توربین انبساطی

کشور ایران با 34 تریلیون مترمکعب ذخایر گازی، از حیث حجم ذخایر، عنوان نخست را در جهان داراست. ظرفیت پالایشگاه­ های گاز کشور در سال 1392، روزانه 548 میلیون مترمکعب است. همچنین طول خطوط انتقال گاز (فشار قوی) که تا پایان سال 1392 در کشور احداث شده­، 35393 کیلومتر است. خطوط فشار قوی به طور متوسط psi1000 فشار دارند، در حالی که فشار گاز مناسب جهت مصرف در مناطق شهری یا نیروگاهی در حدود psi250 است. تا پیش از سال 2001 برای فراهم کردن فشار مناسب جهت مصرف در نواحی شهری یا نیروگاه­ها، از ایستگاه­های تقلیل فشار با شیر فشارشکن ژول-تامسون[1] بهره می­برده­ اند. شیر فشار شکن، طی یک فرآیند اختناق، فشار مازاد سیال درون لوله را بکلی تلف می­کند. سیکل ترمودینامیکی مربوط به شیر ژول-تامسون در شکل 1.1 نشان داده شده­است. در یک فرآیند اختناق بین نقاط a و b، آنتروپی به شدت افزایش می­ یابد. بنابراین فرآیند بازگشت­ ناپذیر است.

شکل 1-‌‌1  فرآیند ترمودینامیکی طی شده در شیر فشار شکن ژول-تامسون

     در فرآیند برگشت­ ناپذیر اکسرژی جریان تلف می­شود. برای افزایش بازده خطوط انتقال گاز، فرآیند تقلیل فشار به صورت آیزنتروپیک باید انجام شود. بنابراین توربین­ انبساطی[2] در خطوط لوله نصب می­شود. فرآیند بین نقاط 1 و 2 در شکل 2.1، که به موازات خطوط آنتروپی-ثابت رسم شده­ است، انبساط آیزنتروپیک در یک توربین انبساطی را نشان می­ دهد. مقایسه نمودار فرآیندی، برای شیر ژول-تامسون و توربین انبساطی مزیت توربین انبساطی را روشن می­ کند. انبساط در توربین انبساطی آیزنتروپیک است در حالی که اختناق در شیر ژول-تامسون، اتلاف انرژی دارد. همچنین طی هر دو فرآیند، افت دما رخ می­دهد. اما افت دما در توربین انبساطی بیشتر است. بنابراین، برای پیشگیری از تولید قطره، گاز باید پیش­گرم شود.

شکل 1‌-‌‌2  فرآیند ترمودینامیکی طی شده در انبساط آیزنتروپیک برای توربین انبساطی 

     توربین انبساطی در دو پیکربندی شعاعی و محوری طراحی می­شود. مهم­ترین پارامترهای انتخاب نوع ماشین دوار، سرعت دورانی و نسبت فشار است . در حالت کلی هر اندازه سرعت دورانی بیشتر باشد، توربین محوری عملکرد بهتری دارد. شکل 3.1 بازده انواع توربین­ها را بر اساس سرعت دوران مقایسه کرده‏است. توربین­های شعاعی در سرعت­ های کم، بازده بهتری دارند. از طرفی، هر اندازه نسبت فشار بیشتر باشد، توربین شعاعی، نسبت به توربین محوری، عملکرد بهتری دارد. در کاربردهای عملی، همواره نسبت فشار بالا با سرعت دورانی کم همراه است. بنابراین با توجه به نسبت فشار بالا در پست­های تقلیل فشار، در خطوط انتقال گاز از توربین­های شعاعی استفاده می­ شود.‌

شکل 1-‌‌3  بازده انواع توربین های شعاعی و محوری بر حسب سرعت دورانی

     نخستین بار لمن[3] و همکاران در سال 2001، پیشنهاد تولید الکتریسیته از طریق بازیابی فشار را ارائه کردند. در طرح پیشنهادی، بجای شیر فشار شکن، از توربین­های انبساطی استفاده شده­ است.‌ توان خروجی این ماشین­ها بین KW75  تا MW25  متغیر است؛ که آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب کرده است. مهم‏ترین کاربرد آنها در صنایع نفت و گاز و در فرآیند تبرید و میعان و همچنین بازیابی فشار لوله­ ها است.

     در سال­های اخیر ارزیابی­های بسیاری پیرامون کارایی توربین­های انبساطی در خطوط انتقال گاز کشور انجام شده­است. بر این اساس، ظرفیت تولید برق در خطوط انتقال گاز طبیعی، با توربین­های انبساطی در حدود MW1500 اعلام شده­ است. این میزان توان الکتریکی به معنای 1.3 میلیارد مترمکعب صرفه‏ جویی در مصرف سالانه­ ی گاز و جلوگیری از ورود 2.4 میلیون تن کربن­ دی­ اکسید به اتمسفر است. مقایسه توان تولیدی توربین انبساطی با توان الکتریکی توربین بادی نشان­دهنده اهمیت فناوری توربین انبساطی است. یک توربین بادی با پره­ای به قطر 50 متر، تنها در حدود MW2.5 توان تولید می­کند، در حالی که توربین انبساطی با قطر ایمپلر[4] cm650، در حدود MW6 توان تولید می­ کند. بنابراین توسعه این فناوری برای کشور بسیار حایز اهمیت است.

     در حال حاضر در سه نیروگاه رامین ، نکا و شهید منتظری طرح نصب توربین انبساطی اجرا شده است. این توربین­ها شعاعی بوده و مطابق شکل 4.1، به صورت موازی با یک شیر ژول-تامسون، در خط لوله انتقال گاز به نیروگاه، نصب می ­شوند. علت این امر افزایش قابلیت اطمینان سیستم و امکان تامین گاز در مواقع تعمیر توربین است.

شکل 1-‌‌4  قرارگیری توربین انبساطی به صورت موازی با شیر فشارشکن ژول-تامسون در پست‏های تقلیل فشار نیروگاه های نکا، رامین و شهید منتظری

     طراحی توربین­های انبساطی سایز کوچک و متوسط (توان بین kw50 تا MW5) با چالش­هایی در طراحی یاتاقان مغناطیسی[5]، انتقال حرارت، آب­بندی و تاثیر عدد رینولدز بر جریان کاری روبروست. در کاربردهای با نسبت فشار بالا، عدد رینولدز در نازل پره توربین، به حد صوتی رسیده و تداخل جریان لایه مرزی در چرخ دوار[6] با موج­های ضربه­ای شکل گرفته در خروجی نازل، موجب افزایش اتلاف می­ شود.

 

 جمع بندی

یک توربین بادی با طول پره 50 متر (توربین باد ساخته شده توسط شرکت مپنا) در حدود 2.5 مگاوات برق تولید می کند. مواردی مانند نصب ژنراتور در ارتفاع، نگهداری تجهیزات، آسیب های زیست محیطی و عملکرد محدود در طول سال که به وزش باد وابسته است، چالش هایی است که اهمیت یک توربین انبساطی صنعتی که تنها 70 سانتی متر قطر دارد و تا 10 مگاوات برق تولید می کند را آشکار می کند.

 

---

[1] Joule-Thomson Valve

[2] Turbo-Expander

[3] Lehman

[4] Impeller

[5] Magnetic Bearing

[6] Wheel

سری جدید موتورهای پیستونی روتکس_Rotax 915 iS

شرکت روتکس برنامه توسعه موتورهای پیستونی سبک دارای توربوشارژر را اولین بار در سال 2014 به محصول رساند. موتور Rotax 915 دارای توربوشارژر و خنک کن است و توان آن نسبت به مدل پایه ی آن یعنی Rotax 912 افزایش چشم گیری داشته است. موارد کاربرد این موتور در هواپیماهای فوق سبک و ارزان، هلیکوپترهای کوچک و همچنین جایروپلن ها است.

این موتور در حال اخذ گواهینامه های پرواز است و مطابق با برنامه در سال 2017 به صورت محصول عرضه خواهد شد. تفاوت های این موتور نسبت به مدل پایه عبارت است از میل لنگ تقویت شده، طراحی مجدد پیستون، جعبه دنده جدید و البته مهمتر از همه توربوشارژر.

مشخصات فنی موتور:

• موتور چهار زمانه با چهار سیلندر
• خنک کن با سیال عامل مایع و هوا
• پیکربندی موتور از نوع افقی تخت(opposed cylinders)
• دارای سیستم الکترونیک تزریق سوخت ، احتراق و ECU پشتیبان
• استارتر الکتریکی
• دارای یک مرحله توربوشارژر به همراه خنک کن
• 2000 ساعت زمان تخمینی بین دو مرحله اورهال
• مصرف سوخت 280-310 g/kWh در دور موتور بهینه 5500 rpm
• سقف پروازی 23000 پا

از ویژگی های منحصربفرد این موتور می توان به حفظ حداکثر توان حین برخاست تا ارتفاع 15000 پا اشاره کرد. این موتور دارای بیشترین نسبت توان به وزن در میان موتورهای هم رده است.

جدول زیر ویژگی های این موتور را نشان می دهد.

 

وزن کل با تمام امکانات	84 کیلوگرم
توان حداکثر	135 اسب بخار
نسبت تراکم توربوشارژر	3.5:1
نوع سوخت	سوخت اتومبیل با اکتان بالا

تاثیر ارتفاع بر عملکرد هواپیماهای پیستون ملخی

هواپیماهای سبک از موتورهای پیستون ملخی کمک می گیرند. یکی از قیدهایی که همواره بر هواپیماهای سبک تحمیل می شود، محدودیت ارتفاع است که توسط موتور تحمیل می شود. افزایش ارتفاع باعث کاهش فشار و چگالی هوا می شود. موتور برای تامین توان مورد انتظار، به فشار مانیفلد (ورودی موتور) معینی که عمدتا فشار سطح دریاست نیاز دارد. با افزایش ارتفاع باید تمهیدی برای جبران این کاهش فشار جست. جبران افت فشار و چگالی باعث می شود که وزن و ابعاد موتور و همچنین خنک کن افزایش یابد. شاید هم نیاز به استفاده از توربوشارژر باشد. می توان تا دو مرحله توربوشارژر برای رسیدن به ارتفاعات بسیار بالا بکار برد.

تصویر زیر نقشه عملکردی یک موتور پیستون ملخی نوعی را نشان می دهد که باید توسط کارخانه سازنده در اختیار مشتری قرار گیرد. به کمک این نقشه می توان اثر ارتفاع، فشار و دمای غیر استاندارد را بر موتور اعمال و توان آن در ارتفاع و دمای غیر استاندارد تعیین کرد.

اما چرا ابعاد و وزن موتور وخنک کن تحت تاثیر ارتفاع قرار دارد؟ پاسخ را در مطلب حاضر ببینید.

جایگاه سنسورهای ممز (MEMS) در سیستم های ناوبری

در حالت کلی دو نوع سیستم Inertial Navigation Systems)INS) تعریف شده است.

• Gimbaled: این نوع INSها عملکرد مکانیکی دارند و بر اساس قانون ژیروسکوپی کار می کنند. برای عملکردهای با دقت و سرعت بالا که قابلیت اطمینان بسیار اهمیت دارد، از این نوع سیستم ها استفاده می شود.

• StrapDown: این نوع سیستم های ناوبری با بکار بردن سنسورهای الکترونیکی و ترکیب آنها با مدارهای الکتریکی عمل می کنند. برای کاربردهایی که دقت بسیار بالا مورد نیاز نیست و یا با قید هزینه روبرو هستیم، از این نوع سنسورها استفاده می شود. اغلب هواپیماها الکتریکی سبک، خودروهای پیشرفته و حتی قایق ها از این نوع INS ها بهره می برند. 

نقطه ی اشتراک مهندسی هوافضا و سنسورهای ممز همان سیستم های INS از نوع StrapDown است. این سنسورها در تعیین شتابها و نرخ های زاویه ای جسم پرنده در دستگاه بدنی نقش ایفا می کنند. در ادامه ی مطلب به آشنایی بیشتری نسبت به این سنسورها دست خواهید یافت.