توربین گاز (Gas Turbine) یک موتور درون‌سوز از نوع ماشین‌های دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. کاربرد اصلی آن در نیروگاه‌ها است اما موتور بالگردها، موتور هواپیماهای مسافری، موتور هواپیماهای جنگی و موتورهای توربینی کشتی‌ها نیز انواعی از توربین گازی هستند.

هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل انرژی درونی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است مولد الکتریکی را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

در سال های کنونی شاهد پیشرفت سریع موتور توربین گازی بودیم که روزبه‌روز پرکاربردتر می‌شود.

انواع توربین گاز

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی، که توربوژنراتور گاز هم نامیده می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که توان تولیدشده به وسیلهٔ آنها، مستقیماً یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه‌دنده به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت سیکل ساده (Single Cycle) یا نیروگاه سیکل ترکیبی (Combined Cycle) باشد.

در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سلسیوس دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود؛ ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل می‌کنند. در نتیجه در حالت سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین می‌توانند به صورت تولید هم‌زمان برق و گرما (Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آن‌ها برای تولید آب گرم یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانجات استفاده می‌شود.

توربین‌های گاز برای تولید انرژی مکانیکی

این نوع از توربین‌های گاز که شامل توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که در آن‌ها انرژی تولید شده توسط توربین، صرف به گردش درآوردن یک کمپرسور (جهت فشرده‌کردن یک مادهٔ گازی) یا پمپ (جهت بالابردن فشار یک مایع) می‌شود.

موتورهای جت

موتورهای جت، نوعی موتور هستند که از شتاب دادن و تخلیه سیال برای ایجاد پیش‌رانش بر پایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کنند. دو نوع از موتورهای جت یعنی توربوجت‌ها و توربوفن‌ها شامل توربین گاز بوده و در واقع یک نوع توربین گاز هستند.

توربوجت‌ها، نوعی توربین گاز هستند که در آن‌ها همهٔ انرژی تولید شده در توربین صرف چرخاندن کمپرسور می‌شود و هوای داغ خروجی از توربین پس از عبور از یک نازل، سرعت گرفته و به صورت یک جت سیال با سرعت زیاد از انتهای آن خارج می‌شود.

توربوفن‌ها، نوع دیگری از موتور جت هستند که در آن‌ها برعکس توربوجت‌ها، همه هوای ورودی به موتور از کمپرسور، محفظهٔ احتراق و توربین عبور نمی‌کند، بلکه بیشتر هوا، پس از عبور از یک یا دو ردیف پره بزرگ که فن نامیده می‌شوند، از مجرای اطراف کمپرسور حرکت کرده و از یک نازل خارج می‌شوند. بخش کمی از هوا از کمپرسور عبور کرده، محترق شده و توربین را می‌چرخاند. انرژی تولیدشده توسط توربین صرف چرخاندن کمپرسور و فن می‌شود؛ بنابراین در این نوع موتور جت، پیش‌رانش هم در اثر جت سیال خروجی و هم در اثر چرخش فن ایجاد می‌شود. بازده حرارتی توبوفن‌ها در سرعت‌های پایین‌تر از سرعت حرکت صوت (ماخ کمتر از ۱) که سرعت حرکت هواپیماهای مسافربری است، از توربوجت‌ها بیشتر است. بنابراین، پس از اختراع توربوفن، به تدریج در هواپیماهای مسافربری از آن‌ها استفاده شد و امروزه موتور بیشتر هواپیماهای مسافربری، توربوفن است.

توربوشفت‌ها

توربوشفت، موتور بیشتر بالگردهای امروزی است که علاوه بر بالگردها در کشتی‌ها، تانک‌ها، هواناوها و برخی قایق‌ها هم کاربرد دارد. توربین گاز در توربوشفت‌ها مشابه توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها، برای تولید انرژی مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این تفاوت که در توربوشفت، انرژی مکانیکی تولیدشده صرف چرخاندن کمپرسور یا پمپ نمی‌شود. در این موتورها، انرژی خروجی از توربین، پس از کاهش سرعت دوران در جعبه‌دنده، باعث چرخاندن پروانه بالگرد، کشتی یا هواناو می‌شود.

اصول کار توربوشفت

موتورهای توربوشفت به صورت دوشفته هستند. شفت نخست که شامل کمپرسور، محفظهٔ احتراق و توربین فشار بالا (High Pressure Turbine) می‌شود، شفت کمپرسور یا شفت مولد گاز (Gas Generator Shaft) نامیده می‌شود. شفت دوم که شامل توربین فشار پایین (Low Pressure Turbine) است، توان مکانیکی را به جعبه‌دنده منتقل می‌کند تا پس از کاهش دور به مصرف برسد. این شفت، شفت توان (Power Shaft) نامیده می‌شود. همهٔ توان تولیدشده به وسیلهٔ توربین فشار بالا، صرف چرخاندن کمپرسور و ایجاد هوای فشرده می‌شود و از اینرو، این شفت، مولد گاز نامیده می‌شود. توان تولیدی توسط توربین فشار پایین، به مصرف‌کننده منتقل می‌شود.

اصول کار موتور توربوفن

اصول کار توربوجت

اصول کار موتور توربوپراپ

توربوپراپ‌ها

توربوپراپ (Turboprop)، نوعی موتور هوایی است که معمولاً در هواپیماهای کوچک و کم‌سرعت استفاده می‌شود. این نوع موتور، شبیه به توربوشفت بوده و در آن از گردش محور توربین برای گرداندن ملخ و ایجاد پیش‌رانش استفاده می‌شود. توربوپراپ‌ها در سرعت‌های کم، کارایی بهتری نسبت به توربوفن‌ها و توربوجت‌ها دارند ولی در سرعت‌های بیشتر، راندمان آن‌ها کاهش یافته و نویز آن‌ها افزایش می‌یابد.

سازندگان اصلی توربین گاز

امروزه شرکت‌های جهانی سازنده توربین گاز در جهان عبارتند از:

• جنرال الکتریک
• زیمنس
• آلستوم
• آنسالدو انرژیا
• رولز-رویس هلدینگ
• پرت اند ویتنی
• صنایع سنگین میتسوبیشی (MHI)
• ...

مزایا و معایب توربین‌های گاز

مزایای توربین‌های گاز

• نسبت توان به وزن بسیار زیاد: توربین‌های گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی با توان یکسان، کوچک‌ترند.
• زمان راه‌اندازی بسیار کم نسبت توربین‌های حرارتی
• ارتعاش کمتر: به دلیل حرکت در یک جهت ارتعاش توربین‌های گاز از موتورهای رفت و برگشتی کمتر است.
• بخش‌های متحرک کمتر از موتورهای رفت و برگشتی
• هزینهٔ روغنکاری کمتر

معایب توربین‌های گاز

• گران‌بودن
• دمای کاری زیاد
• راندمان کمتر نسبت به موتورهای رفت و برگشتی در حالت بی‌باری
• کارکرد نامناسب در شرایط نوسان بار

فهرست برخی از سازندگان تست استند توربین گاز

سکوهای آزمایش و تست استندهای کلی توربین از دیدگاه بررسی و تعیین الزامات و تاسیسات مورد نیاز جهت استفاده در مرحله­‌ی توسعه­‌ی طراحی توربین قابل بررسی هستند.

مجموعه توربین گاز زیمنس

در ادامه تعدادی از شرکت­‌های معتبر در زمینه توربین گاز و ساخت تست استند کلی توربین گاز معرفی شده است.

• شرکت جی‌ئی (GE)
• شرکت زیمنس (Siemens)
• شرکت صنایع سنگین میتسوبیشی (MHI)
• شرکت موتورهای هوایی MTU
• شرکت Emprise آمریکا
• شرکت Bauer آمریکا
• شرکت سولزر (Sulzer)
• شرکت MDS
• شرکت مان (MAN)
• موسسه توربوماشین‌­های گرمایی و دینامیک ماشین (TTM) اتریش
• ...