توربین گاز در مقابل توربین بخار
توربین ها دسته ای از ماشین آلات توربو هستند که برای تبدیل انرژی در سیال جاری به انرژی مکانیکی با استفاده از مکانیسم های روتور استفاده می شوند. توربین ها، به طور کلی، انرژی حرارتی یا جنبشی سیال را به کار تبدیل می کنند. توربین های گاز و توربین های بخار ماشین آلات توربو حرارتی هستند که در آن کار از تغییر آنتالپی سیال عامل ایجاد می شود. یعنی انرژی پتانسیل سیال به شکل فشار به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.
بر اساس جهت جریان سیال، توربین ها به توربین های جریان محوری و توربین های جریان شعاعی دسته بندی می شوند.از نظر فنی یک توربین یک منبسط کننده است که خروجی کار مکانیکی را با کاهش فشار ارائه می دهد که عملکرد مخالف کمپرسور است. این مقاله بر روی نوع توربین جریان محوری تمرکز دارد که در بسیاری از کاربردهای مهندسی رایج‌تر است.
ساختار اصلی یک توربین جریان محوری طوری طراحی شده است که امکان جریان مداوم سیال را در حین استخراج انرژی فراهم کند. در توربین‌های حرارتی، سیال کار در دما و فشار بالا از طریق یک سری روتور متشکل از پره‌های زاویه‌دار که روی یک دیسک دوار متصل به شفت نصب شده‌اند هدایت می‌شود. بین هر دیسک روتور پره های ثابتی نصب شده است که به عنوان نازل و راهنمای جریان سیال عمل می کنند.
بیشتر درباره توربین بخار
اگرچه مفهوم استفاده از بخار برای انجام کارهای مکانیکی برای مدت طولانی مورد استفاده قرار می گرفت، توربین بخار مدرن توسط مهندس انگلیسی سر چارلز پارسونز در سال 1884 طراحی شد.
توربین بخار از بخار تحت فشار یک دیگ به عنوان سیال کار استفاده می کند.بخار فوق گرم وارد شده به توربین فشار خود را از دست می دهد (آنتالپی) در حال حرکت از طریق پره های روتورها و روتورها محوری را که به آن متصل هستند حرکت می دهند. توربین های بخار نیرو را با سرعتی صاف و ثابت ارائه می دهند و راندمان حرارتی توربین بخار بالاتر از موتورهای رفت و برگشتی است. عملکرد توربین بخار در حالت های RPM بالاتر بهینه است.
به طور دقیق، توربین تنها یک جزء واحد از عملیات چرخه ای است که برای تولید برق استفاده می شود، که به طور ایده آل توسط چرخه Rankine مدل می شود. دیگ‌ها، مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها و کندانسورها نیز اجزای عملیات هستند اما جزء توربین نیستند.
در روزهای مدرن، استفاده اولیه از توربین‌های بخار برای تولید برق است، اما در اوایل قرن بیستم از توربین‌های بخار به عنوان نیروگاه برای کشتی‌ها و موتورهای لوکوموتیو استفاده می‌شد. به عنوان یک استثنا، در برخی از سیستم‌های محرکه دریایی که موتورهای دیزلی غیرعملی هستند، مانند ناوهای هواپیمابر و زیردریایی‌ها، هنوز از موتورهای بخار استفاده می‌شود.
بیشتر درباره توربین گاز
موتور توربین گاز یا به طور ساده یک توربین گاز یک موتور احتراق داخلی است که از گازهایی مانند هوا به عنوان سیال کار استفاده می کند. جنبه ترمودینامیکی عملکرد توربین گاز به طور ایده آل توسط چرخه برایتون مدل شده است.
موتور توربین گاز، بر خلاف توربین بخار، از چندین جزء کلیدی تشکیل شده است. اینها کمپرسور، محفظه احتراق و توربین هستند که در امتداد یک محور چرخان برای انجام وظایف مختلف یک موتور احتراق داخلی مونتاژ می شوند. ورودی گاز از ورودی ابتدا با استفاده از کمپرسور محوری فشرده می شود. که دقیقا برعکس یک توربین ساده عمل می کند. سپس گاز تحت فشار از طریق یک مرحله پخش کننده (یک نازل واگرا) هدایت می شود که در آن گاز سرعت خود را از دست می دهد، اما دما و فشار را بیشتر افزایش می دهد.
در مرحله بعد گاز وارد محفظه احتراق می شود که در آن سوخت با گاز مخلوط شده و مشتعل می شود. در نتیجه احتراق، دما و فشار گاز تا حد فوق العاده بالایی افزایش می یابد.این گاز سپس از قسمت توربین عبور می کند و هنگام عبور از آن حرکت چرخشی به سمت شفت ایجاد می کند. یک توربین گازی با اندازه متوسط نرخ چرخش شفت تا 10000 دور در دقیقه تولید می کند، در حالی که توربین های کوچکتر ممکن است 5 برابر بیشتر تولید کنند.
توربین های گازی را می توان برای تولید گشتاور (توسط محور چرخان)، رانش (با خروج گاز با سرعت بالا) یا هر دو در ترکیب استفاده کرد. در حالت اول، مانند توربین بخار، کار مکانیکی ارائه شده توسط شفت صرفاً تبدیل آنتالپی (فشار) گاز با دمای بالا و فشار است. بخشی از کار شفت برای هدایت کمپرسور از طریق مکانیزم داخلی استفاده می شود. این شکل از توربین گاز عمدتاً برای تولید برق و به عنوان نیروگاه برای وسایل نقلیه مانند مخازن و حتی خودروها استفاده می شود. مخزن M1 آبرامز ایالات متحده از یک موتور توربین گازی به عنوان نیروگاه استفاده می کند.
در حالت دوم، گاز فشار بالا از طریق یک نازل همگرا جهت افزایش سرعت هدایت می شود و نیروی رانش توسط گاز خروجی ایجاد می شود.این نوع توربین گازی اغلب موتور جت یا موتور توربوجت نامیده می شود که به هواپیماهای جنگنده نظامی نیرو می دهد. توربوفن یک نوع پیشرفته از بالا است، و ترکیبی از هر دو نیروی رانش و تولید کار در موتورهای توربوپراپ استفاده می شود، جایی که از شفت برای به حرکت درآوردن پروانه استفاده می شود.
انواع زیادی از توربین های گازی وجود دارد که برای کارهای خاص طراحی شده اند. آنها به دلیل نسبت قدرت به وزن بالا، لرزش کمتر، سرعت عملیات بالا و قابلیت اطمینان، نسبت به سایر موتورها (عمدتا موتورهای رفت و برگشتی) ترجیح داده می شوند. گرمای هدر رفته تقریباً به طور کامل به عنوان اگزوز دفع می شود. در تولید برق، از این انرژی حرارتی هدر رفته برای جوشاندن آب برای راه اندازی یک توربین بخار استفاده می شود. این فرآیند به عنوان تولید برق سیکل ترکیبی شناخته می شود.
تفاوت بین توربین بخار و توربین گاز چیست؟
• توربین بخار از بخار با فشار بالا به عنوان سیال کار استفاده می کند، در حالی که توربین گاز از هوا یا برخی گازهای دیگر به عنوان سیال کار استفاده می کند.
• توربین بخار اساساً یک منبسط کننده است که گشتاور را به عنوان خروجی کار تحویل می دهد، در حالی که توربین گاز دستگاهی ترکیبی از کمپرسور، محفظه احتراق و توربین است که یک عملیات چرخه ای را برای ارائه کار به صورت گشتاور یا رانش انجام می دهد.
• توربین بخار تنها جزئی است که یک مرحله از چرخه رانکین را اجرا می کند، در حالی که موتور توربین گاز کل چرخه برایتون را اجرا می کند.
• توربین های گازی می توانند گشتاور یا رانش را به عنوان خروجی کار ارائه دهند، در حالی که توربین های بخار تقریباً همیشه گشتاور را به عنوان خروجی کار ارائه می دهند.
• راندمان توربین های گازی به دلیل دمای عملیاتی بالاتر توربین های گازی بسیار بیشتر از توربین بخار است. (توربین های گازی ~1500 0C و توربین های بخار ~550 0C)
• فضای مورد نیاز برای توربین‌های گاز بسیار کمتر از عملکرد توربین بخار است، زیرا توربین بخار به دیگ‌ها و مبدل‌های حرارتی نیاز دارد که برای افزودن حرارت باید به بیرون متصل شوند.
• توربین های گاز همه کاره تر هستند، زیرا می توان از سوخت های زیادی استفاده کرد و سیال کاری که باید به طور مداوم تغذیه شود، به راحتی در همه جا (هوا) در دسترس است. از سوی دیگر، توربین‌های بخار به مقدار زیادی آب برای کار نیاز دارند و در دماهای پایین‌تر به دلیل یخ زدگی مشکل ایجاد می‌کنند.
