مبدأ تشغيل التوربينات الغازية

في مثالية gكما التوربينتخضع الغازات لأربع عمليات ديناميكية حرارية: ضغط متميز ، احتراق إيزوباري (الضغط المستمر) ، التوسع المتساوي ، ورفض الحرارة.في التوربينات الغازية الحقيقية ، عندما يتم ضغط الغاز (في ضاغط الطرد المركزي أو المحوري) ، يتم تحويل الطاقة الميكانيكية بشكل لا رجعة فيه (بسبب الاحتكاك الداخلي والاضطراب) إلى طاقة الضغط والحرارة. مع زيادة الحرارة في غرفة الاحتراق ، يزيد الحجم المحدد للغاز بينما يتناقص الضغط قليلاً. استنشق الهواء النقي بدلاً من طرد الحرارة.إذا تم زيادة المحرك بتوربينات طاقة لقيادة مولد صناعي أو دوار طائرات الهليكوبتر ، فسيكون ضغط المخرج أقرب إلى ضغط المدخل قدر الإمكان ، مما يترك طاقة كافية للتغلب على فقدان الضغط في قناة العادم وطرد العادم . مع التوربينات ، هناك توازن محدد بين قوة المروحة وتوجه الطائرات للعملية الأكثر اقتصادا. في محرك توربوخت ، لا يمكن سوى استخراج ما يكفي من الضغط والطاقة من تدفق الهواء لدفع الضاغط والمكونات الأخرى. يتم تسريع غاز الضغط من خلال فوهة لتوفير طائرة لدفع الطائرة.كلما كانت المحرك أصغر ، كلما زادت سرعة الدوران للعمود لتحقيق سرعة الطرف المطلوبة. تحدد سرعة سعة الحد الأقصى لنسبة الضغط التي يمكن تحقيقها بواسطة التوربينات والضاغط. هذا بدوره يحد من الحد الأقصى للطاقة والكفاءة المحرك يمكن أن تحقق. للحفاظ على سرعة الطرف الثابت ، إذا تم تقليل قطر الدوار بمقدار النصف ، فيجب مضاعفة سرعة الدوران. على سبيل المثال ، يدور محرك نفاث كبير يتراوح بين 10،000-25000 دورة في الدقيقة ، بينما يدور دبوس ميكروتوربين يصل إلى 500000 دورة في الدقيقة.من الناحية الميكانيكية ، يعد توربينات الغاز أكثر تعقيدًا من محرك مكبس الاحتراق الداخلي. قد يكون للتوربينات البسيطة جزءًا رئيسيًا واحد فقط ، وهو مجموعة دوار الضاغط/العمود/التوربينات ، إلى جانب الأجزاء الأخرى المتحركة في نظام الوقود. بدوره ، يمكن أن يترجم ذلك إلى أسعار. على سبيل المثال ، اتضح أن Jumo 004 كان تكلفة مادية قدرها 10000 ℛℳ ، أرخص من محرك مكبس Junkers 213 عند 35000 ℛℳ [26] ، ويتطلب 375 ساعة فقط من المهارات المنخفضة العمل لإكماله (بما في ذلك التصنيع ، التجميع ، والشحن) ، بينما BMW 801 مقابل 1400.ومع ذلك ، فإن هذا يترجم أيضًا إلى أوجه القصور والموثوقية. قد تحتوي توربينات الغاز المتقدمة ، مثل تلك الموجودة في محركات الطائرات الحديثة أو محطات توليد الطاقة المشتركة ، على شفرات ثنائية أو 3 أو 3 مهمات (التخزين المؤقت) ، ومئات الضاغط والشفرات التوربينية ، وشفرات القصة المنقولة ، والتجاري الخارجي الواسع للهواء ؛ إنهم يستخدمون سبائك مقاومة لدرجة الحرارة ويتم تصنيعهم مع المواصفات الصارمة التي تتطلب تصنيع الدقة. كل هذه تجعل بناء التوربينات الغازية البسيطة أكثر تعقيدًا من محرك المكبس.علاوة على ذلك ، بالنسبة للأداء الأمثل في محطات توليد الطاقة التوربينية الحديثة ، يجب تحضير الغاز وفقًا لمواصفات الوقود الدقيقة قبل دخول التوربين.الميزة الرئيسية لمحرك التوربينات الغازية هي نسبة الطاقة إلى الوزن. توربينات GAS مناسبة تمامًا لدفع الطائرات بسبب كمية كبيرة من الأعمال المفيدة التي يمكن إنتاجها بواسطة محرك خفيف الوزن نسبيًا.تعتبر محامل الدفع والمجلة جزءًا مهمًا من التصميم. إنها محامل زيت هيدروديناميكية أو محامل متداولة مبردة بالزيت. يتم استخدام محامل الفوترة في بعض الآلات الصغيرة مثل Microturbin .

زحف

يتمثل أحد التحديات الرئيسية في تصميم التوربينات ، وخاصة شفرات التوربينات ، إلى تقليل الزحف الناجم عن ارتفاع درجات الحرارة والضغوط التي تعاني منها أثناء التشغيل. يتم السعي باستمرار تم توظيفه لمحاولة تحقيق الأداء الأمثل مع الحد من الزحف ، وأكثرها نجاحًا هي الطلاء عالي الأداء والكريستال المفرد. .يوفر الطلاء الواقي عزلًا حراريًا على الشفرة ويوفر مقاومة للأكسدة والتآكل. عادة ما تكون الطلاءات الحاجز الخارق (TBCs) تستقر على السيراميك المستندة إلى الزركونيا ، في حين أن الطلاءات المقاومة للأكسدة/التآكل (طبقات الرابطة) تتكون عادة من الألومنييد أو McRaly (حيث عادة ما يكون M من الحديد و/أو الكروم). تم العثور على 200 ميكرون لتقليل درجة حرارة الشفرة بمقدار ما يصل إلى 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت). كانت طبقة الترابط مغلفة مباشرة على سطح الركيزة عن طريق الكربنة ، والتي كان لها غرض مزدوج في تحسين التصاق TBC و مقاومة الأكسدة للركيزة. الأوليومونيوم في طبقة الرابطة تشكل AL2O3 في واجهة طبقة رابطة TBC ، مما يوفر مقاومة الأكسدة ولكن أيضًا التسبب نفسه ومقاومة أكسيد الاكتيبات تفوق العيوب المرتبطة بمنطقة القطر الداخلية لأنها تزيد من عمر خدمة النصل وتقتصر على فقدان الكفاءة من التراكم على الجزء الخارجي من الشفرة.

يتمتع Superalloys المستندة إلى النيكل بقوة أعلى ومقاومة زحف بسبب تكوينها والبنية المجهرية الناتجة. غاما (γ) FCC النيكل يبلد مع الألومنيوم والتيتانيوم لترسيب مرحلة متناثرة NI3 (AL ، TI) γ- '(γ'). لبدء الزحف. علاوة على ذلك ، γ 'عبارة عن مرحلة L12 مرتبة ، مما يجعل من الصعب على خلع الاضطرابات المرور من خلالها. يمكن أيضًا إضافة عناصر عريضة مثل الرنيوم والروثينيوم في محلول صلب لزيادة قوة الزحف. مرحلة غاما ، وبالتالي الحفاظ على مقاومة التعب ، والقوة ومقاومة الزحف. لقد أدى تطور الكريستال المفرد أيضًا إلى تحسينات كبيرة في مقاومة الزحف. معدل الزحف. على الرغم من أن البلورات المفردة لها زحف منخفضة في درجات حرارة مرتفعة ، فإنها تنخفض بشكل ملحوظ في درجة حرارة الغرفة ، حيث تخضع القوة لعلاقة القاعة. دون تقليل قوة إنتاج درجة الحرارة المنخفضة.