توربین گاز

توربین های گازی در گستره وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. آنها نیروی محرک انواع هواپیماها را تامین کرده و تجهیزات مکانیکی از قبیل پمپ ها، کمپرسورها و ژنراتورهای شبکه های الکتریکی را به حرکت در می آورند. آنها همچنین وظایف تولید بار - پیک و بار پایه توان الکتریکی را بر عهده دارند.
قبل از این که به معرفی توربین گاز بپردازیم، بهتر است توضیح مختصری راجع به موتورهای احتراق داخلی که به خاطر شباهت زیادشان در عملکرد به توربین های گاز، می توانند در فهم بحث اصلی، کمک موثری بکنند و به خاطر ساختمان ساده و استفاده زیادشان در زندگی روزمره همگان با آن آشنایی نسبی دارند، بدهیم.

به عنوان مثال، یک موتور اتومبیل چهار سیلندر و چهار هنگامه را در نظر می گیریم.

اینگونه موتورها دارای چهار سیلندر می باشند که به ترتیب در هر یک از سیلندر ها، مراحل چهار گانه مکش، تراکم، قدرت (احتراق و انبساط) و تخلیه صورت می گیرد. در شکل زیر سیلندر های یک موتور چهار هنگامه چهار سیلندر در حالی که در مراحل مختلف هستند، نشان داده شده است.

اگر یک سیلندر خاص را در نظر بگیریم، ابتدا با استفاده از چرخش میل لنگ ( که توسط قدرت انتقالی از طریق سیلندر های دیگر در مرحله قدرتشان به آن ایجاد شده است) پیستون در سیلندر مورد نظر پائین رفته، در نتیجه هوا و سوخت از کاربراتور و از طریق شیر مخصوصی که در این حالت باز است به داخل سیلندر مکیده می شوند. این مرحله مکش نام دارد. در مرحله بعدی پیستونبا استفاده از چرخش میل لنگ بالا رفته، مخلوط هوا و سوخت را در سیلندر متراکم می کند. در این مرحله شیر ورودی سوخت و هوا بسته است. این مرحله، تراکم نام دارد. در انتهای مرحلۀ تراکم، توسط شمع، در سیلندر جرقه زده می شود که در نتیجۀ آن مخلوط سوخت و هوای متراکم، محترق می گردد. احتراق سوخت و هوای متراکم در سیلندر، باعث انبساط در سیلندر در نتیجه راندن پیستون به سمت پائین می شود و حرکت پیستون به سمت پائین باعث چرخش میل لنگ می گردد. این مرحله (احتراق و انبساط)، مرحله قدرت نامیده می شود، زیرا در این مرحله است که انرژی سوخت مصرف شده در سیلندر، به صورت انرژی مکانیکی (گشتاور) در میل لنگ ظاهر می گردد. در مرحلۀ بعد که مجدداً پیستون در سیلندر مورد نظر ما با استفاده از چرخش میل لنگ بالا می آید، ماحصل احتراق مخلوط سوخت و هوا که انرژی خود را از دست داده و دیگر قابل استفاده نیست، از طریق شیری که در این مرحله باز می شود، به اگزوز تخلیه می گردد (مرحلۀ تخلیه). مرحله بعدی مجدداً مرحله مکش است که با پائین آمدن پیستون در سیلندر انجام می گیرد. البته همانگونه که در شکل بالا ملاحظه می شود، در هر لحظه، هر یک از سیلندر ها در یکی از چهار مرحله هستند و هر سیلندر تنها در یک مرحله از چهار مرحلۀ خود، قدرت را به میل لنگ تحویل می دهد و این تمامی مراحل در سیلندر های مختلف است که یک گردش یکنواخت را در میل لنگ سبب می شود.

نکته ای که در اینجا باید به آن اشاره شود و برای بحث آیندۀ ما که توربین گاز می باشد، از لحاظ مقایسه و فهم بهتر مطلب موثر است، این است که:

اولاً: در موتورهای احتراق داخلی، این انرژی شیمیایی نهفته در سوختهای فسیلی مثل گاز، نفت، بنزین، گازوئیل و ... است که با احتراق هوای فشرده، در نهایت به انرژی مکانیکی (به صورت گردش محور) تبدیل می شود

ثانیاً: سیال عاملی که باعث حرکت پیستون به سمت پائین و در نتیجه گردش میل لنگ می شود، گاز داغ (مخلوط هوا و سوخت محترق) می باشد.

توربین گاز

توربین گاز از لحاظ مراحل کار ونحوۀ عملکرد، شباهت زیادی با موتورهای احتراق داخلی دارد:

اولاً: چهار مرحلۀ مکش، تراکم، احتراق و انبساط (قدرت) و تخلیه در توربینهای گاز صورت میگیرد منتهی در موتورهای احتراق داخلی، این مراحل، در هریک از سیلندرها ولی به ترتیب انجام می شود، در حالیکه در توربینهای گاز، هر یک از مراحل فوق الذکر در قسمت خاصی از واحد گازی که برای همان منظور در نظر گرفته شده است، صورت می گیرد. مثلاً؛ تراکم همواره در یک قسمت و احتراق همواره در یک قسمت دیگر در حال انجام است.

ثانیاً: در توربینهای گاز نیز، این انرژی شیمیایی نهفته در سوختهای فسیلی است که نهایتاً بصورت انرژی مکانیکی (گشتاور) ظاهر می گردد.

ثالثاً: در توربینهای گاز نیز سیال عاملی که باعث چرخش محور می گردد، گاز داغ (هوای فشرده محترق) می باشد، و همین وجه تسمیۀ توربینهای گازی می باشد.

اجزاء اصلی توربین گاز

اصلی ترین اجزاء  توربین گاز عبارتند از:

1. کمپرسور
2. اتاق احتراق
3. توربین

ترتیب قرار گرفتن اجزاء فوق، در رابطه با یکدیگر در شکل زیر به وضوح پیداست:

از اجزاء فوق، کمپرسور، همواره وظیفه مکش و متراکم کردن هوا را بر عهده دارد. هوای متراکم به اتاق (یا اتاقهای) احتراق، هدایت شده و در اتاق احتراق با پاشیده شدن سوخت و ایجاد جرقه (البته ایجاد جرقه تنها در ابتدای احتراق لازم است و پس از برقراری شعله، به علت بالا بودن دما در اتاق احتراق، شعله حفظ می گردد)، محترق می گردد. گاز داغ حاصل از احتراق هوای متراکم در اتاق احتراق، روی پره های توربین هدایت می شود و با به گردش در آوردن توربین، انرژی مکانیکی لازم برای چرخاندن بار متصل به توربین را فراهم می کند. ماحصل احتراق، پس از دادن انرژی خود به توربین از طریق اگزوز به اتمسفر تخلیه می گردد. با مقایسۀ ترتیب کار در توربین گاز با ترتیب کار در موتورهای احتراق داخلی، مشاهده می شود که توربینهای گاز از نظر اساس کار، چیز جدیدی نیستند و تنها از نظر ساختمان و نحوۀ عمل، تفاوتهایی با موتورهای احتراق داخلی پیدا می کنند.