دانلود تحقیق آشنایی با توربین های گازی و سوپر آلیاژ ها

فصل اول آشنایی با توربین گازی بخش اول 1-تاریخچه طراحی توربین گازی، به اوائل قرن نوزدهم بر می گردد.

اولین توربین گازی را استولز آلمانی در سال 1872 ساخت.

این توربین خیلی شبیه به توربینهای امروزی بود اما بعلت پایین بودن راندمان آن، قادر به چرخاندن چیزی جز کمپرسور نبود.

در آن زمان پیشرفتهای قابل توجهی در توربینهای بخاری و موتورهای پیستونی صورت گرفته بود و از طرف دیگر به علت عدم اطلاع از دانش آیرودینامیک و عدم گسترش دانش متالوژی در ایجاد آلیاژهای مقاوم به حرارت و تنش، توربینهای گازی راندمان پایین نداشتند و توان رقابت با موتورهای دیگر را نداشتند، بنابراین انگیزه ای برای تحقیقات بیشتر ایجاد نمی شد.

با گسترش جنگ جهانی دوم و نیاز به پرواز هواپیماها با سرعت صوت و بالاتر، قوی ترین انگیزه در ایجاد و ساخت توربینهای گازی برای صنعت هواپیمایی موجود آمد.

با افزایش اطاعات در دانش آیرودینامیک و ساخت آلیاژهای مقاوم به حرارت، بالاخره در سال 1933، دکتر مایر به کمک کمپانی براون باوری، پر راندمان ترین توربین گازی صنعتی را ساخت.

راندمان این توربین 18 درصد بود.

تحقیقات گسترده در این زمینه، پس از جنگ، درد و شاخه صنایع هوایی و تولید برق آغاز شد.

و بالاخره در اواخر دهه 50 توربین گاز بصورت گسترده در صنعت برق مورد استفاده قرار گرفت.

2-مزایای توربین گاز الف- عوامل اقتصادی: 1-نسبت قدرت به وزن بالایی دارد.

2-اجزاء کمکی کم و در نتیجه سرویسهای زیادی نمی طلبد.

3-آماده سازی فونداسیون آن هزینه زیادی نمی طلبد.

4-نیاز به فضای زیادی ندارد.

ب-عوامل از نظر زمان تحویل: 1-نصب آن ساده است 2-قسمتهای کمکی و فرعی آن استاندارد است 3-جابجایی و حمل و نصب آن در نقاط دیگر آسان است.

ج-عوامل بهره برداری: 1-راه اندازی سریع- طی مدت 10 دقیقه می تواند راه اندازی شده به شبکه وصل گردد.

2-زمانی که شبکه بدون برق باشد توسط باطری نیز می توان واحد را روشن کردن(البته واحدهایی که با دیزل روشن می شوند) 3-از راه دور می توان توربین را استارت کرد و به شبکه پارالل نمود و میزان بار کم یا زیاد نمود 4-قسمتهای مختلف آن توسط هوا خنک می شوند و نیاز آنچنانی به آب ندارد 3-معایب توربینهای گازی الف-از آنجاییکه قطعات توربین عمدتاً از جنس سوپر آلیاژهاست، تهیه و بازسازی آنها مستلزم هزینه های زیادی است.

ضمن آنکه به دلیل دمای بالای قطعات، سریعاً تخریب می شوند.

ب- راندمان توربین گازی در مقایسه با توربینهای آبی و بخار پایین است.

راندمان توربین آبی 90 درصد، توربین بخار 40 درصد و توربین گاز 30 درصد است که به کمک سیکل ترکیبی می تواند تا 50 درصد افزایش یابد.

ج- مصرف سوخت آنها بالاست.

همانگونه که ذکر شد، هزینه نگهداری توربینهای گازی بالاست، بنابراین برای رسیدن به بهترین حالت اقتصادی تولید برق، بار پایه توسط نیروگاههای آبی و حرارتی بخار، تولید می شود.

چون هزینه اولیه چنین نیروگاههایی بالا و مصرف سوخت آنها پایین است و بار متوسط و پیک توسط واحدهای گازی تولید می شود.

4-طرحهها و مدل های توربین گاز طرحهای توربین گازی صنعتی را می توان به دو دسته تقسیم کرد.

دسته اول نوع تکامل یافته توربینهای جهت هستند و از خصوصیات آنها، تعدد اطاقهای احتراق است که باعث تقسیم متعادل گاز داغ در اطراف می گردد.

سازندگان اصلی این طرح، جنرال الکتریک (G.E) و وستینگ هاوس می باشند.

دسته دوم نوع تغییر یافته واحدهای بخار می باشند.

اطاق احتراق در این توربینها بصورت ایستاده و در طرفین توربین و بعضاً یک اطاق احتراق در کنار توربین است و تعادل گاز داغ بعد از اطاق احتراق و در محفظه ورودی توربین صورت می گیرد.

سازندگان عمده اینگونه توربین ها عبارتند از براون باوری (BBC) و کرافت ورک.

BBC یک اطاق احتراق و کرافت دو اطاق احتراق دارد.

شرکتهایی که تحت لیسانس جنرال الکتریک آمریکا فعالیت می کنند عبارتند از: ALSTOM (فرانسه)، HITACHI (ژاپن)، A.E.G(آلمان)، John Brown(انگلیس) مدلهایی که شرکت جنرال الکتریک طراحی و ساخته است عبارتند از: مدل GEMS 3001 با قدرت 10 الی 15 مگاوات مدل GEMS5001 با قدرت 14 الی 26 مگاوات با راندمان 27 درصد مدل GEMS 6001 با قدرت 30 الی 40 مگاوات با راندمان 30 درصد مدل GESM7001 با قدرت 70 الی 80 مگاوات با راندمان 30 درصد مدل GESM9001 با قدرت 90 الی 125 مگاوات با راندمان 31 درصد شرکتهایی که تحت لیسانس وستینگهاوس آمریکا فعالیت می کنند عبارتند از: (MHI) MITSUBISHI (ژاپن)، ACEC (بلژیک)، FIAT (ایتالیا)، WESTINGHOUSE(کانادا) مدلهایی که شرکت وستینگهاوس طراحی و ساخته است عبارتند از: مدل W191 با قدرت 17 مگاوات با راندمان 27 درصد TG16 معادل این مدل و ایتالیایی است.

مدل W251 با قدرت 30 تا 37 مگاوات با راندمان 27 درصد TG20 معادل این مدل و ساخت FIAT است.

مدل W501 با قدرت 100 مگاوات با راندمان 31 درصد TG50 معادل این مدل است.

مدل W701 با قدرت 85 الی 140 مگاوات با راندمان 31 درصد TG100 معادل این مدل است.

مدلهایی که شرکت کرافت ورک طراحی و ساخته است عبارتند از: 1-مدل V93.

1 با قدرت 60 مگاوات 2-مدل V94 با قدرت 137 مگاوات 3-مدل V94.2 با قدرت 150 مگاوات.

این شرکت، سازنده های مطرح وابستگی ندارد.

مدلهایی که شرکت براون باوری(BBC) طراحی کرده و ساخته است عبارتند از: 1-مدل BBC type 8 با قدرت 7 الی 8 مگاوات 2-مدل BBC type 9 با قدرت 25 الی 30 مگاوات 3-مدل BBC type II با قدرت 65 الی 75 مگاوات این شرکت نیز، سازندگان دیگری که مشابه واحدهای مزبور را مونتاژ کنند، تحت لیسانس ندارد.

5-اجزاء واحد گازی 6.

سیستم راه اندازی: زمانیکه توربین خاموش است، هوای فشرده در محفظه احتراق وجود ندارد، بنابراین امکان ایجاد گاز داغ پر فشار وجود ندارد.

لذا ابتدا توسط سیستم راه انداز محور توربین به حرکت در می آید.

و پس از آنکه به طور مناسب رسید، توربین روشن می شود سیستم راه اندازی شامل اجزاء زیر می باشد: 1-دیزل 2-مبدل گشتاور 3-راچت 4-جعبه دنده کمکی 5-کلاچ راه انداز مبدل گشتاور دور بالای دیزل را آرام آرام به محور ساکن توربین منتقل می کند.

دیزل برای راه اندازی توربین بکار می رود.

بجای آن می توان از الکتروموتور نیز استفاده کرد.

راچت زمان راه اندازی برای غلیه بر اصطکاک، در زمان خاموش برای چرخاندن شفت جهت جلوگیری از خمیدگی شفت داغ و در زمان تعمیرات برای نصب پره روی دیسک، بکار می رود.

کلاچ راه انداز مبدل گشتاور را با جعبه دنده کمکی درگیر می کند.

جبه دنده کمکی در زمان راه اندازی از دیزل و در زمان کار کرده توربین از محور آن نیرو می گیرد و توان مورد نیاز برای پمپ روغن روغنکاری، پمپ آب برای خنک کاری روغن و موتوز دیزل، پمپ روغن هیدرولیک و پمپ گازوئیل را تأمین می‌کند.

7-ژنراتور: در استاتور ژنراتور تحریک، توسط جریان باطری، میدان مغناطیسی ایجاد می شود.

سیم پیچی موتور در این میدان می چرخد و جریان متناوب تولید می کند و با دیود به جریان مستقیم تبدیل می شود.

سیم پیچی روتور ژنراتور با این جریان میدان مغناطیسی چرخان ایجاد می کند و در استاتور جریان متناوب ایجاد می شود.

سرعت ژنراتور 3000 RPM و روتور آن روی دو یاتاقان ژورنال قرار می گیرد.

ولتاژ آن 11 KV است که توسط ترانس به 230 KV تبدیل می شود.

فرکانس آن 50 HZ است.

در تحریک استاتیکی جریان DC مستقیماً توسط ذغالهای به روتور ژنراتور اصلی داده می شود.

استهلاک تحریک دینامیکی کمتر از تحریک استاتیکی است.

اما تحریک استاتیکی هزینه اولیه کمتری دارد.

ژنراتور باید توسط هوا خنک شود.

8-اتاق کنترل.

در اتاق کنترل معمولاً هر دو ساعت یکبار اطلاعات زیر خوانده و در لاک شیت ثبت می‌شود: توان تولیدی ژنراتور، ولتاژ و جریان، ولتاژ و جریان تحریک درجه حرارت ژنراتور، خروجی کمپرسور، دیسکهای توربین، اگزوز، درجه حرارت روغن لرزش یاتاقانها فشار کمپرسور، سوخت، فیلتر، یاتاقانها، فشار پمپ اصلی روغن، فشار سر نازل سوخت پاش 9-فیلتراسیون هوا (سیستم هوای ورودی) سیستم هوای ورودی برای جلوگیری از ورود ذرات معلق در هوا که از 3/0 تا 300 میکرون قطر دارند، طراحی شده است.

این ذرات سبب آسیب رساندن به قطعات توربین بصورت خوردگی و f.O.D می باشند.

ضمن آنکه روی پره های کمپرسور می نشیند و سبب تغییر ایرفویل پره کمپرسور و در نتیجه کاهش دبی جرمی هوا و کاهش راندمان و توان می گردند.

این سیستم در توربین GEF 5 از قسمتهای زیر تشکیل شده است: INLET SCREEW برای جلوگیری از ورود کاغذ، برگ، پرنده و غیره و در ابتدای فیلتراسیون قرار دارد.

INERTIAL SEPERATOR برای جلوگیری از ذرات سنگین و مطابق شکل زیر عمل می کند.

در این جدا کننده ذرات درشت دارای مومنتوم بیشتری هستند بنابراین نمی توانند مانند هوا منحرف شوند و به دیواره انتهایی برخورد می کنند و در پایین انباشته می‌شوند.

این جدا کننده بطور خودکار تمیز می گردد.

3-MEDIA PRE-FILTER برای افزایش عمر فیلترهای نهایی تعبیه می شود و درصدی از ذرات درشت را می گیرد.

این فیلتر اختلاف فشار ایجاد می کند.

اگر افت فشار آن بیش از حد متعارف باشد آنرا تعویض می کنند.

3-HIGH EFFICIENCY FILTER آخرین فیلتری است که در سیستم هوای وروردی نصب می گردد.

اختلاف فشار دو سر ان باید اندازه گیری شود و اگر بیشتر از حد معمول باشد باید تعویض گردد.

گاهی اوقات درهای اضطراری واحد باز می شوند و هوا بدون فیلتراسیون وارد کمپرسور می گردد.

و این مربوط به زمانی است که بر اثر یخ زدگی فیلترها مسدود شده باشند.

بخش دوم 1-کمپرسور کمپرسور هوا را از سیستم هوای ورودی (اتاق فیلتراسیون) می گیرد و پس از افزایش فشار آن به محفظه احتراق می دهد.

همچنین درصدی از هوای کمپرسور صرف خنک کاری قطعات مختلف توربین و آب بندی یاتاقانها می شود.

در ابتدای کمپرسور پره‌های Iniet guide vane(I.G.V) قرار دارند.

این پره ها حول محور خود می چرخند و می توانند ورودی کمپرسور را ببندند و مانع ورود هوا شوند.

این عمل در زمان راه اندازی و خاموش کردن توربین بطور خودکار انجام می شود.

پس از I.G.V پره های متحرک قرار دارند.

این پره ها روی شفت کمپرسور نصب شده اند و با چرخش شفت توربین، می توانند هوا را به جریان اندازند.

پس از پره های متحرک، پره ثابت قرار دارند.

پره‌های ثابت روی پوسته کمپرسور نصب شده اند- وظیفه پره های ثابت افزایش فشار جریان هواست.

بدین صورت که وقتی هوا با سرعت وارد کانال ردیف ثابت می شود، مسیر کانال بازتر می شود و طبق خواص سیال، سرعت آن کم می شود و فشار آن بالا می رود در نتیجه پس از عبور از ردیف ثابت، هوای فشرده با سرعت کم به ردیف متحرک دوم می رسد و در آنجا روی سیال کار انجام می شود و سرعت می گیرد و پس از ردیف ثابت مجدداً فشار آن بالا می رود.

این پروسه در 15 تا 17 مرحله انجام می گیرد.

به عبارت دیگر بسته به نوع توربین 15 تا 17 مرحله پره های ثابت و متحرک در کمپرسور قرار دارد.

در انتهای کمپرسور، سیال همچنان اندکی سرعت دارد.

برای تبدیل این سرعت به فشار، دو ردیف پره ثابت تعبیه شده است.

به این دو ردیف Exit guide vane(E.G.V) می گویند.

پس از آن هوای کمپرسور وارد محفظه ای می گردد که لاینرها و ترانزیشن پیس ها قرار دارند.

از مراحل میانی کمپرسور برای خنک کاری قطعات مختلف توربین هوا خارج می شود.

همچنین برای جلوگیری از لرزش و خفگی کمپرسور در زمان راه اندازی و خاموش کردن از مراحل میانی کمپرسور توسط Bleed valve هوا وارد اگزوز می شود.

دمای هوای خروجی کمپرسور حدوداً 350 درجه سانتی گراد و فشار آن حدوداً 12 اتمسفر است.

دبی هوای GEF9E حدوداً 4000 کیلوگرم در ثانیه است.

2-محفظه احتراق در طرحهای کرافت و BBC به ترتیب 2 و یک محفظه احتراق در کنار توربین قرار می گیرد و هوای کمپرسور در آنجا توسط سوخت داغ می شود و انرژی آن بالا می رود و به توربین می رود.

در طرحهای جنرال الکتریک و وستینگهاوس بسته به مدل توربین 10 تا 18 عدد لاینر و ترانزیشن پیس در اطراف شفت در داخل توربین قرار می گیرد.

در هر لاینر ابتدا توسط نازل سوخت پاش، سوخت به داخل لاینر اسپری می شود و در آنجا با هوای فشرده که از سوراخهای اطراف لاینر وارد می شود، مخلوط می گردد.

در دو لاینر، جرقه زن (Spark) قرار دارد که توسط آنها سوخت شعله ور می شود، و شعله از طریق کراس فایر تیوب به لاینرهای دیگر انتقال می یابد.

در بدنه لاینر سوراخها و شکافهایی ایجاد شده است که هوا از آنها عبور می کند و یک لایه خنک، روی دیواره داخلی لاینر ایجاد می کند.

دو انتهای لاینر سوراخهایی در دیواره تعبیه شده است که می توانند هوای خروجی کمپرسور را وارد لاینر کنند و دمای گازهای حاصل از سوخت را کاهش دهند.

در روی دو لاینر شعله بین تعبیه شده است چنانچه در لاینر شعله نباشد، شعبه بینسیگنالی تولید می کند و فرمان قطع سوخت می دهد.

بدین ترتیب واحد خاموش می شود.

برای بهتر شدن احتراق، لازم است سوخت به قطرات ریز تبدیل شود.

برای این کار در برخی از توربینها متمایز بکار رفته است.

اتمایزر هوای فشرده را وارد سوخت می کند و پس از آن وارد نازل سوخت پاش می شود در برخی از توربینها، نازل انژکتوری بکار رفته است.

در هر دو روش می توان سوخت را بصورت مد در آورد و راندمان احتراق را بالا برد.

گازهای حاصل از احتراق پس از لاینر وارده ترانزیشن پیس می شود و پس از عبور از آن به نازل مرحله اول توربین می رسد.

در GEF9 در ابتدای محفظه احتراق دمای هوا حدوداً 350 درجه سانتی گراد و فشار آن حدوداً 12 بار است.

در انتهای محفظه احتراق دمای آن حدوداً 1100 درجه سانتی گراد و فشار آن همان 12 بار است.

این دما صورتی از انرژی داخلی سیال است که در مراحل توربین به کار مکانیکی تبدیل می شود.

3.توربین توربین انرژی داخل گاز را تبدیل به انرژی مکانیکی می کند.

برای انجام این پروسه گاز داغ از ارز وارد نازل مرحله اول می شود.

سطح مقطع ورودی نازل بیشتر از سطح مقطع خروجی آن است در نتیجه گاز افزایش می یابد و دما و فشار آن کم می شود.

همچنین در نازل جهت گاز تغییر می کند.

در ابتدای نازل سیال هم راستای محور توربین وارد می شود و در انتهای آن با زاویه تقریبی 70 درجه خارج می شود.

این انحراف برای برخورد مناسب با پره مورد نیاز است.

هوای خروجی کمپرسور به محفظه پشت retaining ring می رود و از آنجا وارد نازلهای ردیف اول می شود و آنرا خنک می کند.

گازهایی که از نازل خارج می شوند با سرعت زیاد به پره متحرک ردیف اول می خورند.

به سبب انحنای پره جهت حرکت سیال عوض می شود و این تغییر جهت را عکس العمل پره ایجاد می کند به عبارت دیگر به سبب