توربین گاز میتسوبیشی

توربین گازی ۲۵ مگاواتی میتسوبیشی در دهه ۱۹۸۰

شرکت صنایع سنگین میتسوبیشی (ام‎اچ‌آی) با هدف دستیابی به توربین‌های گاز با درجه حرارت ورودی توربین بالاتر، در سال ۱۹۸۳ کار بر روی ماشین ام‌اف-۱۱۱ در کلاس ۱۲-۱۶ مگاوات را آغاز کرد. با به کارگیری فناوری‌های خنک‌کاری پیشرفته، دمای ورودی توربین این ماشین به ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد رسانده‌ شد. عملکرد و کارایی ام‌اف-۱۱۱ با بازخورد مثبت کاربران به‌ویژه در نیروگاه‌های تولید همزمان برق و حرارت روبرو شد و میتسوبیشی در ۱۰ سال اول، بیش از ۳۰ واحد از این ماشین‌ را به فروش رساند. در ادامه این مسیر، شرکت ژاپنی ام‎اچ‌آی کار بر روی ماشین ام‌اف-۲۲۱ در کلاس ۲۵ تا ۳۵ مگاوات را آغاز کرد که در آن نیز دمای ورودی به توربین ۱۲۵۰ درجه سانتی‌گراد است.

میتسوبیشی درس‌آموخته‌های حاصل از توسعه توربین گازی ام‌اف-۱۱۱ را در این ماشین جدید به کار گرفت. در سال ۱۹۹۴، اولین آزمایش میدانی نمونه پیش‌تولیدی ام‌اف-۲۲۱ با موفقیت انجام شد. گرچه ام‌اف-۲۲۱ میراث‌دار نمونه قبلی ام‌اف-۱۱۱ بود، اما میتسوبیشی دستاوردهای فناورانه خود حاصل از اجرای فاز تحقیق و توسعه ماشین‌های ۵۰۱اف و ۷۰۱اف، با درجه حرارت ورودی توربین بالاتر را در این ماشین ۲۵ مگاواتی اعمال کرد.

برای مقایسه مشخصه‌های توربین‌های گازی ام‌اف-۱۱۱ و ام‌اف-۲۲۱ اینجا کلیک کنید.

با هدف افزایش بهره‌وری کمپرسور در این ماشین، از پره‌هایی با عملکرد بالا استفاده شد. برای پره‌های ثابت طبقه هفتم و بعد از آن، به‌جای استفاده از سیستم نگهدارنده بر روی پوشش استوانه‌ای از یک سیستم نگهدارنده متصل به رینگ پره استفاده شد. همچنین پوشش‌دهی سطحی بر روی رینگ پره‌های متحرک اعمال شده‌است. در تلاشی دیگر، با هدف بالا بردن بهره‌وری کمپرسور، فاصله بین نوک پره‌ها با پوشش داخلی به کمترین مقدار ممکن کاهش یافته‌است. محفظه احتراق این ماشین با نسبت مقیاس ۰.۶۷ طراحی شده و بهسازی لازم برای دستیابی به دمای ورودی توربین موردنظر انجام شد.

در این ماشین برای دیواره‌های محفظه احتراق، روش خنک‌کاری لایه‌ای متعارف با خنک‌کاری ویژه صفحه‌ای با هدف کاهش هوای خنک‌کاری، افزایش هوای احتراق و پایین آوردن آلایندگی ناکس جایگزین شده‌است. توربین این ماشین تقریبا مشابه توربین گاز ام‌اف-۱۱۱طراحی شده‌، اما با استفاده از تحلیل جریان کامل سه بعدی، پروفیل پره‌های متحرک بهینه‌سازی شده‌است. فضای حلقه‌ای طبقه آخر توربین با هدف کاهش هدررفت جریان در خروجی، در مقایسه با توربین ام‌اف-۱۱۱ بهسازی شده‌است. برای پره متحرک طبقه سوم توربین این ماشین، از نمونه‌های یکپارچه شده با شراود زِد شکل با مقاومت بالا در برابر ارتعاش استفاده شده‌است. ماده اولیه بسیار مقاوم ام‌جی‌ای -۱۴۰۰ توسعه‌‌یافته توسط شرکت اِم‎اِچ‌آی برای ساخت همه پره‌های توربین این ماشین مورد استفاده قرار گرفت.

پره ثابت طبقه اول توربین با استفاده از هوای تخلیه‌شده از کمپرسور خنک می‌شود، در حالی که پره‌های ثابت طبقه دوم با استفاده از هوای مکیده شده از طبقه ۱۳ کمپرسور خنک می‌شود. برای خنک‌کاری پره‌های متحرک و روتور، هوای تخلیه‌شده کمپرسور در یک محفظه خارجی به دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد رسانده شده و سپس برای خنک‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش در توربین‌های گازی بزرگ‌تر مرسوم است. در طبقه اول پره‌های ثابت توربین برای خنک‌کاری سطوح داخلی، دو شیار تعبیه شده که یکی از آنها در لبه حمله پره قرار دارد. پوشش سد حرارتی برای همه سطوح مجاور جریان گاز در طبقه اول پره‌های ثابت اعمال شده‌است. خنک‌کاری برای پره‌های متحرک طبقه اول و دوم توربین در نظر گرفته شده‌است. روش خنک‌کاری در پره طبقه اول به گونه‌ای است که مسیر عبور هوا از شیارهای تعبیه‌شده در نزدیکی لبه حمله، مرکز و نزدیکی لبه فرار مستقل از یکدیگر انجام می‌شود.

همزمان با انجام فاز طراحی مقدماتی، قطعات مختلف توربین گازی ام‌اف-۲۲۱ مورد آزمایش قرار گرفت و داده‌های حاصل از این آزمایش، در بهسازی در فاز طراحی جزئی به کار گرفته شد. همچنین میزان آلایندگی ناکس بر حسب نسبت‌های مختلف سوخت و هوا در محفظه احتراق در آزمایش‌های مختلف اندازه‌گیری شد. آزمایش ارتعاش دورانی با استفاده از روتور واقعی برای پره‌های کمپرسور توربین انجام شد. در این آزمایش با کمک حسگرهای اپتیکال، اندازه‌گیری بدون تماس برای پره‌های طبقات اول و پنجم کمپرسور صورت پذیرفت. برای طبقات اول، دوم و سوم پره‌های متحرک توربین با استفاده کرنش‌سنج متصل به هر پره، فرکانس طبیعی و مشخصه‌های ارتعاشی با استفاده از تله‌متری اندازه‌گیری شد.

اولین نمونه پیش تولیدی ام‌اف-۲۲۱ در ژوئیه ۱۹۹۴ از خط تولید میتسوبیشی خارج شد و آزمایش‌های صحه‌گذاری و ارزیابی عملکرد قابلیت اطمینان آن در حالت بارگذاری کامل، در تاسیسات آزمایشی تاکاسوگو با دقت انجام شد. عملکرد کلی ماشین ام‌اف-۲۲۱ با اعمال بالانس حرارتی مبتنی بر نتایج اندازه‌گیری هوای ورودی، هوای خنک‌کاری، مصرف سوخت، توان خروجی ژنراتور و دما و فشار قطعات مختلف مورد تجزیه و تحلیل دقیق قرار گرفت. بر اساس نتایج این تحلیل، میزان توان خروجی و بهره‌وری حرارتی این توربین گازی فراتر از مقادیر پیش‌بینی شده در مشخصه‌های عملکردی طراحی آن تحت شرایط بارگذاری کامل مورد تایید و صحه‌گذاری قرار گرفت. در آزمایش‌های کارخانه‌ای این نمونه پیش‌تولیدی از کروسین به‌عنوان سوخت استفاده شد و تحت شرایط بارگذاری مختلف، آلایندگی ناکس و مونواکسیدکربن با دقت اندازه‌گیری شد.

نتایج تایید می‎‌کرد که کاهش آلایندگی ناکس به ازای میزان بخار تزریق شده به حدود مجاز مورد نظر رسیده‌است. برای صحه‌گذاری قابلیت اطمینان محفظه احتراق دمای سطح فلز، نوسانات فشار و تنش‌‌های ارتعاشی اندازه‌گیری شد. دمای سطح فلز با استفاده از ترموکوپل‌های تعبیه شده در سطح محفظه احتراق به دست آمد. نتایج آزمایش نشان می‌دهد دمای سطح فلز در تمام نقاط اندازه‌گیری کمتر از حد مجاز طراحی است. نوسانات فشار که منبع تنش‌های ارتعاشی در محفظه احتراق به شمار می‌روند، با نصب حسگرهای مقاوم در برابر حرارت اندازه‌گیری شد. فرکانس‌های طبیعی و تنش ارتعاشی در پره روش غیر تماسی با استفاده از حسگرهای اپتیکال برای طبقه دوم کمپرسور اندازه‌گیری شد و همین پارامترها با نصب کرنش‌سنج بر روی پره ثابت طبقه ۱۲ کمپرسور نیز به دست آمدند.

 

منبع:

Mitsubishi

 

دیدگاه بگذارید

avatar
  مشترک شدن  
اطلاع رسانی