من الهواء إلى القوة: فهم محرك التوربين الغازي

مبدأ عمل التوربين الغازي

يعمل المضاغط، الذي يُدار بواسطة التوربين، على سحب الهواء باستمرار من الجو وضغطه لزيادة ضغطه. يدخل الهواء المضغوط إلى غرفة الاحتراق، حيث يختلط بالوقود المُحقن ويحترق. بعد أن يصبح غاز احتراق ذا درجة حرارة عالية، يتدفق إلى التوربين ليتمدد ويعمل. بعد القيام بالعمل، ينخفض ضغط غاز الاحتراق إلى ضغط الجوي ويُطرح في الجو.

لذلك، فإن الأجزاء الرئيسية الثلاثة للتوربين الغازي هي المضاغط، غرفة الاحتراق والتوربين.

يحتوي المضاغط ذو التدفق المحوري على العديد من الشفرات التي تشبه في شكلها شفرات المروحة، ولكنها ت划分成 "شفرات متحركة" و"شفرات ثابتة". تدور الشفرات المتحركة مثل المروحة، وتدفع تدفق الهواء إلى الخلف أثناء الدوران. في هذا الوقت، يزداد ضغط تدفق الهواء وكذلك درجة حرارته.

وظيفة الشفرات الثابتة هي توجيه تدفق الهواء الدوراني الناتج عن حركة الشفرات المتحركة إلى الاتجاه المحوري ودخوله إلى المجموعة التالية من الدوارات بزاوية صحيحة. عادةً ما يتم ترتيب مجموعة من الشفرات المتحركة ومجموعة من الشفرات الثابتة بشكل متبادل، وتُسمى مجموعة الشفرات المتحركة والشفرات الثابتة بمرحلة واحدة.

بالإضافة إلى ذلك، يوجد ضاغط شعاعي يستخدم القوة المركزية الناتجة عن دوران المروحة لدفع تدفق الهواء نحو الخارج، مما ينتج تأثير الضغط. يمكن أن يكون لمضاغط شعاعي بمراحل واحدة نسبة ضغط تعادل عدة مراحل من المضاغط المحورية، وهو خيار جيد للتوربينات الغازية الأصغر حجمًا.

تُحَوِّل غرفة الاحتراق الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية، حيث تسخن الهواء تحت الضغط العالي الذي يُضغَط بواسطة المضاغة إلى درجة حرارة عالية لكي يتم توسيعه في التوربين لإنتاج العمل. يمكن أن يكون الوقود وقودًا سائلًا (مثل البنزين) أو وقودًا غازيًا (مثل الغاز الطبيعي).

أمام غلاف غرفة الاحتراق يوجد مدخل الهواء المؤدي إلى المضاغة، وخلفها يوجد منفذ الغاز الساخن المؤدي إلى التوربين.

وظيفة التوربين هي تحويل الطاقة الموجودة في غاز الاحتراق عالي الحرارة والضغط إلى طاقة ميكانيكية.

في الوقت الحالي، يتم استخدام معظم التوربينات ذات التدفق المحوري، والتي تتميز بقوة عالية، ومعدل تدفق كبير وكفاءة عالية. التوربين المركزي هو توربين ذو تدفق شعاعي، ويُستخدم بشكل رئيسي في بعض توربينات الغاز الصغيرة القوة.

التربيين الغازي هو جهاز قوة احتراق داخلي يستخدم غازًا يتدفق باستمرار كسائل عمل لدفع المروحة للدوران بسرعة عالية، مما يحول طاقة الوقود إلى عمل مفيد. إنه محرك حراري بدوار.

في العملية الرئيسية للهواء والغاز في التربيع الغازي، يوجد فقط دورة تربيع غازي تتكون من ثلاثة مكونات رئيسية: ضاغط، ومكثف احتراق، وتربيع غازي، والتي تُسمى عادةً بدورة بسيطة. معظم التربيعات الغازية تستخدم مخطط دورة بسيطة.

يقوم المكثف بامتصاص الهواء من البيئة الجوية الخارجية ويضغطه تدريجيًا عبر مكثف تدفق محوري لزيادة الضغط، كما يزداد درجة حرارة الهواء وفقًا لذلك؛ يتم ضغط الهواء المضغوط داخل غرفة الاحتراق حيث يختلط مع الوقود المُحقن ليحترق ويولد غازًا عالي الحرارة والضغط؛ ثم يدخل التوربين ليتمدد ويعمل، مما يؤدي إلى تشغيل التوربين الذي يدفع المكثف والجزء الحامل للحمل الخارجي للدوران بسرعة عالية، مما يحقق تحويل جزئي للطاقة الكيميائية للوقود الغازي أو السائل إلى عمل ميكانيكي، ويخرج العمل الكهربائي. يتم تصريف العادم الناتج عن التوربين إلى الغلاف الجوي ليطلق الحرارة بشكل طبيعي. بهذه الطريقة، يقوم التوربين الغازي بتحويل الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة حرارية، ثم يحول جزءًا من هذه الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية. عادةً في التوربين الغازي، يتم تشغيل المكثف بواسطة عمل انبساط الغاز في التوربين، وهو ما يعتبر الحمل على التوربين. في دورة بسيطة، حوالي 1/2 إلى 2/3 من العمل الميكانيكي الناتج عن التوربين يستخدم لتشغيل المكثف، بينما يستخدم الباقي (1/3) لتشغيل المولد. عند بدء تشغيل التوربين الغازي، يكون هناك حاجة أولية لقوة خارجية. عادةً، يقوم المحرك المساعد بتحريك المكثف حتى يصبح العمل الميكانيكي الناتج عن التوربين أكبر من العمل الميكانيكي المستهلك بواسطة المكثف. بعد ذلك يتم فصل المحرك المساعد ويتمكن التوربين الغازي من العمل بشكل مستقل.