हवा से ताकत तक: गैस टर्बाइन इंजन की समझ

गैस टर्बाइन का कार्यात्मक सिद्धांत

टर्बाइन द्वारा चालित संपीड़क निरंतर वायु को वातावरण से अंदर खींचता है और इसका संपीड़न और दबाव बढ़ाता है। संपीड़ित हवा कम्बस्टिकन चेम्बर में प्रवेश करती है, जहाँ इसे ईंधन के साथ मिलाकर जलाया जाता है। उच्च-ताप ज्वालामुखीय गैस बनने के बाद, यह टर्बाइन में आकर विस्तार होती है और कार्य करती है। कार्य करने के बाद, ज्वालामुखीय गैस का दबाव वातावरणीय दबाव तक गिर जाता है और यह वातावरण में बाहर निकल जाता है।

इसलिए, गैस टर्बाइन के तीन मुख्य भाग संपीड़क, कम्बस्टिकन चेम्बर और टर्बाइन हैं।

एक अक्षीय प्रवाह संपीड़क में कई पंखे होते हैं, जो प्रोपेलर के पंखों के आकार के बराबर होते हैं, लेकिन इन्हें "चलने वाले पंखे" और "स्थिर पंखे" में विभाजित किया जाता है। चलने वाले पंखे प्रोपेलर की तरह घूमते हैं, घूमते समय हवा के प्रवाह को पीछे धकेलते हैं। इस समय, हवा के प्रवाह का दबाव बढ़ जाता है और तापमान भी बढ़ जाता है।

स्थैतिक ब्लेडों का कार्य यह है कि घूर्णन वायुप्रवाह को, जो कि गतिमान ब्लेडों के कार्य से उत्पन्न होता है, पुनः अक्षीय दिशा में लाया जाए और अगले रोटर सेट में सही कोण पर प्रवेश करने के लिए तैयार किया जाए। आमतौर पर एक सेट गतिमान ब्लेड और एक सेट स्थैतिक ब्लेड को बारी-बारी से व्यवस्थित किया जाता है, और एक सेट गतिमान ब्लेड और एक सेट स्थैतिक ब्लेड को एक स्टेज कहा जाता है।

इसके अलावा, एक त्रिज्या दबाव पंप भी होता है। यह इंपेलर के घूर्णन से उत्पन्न बाहरी बल (centrifugal force) का उपयोग करके वायुप्रवाह को बाहर की ओर धकेलता है, जिससे दबाव प्रभाव उत्पन्न होता है। एकल-स्टेज त्रिज्या दबाव पंप कई स्टेजों के अक्षीय दबाव पंप के बराबर संपीड़न अनुपात प्रदान कर सकता है, जो कि छोटे गैस टर्बाइन के लिए एक अच्छा विकल्प है।

ज्वाला चैम्बर ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को तापीय ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जिससे संपीड़क द्वारा संपीड़ित उच्च-दबाव वाले हवा को उच्च तापमान पर गरम किया जाता है ताकि यह टर्बाइन में विस्तारित होकर काम कर सके। ईंधन तरल ईंधन (जैसे, पेट्रोल) या गैसीय ईंधन (जैसे, प्राकृतिक गैस) हो सकता है।

ज्वाला चैम्बर केसिंग के सामने संपीड़क तक पहुंचने वाला हवा इनलेट है, और पीछे टर्बाइन तक जाने वाला गर्म गैस आउटलेट है।

टर्बाइन का कार्य उच्च-तापमान और उच्च-दबाव वाले ज्वाला गैस में संचित ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना है।

वर्तमान में, अक्षीय प्रवाह टर्बाइन का उपयोग अधिकतर किया जाता है, जिसकी विशेषता उच्च शक्ति, बड़ा प्रवाह और उच्च दक्षता है। केंद्रीय बल वाली टर्बाइन एक त्रिज्या प्रवाह टर्बाइन है, जो कुछ छोटी शक्ति की गैस टर्बाइनों में प्रयोग की जाती है।

एक गैस टर्बाइन एक आंतरिक दहन शक्ति मशीन है जो कार्य करने वाले पदार्थ के रूप में निरंतर बहने वाली गैस का उपयोग करती है ताकि इम्पेलर को उच्च गति से घूमने के लिए प्रेरित किया जाए, इस प्रकार ईंधन की ऊर्जा को उपयोगी कार्य में बदल दिया जाता है। यह एक घूमने वाली इम्पेलर गर्मी इंजन है।

गैस टर्बाइन में हवा और गैस के मुख्य प्रक्रिया में, तीन महत्वपूर्ण घटकों से मिलकर बनी एक गैस टर्बाइन चक्र होती है: एक संपीड़क, एक दहन कक्ष, और एक गैस टर्बाइन, जिसे आमतौर पर सरल चक्र कहा जाता है। अधिकांश गैस टर्बाइन सरल चक्र योजना का उपयोग करती हैं।

कंप्रेसर बाह्य वातावरण से हवा को अंदर खींचता है और एक अक्षीय प्रवाह कंप्रेसर के माध्यम से चरण-चरण में इसे संपीड़ित करता है ताकि दबाव बढ़े, और हवा का तापमान भी उसी अनुसार बढ़ता है; संपीड़ित हवा को जलाने के चैम्बर में दबाव पर दाग दिया जाता है और इंजेक्ट किए गए ईंधन के साथ मिलाकर जलाया जाता है ताकि उच्च-तापमान और उच्च-दबाव गैस बनाई जा सके; फिर यह टर्बाइन में प्रवेश करती है जहाँ यह विस्तार होती है और काम करती है, टर्बाइन को घूमने के लिए बल प्रदान करती है, जो कंप्रेसर और बाहरी लोड रोटर को उच्च गति से घूमने के लिए आवश्यक ऊर्जा देती है, इस प्रकार गैस या तरल ईंधन की रासायनिक ऊर्जा का भाग यांत्रिक कार्य में परिवर्तित होता है, और विद्युत कार्य का आउटपुट होता है। टर्बाइन से निकलने वाली धुआँ बाहरी वातावरण में छोड़ी जाती है जिससे तापमान प्राकृतिक रूप से छोड़ा जाता है। इस तरह, गैस टर्बाइन ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को ताप ऊर्जा में परिवर्तित करती है, और ताप ऊर्जा का एक भाग यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती है। आमतौर पर एक गैस टर्बाइन में, कंप्रेसर को गैस टर्बाइन के विस्तार कार्य से चलाया जाता है, जो टर्बाइन का लोड है। एक सरल चक्र में, टर्बाइन द्वारा उत्पन्न यांत्रिक कार्य का लगभग 1/2 से 2/3 भाग कंप्रेसर को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है, और शेष 1/3 यांत्रिक कार्य जनरेटर को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है। जब गैस टर्बाइन को शुरू किया जाता है, तो पहले बाहरी शक्ति की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, स्टार्टर कंप्रेसर को चलाता है जब तक कि गैस टर्बाइन द्वारा उत्पन्न यांत्रिक कार्य कंप्रेसर द्वारा खपत की गई यांत्रिक कार्य से अधिक नहीं हो जाता। बाहरी स्टार्टर को ट्रिप कर दिया जाता है और गैस टर्बाइन स्वतंत्र रूप से काम करना शुरू कर देती है।