تاريخچه توربين گاز

     

 Gasturbine history

 

 تاريخچه توربين گاز و توربين بخار در هم آميخته است. و نمي‌توان بطور کامل تاريخچه توربين گاز و توربين بخار را از هم مجزا نمود.

در اوايل سال 1791 جان باربر ( John Barber ) اختراع عبور هر گونه سيال اعم از گاز يا مايع از توربين بخار که داراي انرژي پتانسيل باشد را بثبت رسانيد. وي اينگونه مطرح نمود که مخلوط گاز کک ( که در اثر گرم کردن ذغال سنگ بوجود مي‌آيد ) با هواي فشرده شده پس از احتراق با سرعت زياد جت مانند به پره‌هاي يک توربين شعاعي برخورد نموده و محور آن را به حرکت در مي‌آورد. ولي قبل از او در سال 1629 م جیووانی برانکا Giovanni Branca توربين بخار ضربه‌اي، لئوناردو داوينچي در سال 1550  توربين هواي داغ را براي به حرکت در آوردن و چرخاندن گوشت براي بريان کردن آن و قهرمان داستان الکساندريا (( Hero of Alexandria در 150 سال قبل از ميلاد توربين بخار عکس‌العملي را اختراع نموده بودند. ولي تا اواخر قرن 19 هيچ شواهدي که ايده آنان تبديل به کار شده باشد وجود ندارد.

براي مدت 90 سال با وجود بروز ايده‌هاي فراوان، همه تلاشها براي توليد کار ناموفق بود. تا اينکه در سال 1914 نورمن ديوي Norman Davy تئوري توربين گاز را که توسط باربر ارائه شده بود تکميل نمود.

در سال 1808 م Dumball توربين چند مرحله‌اي را مد نظر قرار داد اما اين ايده فقط شامل پره‌هاي متحرک  بون پره‌هاي ثابت آيروديناميکي جهت هدايت سيال به استيج‌هاي بعدي بود و اگر او متوجه نياز يک مرحله ثابت بين پره‌ها مي‌شد، مي‌توانست منشأ ابداع توربين جريان محوري باشد.

در سال 1837م  در پاريس برايسون Bresson  ايده استفاده از فن براي هدايت هواي فشرده به محفظه احتراق را ارائه داد. در اين راهکار هواي مخلوط شده با سوخت گاز سوزانده شده و با اضافه نمودن هواي بيشتر دماي آن کاهش يافته و نهايتاً براي چرخش پره‌هاي توربين مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

در سال 1850 م  در انگلستان فرنيمو Fernimough  پيشنهاد ادقام بخار و توربين گاز را ارائه نمود. بصورتي که آب را روي گاز داغ توليد شوده توسط ذغال سنگ اسپري نموده در نتيجه مخلوط گاز و بخار بدست آمده روتور توربين را به حرکت در مي‌آورد.

تا اينکه در سال 1872 م دکتر فرانس استولز Dr. Franz Stolze  با استفاده از  ايده‌هاي باربر و دمبال Barber & Dumball براي ايجاد اولين کمپرسور جريان محوري که توسط توسط توربين به چرخش درآيد تلاش نمود.ولي تا سال 1900 م به دليل کمبودهاي مالي نتوانست آن را عملي کند. طراحي استولز شامل يک کمپرسور محوري چند مرحله‌اي، تنها يک محفظه احتراق، يک توربين جريان محوري و استفاده از گاز داغ اگزوز براي گرم کردن هواي ورودي کمپرسور بود. اين مجموعه طي سالهاي 1904-1900 م آزمايش شد ولي نتوانست به طور موفق کار کند.

ايده برسون Bresson پايه خنک کردن هوا براي افزايش توان، ايده فرنيمو Fernimough مبنايي براي تزريق آب براي افزايش توان و کنترل NOx، ايده  استولز Stolze باعث شد راه براي استفاده از هر دو روش در طراحي توربين گاز و افزايش راندمان بهبود يابد.

در سال 1884م اختراع سر چارلز بارسونز Sir Charles Parsons در مورد توربين‌هاي عکس‌العملي به ثبت رسيد، و در سال 1888م شارل دو لاوال Charles de Laval با استفده از ايده‌ي جيوواني برانکا Giovanni Branca کارآيي براي توربين بخار ضربه‌اي، محقق گرديد. بين سالهاي 1895-1896م تغييراتي در طراحي توربين بخار ضربه‌اي توسط اگوست سي راتيو  August C. Rateau ، چالز کورتيس Charles Curtis و دکتر زولي Dr. Zoelly ايجاد گرديد. تجربيات بدست آمده باعث بوجود آمدن براي تبديل توربين بخار به توربين گاز شد. و در پايان قرن 19م ايده‌هاي قرون قبلي شروعي بود جهت استفاده از توربينها براي تبديل انرژي حرارتي به کار.

در سال 1903م توسط رنه آرمينا Rene Armengaud و چارلز لمالا Charles Lemale يک توربين گاز با استغاده از کمپرسور دوار رتيو و ترکيب شتاب دهنده کرتيسي با توربين بخار بطور موفقيت آميز آزمايش شد. آرمينا و لمالا بطور تصميم داشتند. چندين توربين گاز بطور آزمايشي بسازند. در ابتدا آنها با استفاده از يک توربين بخار HP25  دو لاوال de Laval که توسط گاز کمپرس شده از يک محفظه احتراق، و از کمپرسور تغذيه مي‌شد براي چرخش، استفاده کردند. اين توربين و کمپرسور با دور Rpm 4000 مي‌چرخيد. در نمونه‌اي ديگر با تزريق بخار در مجاورت نازل درجه حرارت پايين آورده شد. حتي با گذشت يک قرن اين عمل در طراحي خنک‌کاري پره‌هاي توربين که توسط ان ديوي N. Davy نوشته "" در توربين آرمنگد و لمال Armengaud & Lemale محور توربين دو استيجي از نوع کورتيسي بود و عمل خنک‌کاري توسط آب انجام مي‌گرفت.""  شده است بکار مي‌رود. بدليل اينکه آنها فن استخراج و ذوب فلزات را براي درجه حرارت بالا را نداشتند، با تزريق آب و بخار جهت خنک‌کاري و کاهش اثرات دما بر روي محفظه‌ي احتراق، نازلهاي ( پره‌هاي ثابت ) توربين و پره‌هاي متحرک  را کاهش مي‌دادند.

بعداً بران باوري و شرکتش Brown Boveri and Co.  تصميم به ساخت يک توربين 500 اسب بخاري با سه استيج که هر استيج شامل 25 پره بود با کمپرسور سانتري فوژ گرفتند. اين کمپرسور سانتري‌فوژ بطور خاص براي کاربرد توربين گاز ساخته شد که از مدل A.C. Rateau اقتباس شده بود. گاهي در نگاه به گذشته مشکل است تشخيص داد که آيا کداميک از اين اشخاص (پيشگامان) توربين بخار خود را با گاز داغ، يا توربين گاز خود را با بخار تکميل کردند. اما يک چيز بديهي است که ايده‌ي آنها هنوز هم در توربين گاز  کاربرد دارد.

در طول نيمه اول قرن 20 م توسعه توربين گاز به آرامي ادامه داشت. پيشرفتها عمدتاً در توليد مواد با قابليت و استحکام در مقابل درجه حرارت بالا براي استفاده در کمپرسور، توربين و اجزاي محفظه احتراق متوقف مي‌ماند. به عنوان مثال نسبت فشار کمپرسور، محدوديت درجه حرارت توربين، در نتيجه راندمان پايين، و براي غلبه به اين محدوديتها، تزريق بخار و آب براي خنک‌کاري محفظه احتراق و قطعات توربين بکار مي‌رفت. در سال 1914 اِن ديوي  N. Davy نوشته است، ” در يک ارزيابي صرفاً نظري از چرخه (سيکل)، با اضافه نمودن بخار به سوخت گاز، راندمان کاهش مي‌يابد، اما در عمل از نظر اقتصادي بصرفه خواهد بود. محدوديت دما، فشار و سرعت همراه با ناکارآمدي در پمپ و توربين،  صرفه اقتصادي اضافه نمودن بخار، که کاهش راندمان ماشين (تخت شرايط زياد از حد گرم، با تزريق آن به محصولات احتراق) را در پي دارد توجيح مي‌کند. همچنين اين عمل باعث کاهش درجه حرارت گازهاي داغ درچرخش توربين در حد سازگار با قطعات و پره‌ها مي‌شود. “اين تکنيک با وجود فناوري‌هاي امروزي همچنان مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

در سال 1905م اولين واحد توربين گاز و کمپرسور توسط بران باوري Brown Boveri  ساخته و در پالايشگاه مارکوس هوک  Marcus Hook در شرکت نفت سان  Sun در نزديکي فيلادلفيا نصب شد. قدرت اين توربين گاز Kw 5300 ( Kw 4400 براي گاز داغ تحت فشار و Kw900 برق )

بران باوري اولين مولد برق توربيني را براي نيروگاهي در نيوچاتل Neuchatel سوئيس احداث نمود. اين توربين  4000 کيلوواتي داراي يک کمپرسور جريان محوري که هوا را با فشار بيش از ft/inh2 50 ( kg/cm25/3 ) تحويل محفظه احتراق مي‌داد و يک توربين چند استيجي عکس‌العملي بود. قسمتي از اين هوا صرف خنک‌کاري جداره بيروني محفظه احتراق و هواي داغ توربين مي‌شد.

يکي ديگر از اولين توربينهاي گازي صنعتي در سال 1949م در نيروگاهي در شهر اکلاهماي امريکا، متعلق به شرکت Oklahoma Gas  Electric  نصب شده بود. اين واحد با قدرت 3500 کيلووات، از يک توربين گاز سيکل ساده که از يک کمپرسور جريان محوري 15 استيجي، شش محفظه احتراق که بصورت حلقوي اطراف توربين نصب شده بود و يک توربين دو استيجي تشکيل شده بود.

 جنگ جهانی اول نشان داد، هواپيما يک سلاح بالقوه موثر نظامی است. اما در اين فاصله زمانی (1918-1920م) موتور بنزينی برای توليد قدرت هواپيماهای کوچک و سبک با توجه به زمان ارائه شده بود. توربين گاز بيش از حد بزرگ و حجيم، و نسبت وزن به خروجی قدرت (اسب بخار) آن خيلي زياد بود که برای موتور هواپيما در نظر گرفته شود. با اين حال ، توربو شارژر براي نصب روي موتورهاي پيستوني هوايي توسعه يافت. . پيرو کار آ. ث. ريتيو A.C. Rateau ، استنفورد ماس Stanford Moss در جنگ جهانی دوم از توربوشارژهايي که نيروي محرکه آن از اگزوز گرفته مي‌شد (1921م)   در موتورهاي پيستونی هواپيما استفاده کرد.

ثابت ماندن شناخت توربينهاي گازي ( تا حد زيادي عدم توانايي اصلاح سطح کارايي و راندمان در کاربردهاي ثابت، با چيدمان مرکب از مبدلهاي حرارتي و تزريق آب يا بخار ) مانعي بود در جهت توسعه استفاده از توربينهاي گازي  در موتور هواپيما. در سال 1919م وزارت نيروي هوايي  انگلستان جهت بررسي  امکان استفاده  از توربين گاز برای نيروی محرکه هواپيما، به ملاقات دکتر دبليو.جي. استرن  W.J. Stern ، مدير آزمايشگاه کنزينگتون  Kensington جنوبی رفت. دکتر استرن اعلام نظر نمود اين کار غير عملي است. بررسی او نشان داد استفاده  از توربين گاز بعلت نسبت وزن به قدرت 10:1 ، و مصرف سوخت 5/1 پوند (نفت) به ازای هر اسب بخار ساعت توان مفيد (بازده در حدود 9 ٪)  کاملا غير قابل قبول است. در سال 1929م ، دکتر AA گريفيت Griffith (وي بعد از پيشنهاد موتور contra-rotating contra-flow[1] به آزمايشگاه کنزينگتون جنوبي منتقل شد) درخواست بررسی طرح موتور جت فرانک ويتل  Frank Whittle را نمود. طرح های فرانک ويتل بخاطر غير عملي بودن آنها کنار گذاشته شده بود.  فرانک ويتل در شانزدهم ژانويه 1930 اختراع خود را تحت عنوان «بهبود در رانش هواپيما» به شماره  347،206 به ثبت رسانده بود. اين اختراع با ترکيب کمپرسور سانتري فوژ جريان محوري و توربين جريان محوری تک مرحله‌اي بود. اما تا سال 1937م اين امکان فراهم نشده بود، تا اينکه با کمک مالی شرکت Power Jets Ltd ، موتور ويتل توسط شرکت انگليسي تامسون – هوستون  Thomson-Houston ساخته و با موفقيت آزمايش شد. اين موتور شامل کمپرسور گريز از مرکز و توربين دو مرحله‌اي تک محوری بود.

تقريباً شش سال بعد از ويتل ، در سال 1935 دانشمندان آلماني بنام هانس پابست Hans Pabst  و اوهان Ohain ايده‌ی دو از امکان خود را برای موتور توربو جت مطرح نمودند. اين موتور شامل کمپرسور گريز از مرکز محوری،  شبيه به طراحی ثبت اختراع شده‌ي ويتل و يک توربين شعاعی بود..طرح های هانس پابست و اوهان توسط کارخانه هواپيما سازي ارنست هينکل  Ernst Heinkel ساخته شد. در24  اوت 1939 اولين پرواز هواپيما با موتور توربو جت، که برروي هواپيماي هاينكل 178 نصب شده بود انجام گرفت.

در طول سال های جنگ تغييرات مختلفي در طراحی موتورهايي که ساخته شده بود داده شد. از قبيل توربين‌هاي شعاعی و محوری ، جريان مستقيم و معکوس اتاق های احتراق ، و مهمترين آنها کمپرسور محوری داده شد. نسبت فشار کمپرسور ، که در سال 1900م  1به 5/2 بود، در سال 1940م  1به 5 شد. و در سال 1960م 1به 15 ، و در حال حاضر نزديک 40:1 . از زمان جنگ جهانی دوم ، پيشرفت‌هايي که در صنعت ساخت موتور توربين گازهاي جت شده به توربين گاز ثابت (زميني)  منتقل شده است. در پي جنگ کره ، پرات اند ويتنی  Pratt & Whitney هواپيماي  JT3  را طراحی و عرضه نمود (طراحی نظامی J57) و اين دروازه‌اي بود براي ساخت توربينهاي گازي ثابت (زميني).  بصورتيکه FT3 از JT3 مشتق شد.  در سال 1959 ، کوپر بسمر  Cooper Bessemer اولين توربين گاز صنعتی را در جهان نصب نمود، FT3، که براي چرخش يک کمپرسور در شرکت Columbia Gulf Transmission بکار رفته بود. اين واحد منسوبه RT-246   با قدرت 10500 اسب بخار توان مفيد در خط اصلي جهت چرخش يک کمپرسور مورد استفاده قرار گرفته است. اين توربين گازي در سال 1981 ، بيش از 100،000 ساعت کارکرد داشت و هنوز هم فعال است.


1 -  موتورهايي که داراي دو يا چند ملخ يا شفت که در خلاف جهت هم روي محور مشترکي مي‌چرخند و بدين ترتيب مانع اثر نيروهاي پيچشي مي‌شوند.

 ترجمه شده از کتاب

The Gas Turbine Handbook:

Principles and Practices

3nd Edition

By Tony Giampaolo, MSME, PE