيم مي شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردي مورد استفاده قرار مي گيريند . كه ذيلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهيم نمود . توربينهاي گازي صنعتي : منظور از توربينهاي گازي صنعتي اشاره به كاربرد آنها غير از بخش هوانوردي مي باشد . در شكل زير شمايي از يك واحد توليد نيروي برق توسط توربين گاز , نشان داده شده است . شكل زير هم نوعي توربين گازي با ظرفيت توليدي 400 مگاوات را نمايش مي دهد. توربينهاي گازي كه در صنعت برق مورد استفاده قرار مي گيرند داراي ظرفيتهاي متفاوتي مي باشند كه شكل قبل نوعي از اين توربينها با ظرفيت 400 مگاوات را نشان مي دهد. توربينهاي گازي هوايي يا موتورهاي جت : همانطور كه گفته شد سيكل توربينهاي گازي موتورهاي هواپيما شبيه به توربينهاي گازي صنعتي مي باشد بجز اينكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از يك ديفيوزر و بعداز توربين از يك نازي براي بالا بردن سرعت گازهاي خروجي و حركت هواپيما به سمت جلو استفاده مي كنند . اين گازهاي پرسرعت بر هواي خارج از موتور نيرويي وارد مي كنند كه طبق قانون سوم نيوتن نيروي عكس العمل آن سبب حركت هواپيما به سمت جلو مي شود . شايان ذكر است كه نازل در هواپيماهاي جت از نوع متغير مي باشد . يعني دهانه آن با توجه به دبي (گذرجرمي) گازهاي خروجي قابل تغييرو تنظيم است . موتورهاي هواپيما انواع مختلفي دارند كه به دو سته كلي تقسيم مي شوند : 1- موتورهاي پيستوني : كه از نظر كاري شبيه به موتور خودروها مي باشند. 2- موتورهاي توربيني : اين موتورها به سه دسته كلي توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسيم بندي مي شوند. توربوجتها اولين موتورهاي جت مي باشند كه امروزه به دليل مسائلي مثل صداي زياد و آلودگي محيط زيست بجز در موارد خاص استفاده اي از انها نمي شود . توربوفنها نوع پيشرفته موتورهاي توربوجت هستند . به اين صورت كه رديف اول كمپرسور در اين موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداري از هواي ورودي به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه اين عمل علاوه بر افزايش نيروي جلوبرندگي باعث كاهش صدا,آلودگي محيطي و ... مي شود . در موتورهاي توربوفن با اتصال يك ملخ به گيربكس و سپس به كمپرسور , نيروي جلوبرندگي ايجاد مي شود . در اين حالت سعي مي شود كه بيشترين انرژي جنبشي گازها صرف چرخاندن توربين و از آنجا كمپرسور و در نتيجه ملخ شود . وجود گيربكس به اين خاطر است كه سرعت دوراني ملخ از حد معيني تجاوز نكند . يعني بايد سرعت انتهاي ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زيرا سرعتي بيش از اين سبب ايجاد ارتعاشات شديد و در نتيجه شكستگي ملخ مي شود. موتورهاي توربوشفت نيز نوعي موتور توربوپراپ مي باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هليكوپترها استفاده مي شود .بطور كلي موتورهاي توربوپراپ بدليل اينكه در ارتفاع پروازي كم از قدرت زيادي برخوردار هستند از آنها در هواپيماهاي ترابري استفاده مي شود ( مثل C130 ) آشنايي با برخي اصطلاحات مهم : 1- نيروي جلوبرندگي يا تراست (Thrust) موتورجت بر اساس قانون سوم نيوتن نيروي تراست را توليد مي كند . يعني نيرويي به سمت عقب بر هوا وارد كرده و عكس العمل اين نيرو براي ما نيروي جلوبرندگي يا تراست را فراهم مي كند . از طرفي ميدانيم كه از قانون دوم نيوتن داريم : با توجه به حقايق فوق مي توان اقدام به نوشتن دو نوع فرمول براي تراست نمود : 1- نت تراست (Net thrust) اين نوع تراست به حالتي اطلاق مي شود كه هواي ورودي به موتور سرعت داشته باشد . به عبارت ديگر تقريباً مي توان گفت موتور در حركت باشد . در اينصورت فرمول آن به دو شكل زير خواهد بود : - وقتي كه نازل در حالت choke نباشد : - وقتي كه نازل در حالت choke باشد : در فرمولهاي فوقجرم هواي ورودي به موتور,سرعت گازهاي خروجي از نازل , سرعت هواي ورودي به موتور , سطح مقطع نازل , و به ترتيب فشار استاتيك نازل و اتمسفر ميباشد .ضمناً در داخل موتور سوخت به هوا افزوده مي شود ولي به دليل نشتي هاي درون موتور از جرم آن صرف نظر مي شود . 1-2 گراس تراست(Gross thrust) حالتي است كه سرعت هواي ورودي به موتور صفر بوده يعني در واقع موتور در حال سكون باشد .پس : - وقتي كه نازل در حالت choke نباشد : - وقتي كه نازل در حالت choke باشد : فرمولهاي بدست آمده فوق مختص موتورهاي توربوجت بوده و براي ساير موتورهاي جت مقادير فوق از روابط پيچيده تري محاسبه مي شوند . 2-راندمان حرارتي (Thermal Efficiency) به اين راندمان اصطلاحاً راندمان داخلي internal efficiency نيز مي گويند و عبارت است از نسبت بين انرژي سينتيك گازها و كل انرژي حرارتي سوخت . اين راندمان در موتورهاي جت حدود 35 درصد و بستگي به ضريب تراكم و درجه حرارت احتراق دارد و هرچه اين دو عامل زياد شوند, راندمان حرارتي نيزافزايش پيدا خواهد كرد . 3-راندمان جلوبرندگي(Propulsive Efficiency) اين راندمان را مي توان بانسبت انرژي جلوبرندگي مفيد برمجموع اين انرژي وانرژي غيرمفيدجت تعريف نمود . به عبارتي ديگر, راندمان جلوبرندگي حاصل تقسيم كارانجام شده برروي هواپيما بر انرژي سينتيك گازها مي باشد . به سادگي مي توان ثابت كرد كه مقدار آن برابر است با : درفرمول فوق V سرعت هواپيماو سرعت گازهاي خروجي مي باشد و بنا به فرمول اگر اين مقدار كاهش يابد راندمان افزايش مي يابد . اين راندمان در موتورهاي جت 85 درصد است . 4-راندمان كلي (Overal Efficiency) اين راندمان تلفيقي از دو راندمان قبل بوده به طوري كه مي توان ثابت كرد : و تعريف آن چنين است : يعني , نسبت كار انجام بر هواپيما به انرژي ناشي از سوخت . راندمان كلي موتورهاي جت حدود 30 درصد است . 5-مصرف ويژه سوخت((Specific Fuel Consumption-SFC منظور از اين واژه مقدار سوخت مصرفي(gr or lb) به ازاي واحد تراست (N or lb) در ساعت است . منبع:انجمن علمی مکانیک

در پاسخ به اين سئوال كه عمر روغن توربين چقدر است بايد گفت هر تخمين دقيق يا هر تلاشي در اين رابطه بستگي به متغييرات و فاكتورهاي زيادي دارد كه اين امر را غيرممكن مي سازد. براي مثال سازندگان روغن توربين، عمر روغن توربين هاي گازي را5 تا15 سال تخمين مي زنند. عوامل اصلي تاثير گذار در طول عمر روغن توربين عبارتند از: آب، گرما، آلودگي، ساعات كاركرد و دفعات تعميرات. ولي مساله غيرقابل انكار در مورد اين قبيل روغنها اين است كه روغنهاي توربين كه از كيفيت بالايي برخوردار بوده و بطور دقيق آزمايش و نگهداري شده اند بيشتر از روغنهاي بي كيفيت دوام مي آورند. براي اينكه اهميت روغن توربين ازنظر اقتصادي بيشتر روشن شود به بيان چند مثال مي پردازيم: تصور كنيد در يك توربين، فولادي با وزن بيش از100 تن با سرعت 3600rpm درحال چرخش است و بوسيله ياتاقان هايي كه در بالشتكي از روغن با ضخامت كمتر از موي انسان حمايت مي شود. اگر روغن وظيفه خود را خوب انجام ندهد خسارت زيادي وارد شده و ممكن است در يك نيروگاه خسارت مالي به ميليونها دلار برسد. يك نيروگاه معمولي تقريباً 50MWhr دلار در زمانهايي (non peak) كه پيك نداريم و1000MWhr دلار در زمانهاي پيك الكتريسته مي فروشد. انتخاب و نگهداري بد روغنهاي توربين منجر به كاهش و هدر رفتن توليد به ميزان500 هزار دلار در روز مي شود. يكي ديگر از مسائل اساسي كه به عنوان بخشي از فرآيند انتخاب ارزيابي مي شود، خدمات و تعهد فروشندگان است كه بايد در زمان تهيه روغن براي توربين هاي بخار، گازي، آبي و هوايي در نظر گرفته شود. نحوه انتخاب روغن توربين دانستن خواص فيزيكي و شيميايي روغنهاي توربين در مقايسه با ساير روغنها قبل از وارد شدن به فرآيند انتخاب، اهميت زيادي دارد. در توربين هاي بخار، گازي و آبي از دسته اي از روغنها استفاده مي شود كه روغنهاي R&O ناميده مي شود. (ضدزنگ و ضد اكسيداسيون.) شكل هندسي توربين، چرخ هاي عملياتي، دفعات تعميرات، دماي عملياتي و در معرض آلودگي قرار گرفتن عواملي هستند كه در انتخاب روغن براي يك توربين بايد در نظر گرفته شود. روغن توربين داراي عمري طولاني بوده و در مخزن هايي با ظرفيت بين1000 تا20000 گالن نگهداري مي شود و مقادير جبران كاهش روغن توربين كه تقريباً5 درصد در سال است از همان نوع روغن اوليه مي بايست تامين شود. يكي از عوامل اصلي تعيين كننده روغن توربين ثبات اكسيداسيون آن است. پايداري در برابر اكسيداسيون به حرارت، هواي موجود در آب و ذرات آلاينده بستگي دارد. ادتيوهايي كه به روغنهاي توربين به منظور بالا رفتن عمر آن افزوده مي شوند عبارتند از بازدارنده هاي اكسيداسيون و زنگ زدگي و Demulsibility . برعكس عملكرد روغن موتورهاي بنزيني و گازوئيلي روغنهاي توربين طوري فرموله مي شوند كه آب به درون آنها وارد شود. همچنين روغنهاي توربين برعكس روغنهاي موتور نيازي به تعويض در زمانهاي منظم و مكرر نداشته و همچنين به اين دسته از روانكارها افزودني پاك كننده اضافه نمي شود. بررسي روغنهاي توربين در انواع توربين ها انواع توربين ها عبارتند از: بخار، گازي، آبي و هوايي. توربين هاي بخار: روغن توربيني كه خوب نگهداري شده و با روغن مناسب ساخته شده باشد1 تا15 سال عمر مفيد خواهد داشت. زماني كه روغن توربين بخار زودتر از موعد مقرر، نامناسب شود به علت اكسيد شدن بر اثر آلودگي آب است. آب از مقاومت روغن توربين در برابر اكسيداسيون مي كاهد و به تشكيل ذرات كمك مي كند و در واقع همانند يك كاتاليست اكسيد كننده عمل مي كند. آب از راههاي گوناگون وارد سيستم روغنكاري توربين هاي بخار مي شود. به عنوان مثال از طريق نشتي gland . چون شنت توربين از ميان محفظه توربين (Turbine casing) عبور مي كند آب نفوذ مي كند. در نتيجه وضعيت gland seal فشار بخار سيلينگ و محل vacuum condenser تاثير بسزايي در مقدار آب ورودي به سيستم روغنكاري خواهد داشت. همچنين حرارت نيز بدليل افزايش اكسيداسيون عمر روغن توربين را پايين مي آورد. به طور معمول در عملكرد توربين بخار، درجه حرارت ياتاقانها71 تا69 درجه سانتيگراد و دماي مخزن روغن69 درجه سانتيگراد است. به ميزان هر10 درجه سانتيگراد بالاتر از60 درجه سانتيگراد مقدار اكسيداسيون21 برابر مي شود. يك روغن با پايه معدني در حرارت هاي بالاي82 درجه سانتيگراد به سرعت شروع به اكسيد شدن مي كند. البته ياتاقانهاي گرد (Tin-babbited) تا دماي121 درجه سانتيگراد تحمل دمايي دارند كه اين عدد كمي بيش از محدوده دماي روغنهاي توربين مي باشد. توربين هاي گازي: علت اصلي خراب شدن زود هنگام روغن در بيشتر توربين هاي گازي دماي زياد عمليات است. پس براي توربين هاي گازي مي بايست روغنهاي توربين مقاوم در برابر حرارت انتخاب شود واحدهاي بزرگ امروزي روغن را در محدوده دمايي بين71 تا121 درجه سانتيگراد روغن را مورد استفاده قرار مي دهند. به همين جهت OEM تاكيد دارد كه آزمايشهاي RPVOT- ASTM D2272 و TEST- ASTM D943 و آزمايش هايي براي اندازه گيري پايداري اكسيداسيون در روغن توربين هاي گازي انجام گيرد تا پايداري اكسيداسيون روغن در دماهاي بالا اندازه گيري شود. از اواسط دهه1990 اصول نوين روانكاري توربين هاي گازي مطرح شد. اين اصول عبارتند از: چرخه هاي عملياتي، مشخصه هاي روغنكاري و ... . توربين هاي آبي: عمده گريدهايي از روغن توربين كه در اين توربين ها مورد استفاده قرار مي گيرند عبارتند از ISO VG 46، 68 . با توجه به حضور دائمي آب در اين سيستم ها، خاصيت هاي Demulsibility، R&O (جدايش از آب) و پايداري هيدروليكي از جمله پارامترهاي كليدي در انتخاب روغنهاي مورد استفاده هستند. توربين هاي بادي: اين قبيل توربين ها احتياج به روغن توربيني دارند كه پايداري زيادي در برابر اكسيداسيون داشته باشد. در اين نوع توربين ها روغن به طور مستقيم با سطح فلزي در تماس است كه دمايي در حدود316 تا204 درجه سانتيگراد دارند. همچنين دماي مخزن روغن نيز بين121 تا71 درجه سانتيگراد است. علاوه بر اينكه روغن در توربين هاي گازي براي روانكاري به كار مي رود، براي انتقال حرارت به مخزن روغن نيز مورد استفاده قرار مي گيرد. همچنين سيكل چرخشي اين روغنها، استرس گرمايي و اكسيدكنندگي قابل توجهي را به روغن وارد مي كند. كليه موارد ذكر شده لزوم استفاده از روغنهاي بسيار مرغوب را الزامي مي كند. توربين هاي بادي با مخازن روغن بسيار كوچكتري كار مي كنند ظرفيت مخازن اين توربين ها بطور معمول كمتر از 50 Gal است. سرعت روتر اين توربينها بين 8000 rpm تا 20000 rpm است و با ياتاقانهاي غلتنده محافظت مي شوند. روغنهايي كه براي اين توربين ها فرموله شده اند داراي پايه سنتزي هستند. سيستم Flushing در روغنهاي توربين سيستم Flushing روغن توربين و فيلتراسيون داخلي آن بايد در ارتباط با انتخاب نوع روغن توربين بيان شود. در اينجا2 نوع Flushing مطرح مي شود يكي Flush جابجايي و ديگر Flush سريع. Flush جابجايي همزمان با تعويض روغن انجام مي شود و Flush سريع براي خارج كردن آلودگي هايي طراحي شده كه از طريق انتقال و بكارانداختن يك توربين جديد وارد مي شود. در Flushهاي جابجايي براي خارج كردن روغن اكسيد شده كه با تخليه خارج نشده است از يك روغن جداگانه استفاده مي شود. اين نوع Flash در فاصله زماني معين براي خارج كردن آلودگي قابل حل و غيرقابل حل كه بوسيله فيلتر خارج نمي شوند بكار گرفته مي شود. البته OEM هاي توربين در بيشتر مواقع Flushing با سرعت بالايا سريع را توصيه مي كنند و اعتقاد دارند اين نوع Flushing زمان و هزينه را كاهش مي دهد. در آخر بايد به اين مطلب اشاره كرد كه روغنهاي استانداردي كه براي توربين هاي بخار، گازي و آبي ساخته شده اند از روغنهاي پايه با كيفيت بالا و درصد كمي از افزودني هاي مورد نياز و عموماً ISO VG 32، 46، 68 OEM تشكيل شده اند. روغن پايه اي با كيفيت شناخته مي شود كه داراي درصد زياد اشباع و درصد پايين آروماتيك ها و سولفورو نيتروژن باشد. همچنين افزودنيها كه عموماً بازدارنده اكسيداسيون و خوردگي (R&O) هستند مي بايست با دقت مورد آزمايش قرار گرفته و در يك فرآيند به شدت كنترل شده و در شرايط خاص با روغن مخلوط شوند.