همیار دانشجو |
گزارش کار آزمایشگاه ترمودینامیک: توربین گاز 🔥⚙️
در این گزارش، عملکرد یک توربین گاز آزمایشگاهی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
در این آزمایش با راه‌اندازی توربین، اندازه‌گیری فشارها، دماها، دبی هوا و سوخت، توان خروجی و راندمان؛
رفتار واقعی یک سیکل برایتون (توربین گاز) بررسی شده است.
🎯 هدف آزمایش
هدف از این آزمایش، آشنایی عملی با ساختار، عملکرد و پارامترهای ترمودینامیکی توربین گاز در هر مرحله از سیکل کاری آن است.
در این آزمایش، یک توربین گاز کوچک راه‌اندازی شده و رفتار آن در شرایط مختلف بررسی می‌شود.
📄 خلاصه گزارش
پس از مرور سیکل نظری توربین گاز و روابط ترمودینامیکی در سیکل برایتون، یک توربین گاز واقعی به‌صورت عملی راه‌اندازی شد.
با اندازه‌گیری فشارهای مختلف، دماهای اجزا، دبی جرمی هوا و سوخت، و توان خروجی،
پارامترهای تئوری (کار کمپرسور، کار توربین، بازده، مصرف سوخت ویژه و …) محاسبه و تحلیل شدند.
📚 مقدمه
بعد از اختراع موتور بخار توسط جیمز وات (۱۷۶۵) و موتور احتراق داخلی توسط نیکلاس اتو (۱۸۷۶)،
توربین گاز نیز به‌عنوان ماشین تبدیل انرژی از گازهای داغ ابداع شد.
توربین گاز انرژی شیمیایی سوخت را ابتدا به انرژی گرمایی و سپس به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.
توربین‌های گاز در ابتدا به دلیل:
- کمبود اطلاعات دینامیک سیالات
- ضعف مواد متالورژی
با شکست مواجه می‌شدند، اما با توسعه مواد مقاوم و تحلیل دقیق جریان، به یکی از مهم‌ترین ماشین‌های انرژی تبدیل شدند.
⚙️ نحوه تبدیل انرژی در توربین گاز
- 🔸 تبدیل انرژی شیمیایی سوخت → انرژی گرمایی
- 🔸 تبدیل انرژی گرمایی → انرژی مکانیکی (چرخش شافت)
- 🔸 تبدیل انرژی مکانیکی → انرژی الکتریکی (در صورت اتصال ژنراتور)
✨ مزایای توربین گاز
- هزینه سرمایه‌گذاری کم
- راه‌اندازی و بارگیری سریع
- مناسب برای استارت‌های متعدد
- اشغال فضای کم
- هزینه نگه‌داری پایین
- کنترل آسان
🔬 تئوری و چرخه برایتون
توربین گاز بر اساس چرخه برایتون کار می‌کند.
مراحل چرخه:
- تراکم آیزنتروپیک در کمپرسور
- افزایش حرارت در فشار ثابت در محفظه احتراق
- انبساط آیزنتروپیک در توربین
- دفع حرارت در فشار ثابت در اگزوز
📐 روابط ترمودینامیکی مهم
- کار کمپرسور:
Wc = m * Cp * (T2 – T1) - کار توربین:
Wt = m * Cp * (T3 – T4) - حرارت دریافتی در احتراق:
Qin = m * Cp * (T3 – T2) - بازده چرخه:
η = 1 – (T1/T2) - مصرف سوخت ویژه:
bsfc = ṁ_fuel / Power
🧪 دستگاه آزمایش
توربین گاز آزمایشگاهی شامل:
- کمپرسور شعاعی
- دو توربین شعاعی مجزا
- محفظه احتراق
- ژنراتور AC سه‌فاز (قابلیت تولید حداکثر ۷۵ ولت و ۳۵ آمپر)
- روتامتر، فشارسنج‌ها و دماسنج‌های مختلف
📏 پارامترهای قابل اندازه‌گیری
فشارها:
- P2 – فشار خروجی کمپرسور
- P3 – فشار محفظه احتراق
- P4 – فشار خروجی توربین
- Pγ – فشار گاز ورودی
دماها:
- T1: دمای هوای ورودی
- T2: دمای هوا بعد از کمپرسور
- T3: دمای احتراق
- T4: دمای بعد از توربین اول
- T5: دمای بعد از توربین دوم
سرعت‌ها:
- GG: دور توربین اول
- PT: دور توربین دوم
مقادیر الکتریکی:
- V: ولتاژ خروجی ژنراتور
- A: جریان خروجی
📊 نتایج و نمودارها
1) منحنی دمای ماکزیمم بر حسب دور توربین
نتیجه: با افزایش دور توربین، دمای T3 افزایش می‌یابد.
2) نمودار مصرف سوخت ویژه
نتیجه: در دورهای بالاتر، مصرف سوخت ویژه کاهش یافته و راندمان توربین بالاتر می‌رود.
3) نمودار توان خروجی
توان خروجی به‌صورت تقریبی به‌صورت خطی با افزایش دور توربین افزایش می‌یابد.
📈 تحلیل نتایج
- افزایش دور توربین باعث افزایش نرخ احتراق و توان خروجی می‌شود.
- در دورهای بالا، به دلیل احتراق کامل‌تر، راندمان افزایش می‌یابد.
- توربین گاز به دلیل سرعت بالا و فرآیند شبه‌آدیاباتیک، در دورهای بالا بهتر عمل می‌کند.
❓ سوالات پایانی گزارش
1) مزایا و معایب استفاده از بازیاب، خنک‌کن میانی و گرم‌کن میانی چیست؟
بازیاب باعث افزایش راندمان اما افزایش افت فشار و پیچیدگی ساخت می‌شود.
2) مزایا و معایب توربین گاز نسبت به موتورهای دیگر چیست؟
مزایا: سرعت بالا، آلودگی کم، وزن کم
معایب: بازده کمتر در دور پایین، اتلاف زیاد حرارت در اگزوز
3) پاشش آب چگونه باعث افزایش راندمان توربین گاز می‌شود؟
با کاهش دمای ورودی کمپرسور → کار کمپرسور کم → بازده بالا
4) طرز کار روتامتر چیست؟
روتامتر براساس تعادل وزن شناور و اختلاف فشار در سیال عمل می‌کند.
📌 جمع‌بندی
این آزمایش دید دقیقی از رفتار واقعی یک توربین گاز در شرایط عملی به ما می‌دهد.
با تحلیل فشارها، دماها، مصرف سوخت و توان، می‌توان بازده سیکل برایتون را در حالت واقعی تخمین زد و تفاوت آن را با حالت ایده‌آل بررسی کرد.