در حال بررسی...مروری بر تاریخچه توربین گاز زیمنس
وی‌ام۵- اولین توربین گاز تجاری
در تاریخچه توربین گاز زیمنس دیده می‌شود که در سال ۱۹۵۶، این شرکت کار بر روی یک توربین گاز بزرگ ۵.۶ مگاواتی که برای راه‌اندازی یک کوره بلند گازی بکار می‌رفت را آغاز کرد. در سال ۱۹۵۸، قراردادی با کارخانه ذوب دورتموند برای تامین یک توربین گاز منعقد شد. این توربین گاز دارای دو کمپرسور و پره توربین بدون خنک‌کاری بود. دمای ورودی توربین به ۷۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسید و بهره‌وری این ماشین ۲۹ درصد بود. موتور مذکور در اکتبر ۱۹۶۰ به بهره‌برداری عملیاتی رسید. در پایان سال ۱۹۹۸، این توربین گاز با ۱۱۲ هزار ساعت عملیاتی، بیش از هزار استارت را ثبت کرده بود.
تکامل توربین‌های گاز وی‌ام۵۱ و وی‌ام۸۰ زیمنس
زیمنس با طراحی توربین گاز بزرگ به منظور تولید برق، به دنبال ایجاد موقعیت مناسبی در بازار بود. در راستای تحقق این هدف تلاش شد تا ظرفیت این موتور تا حد ممکن زیاد باشد. بنابراین، این موتور با جریان جرمی ۱۸۴ کیلوگرم بر ثانیه، نسبت فشار ۶، دمای ورودی ۷۲۰ درجه سانتیگراد و توان خروجی ۲۳.۴ مگاوات، بهره‌وری معادل ۳۲ درصد را به ثبت رساند. طراحی آن بر اساس بازسازی وی‌ام۳ بنا نهاده شده بود. اولین سفارش از این توربین گاز توسط یک شرکت در مونیخ و برای نیروگاهی در شرایط اوج مصرف و با گرمایش منطقه‌ای، در سال ۱۹۵۹ ارائه شد. این توربین گاز در سپتامبر ۱۹۶۲، وارد چرخه بهره‌برداری عملیاتی شد.
در سال ۱۹۶۱، طرح پایه مورد بازنگری قرار گرفت. این طرح مبنایی را شکل داد که امروزه در همه توربین‌های گاز زیمنس متداول شده‌است. در این طرح، یک روتور منفرد متشکل از چندین دیسک، بین دو یاتاقان قرار گرفته و توسط یک پیچ و مهره نگه داشته می‌شود. در طرح اشاره‌شده، چرخش ژنراتور در انتهای کمپرسور انجام می‌شود و لذا مسیر مستقیم برای خروج گاز ایجاد می‌کند. این طراحی را می‌توان در توربین گاز ۱۳ مگاواتی وی‌ام۵۱ نیز مشاهده کرد.
در سال ۱۹۶۹ از تاریخچه توربین گاز زیمنس آاگ و زیمنس فعالیت‌های خود در حوزه‌های مربوط به نیروگاه‌های هسته‌ای و غیرهسته‌ای را ادغام کردند. هزینه‌های بالا در حوزه فناوری و بخش مالی در ساخت نیروگاه، نیاز به تمرکز فزاینده‌ای بر روی منابع داشت. علاوه بر آن، برای زیمنس روشن شد که در آینده تامین نیازهای بازارهای داخلی و صادراتی نیاز به مدیریت واحد در قالب یک شرکت خواهد داشت. در سال ۱۹۶۹ و پس از سه سال مذاکره، آاگ و زیمنس شرکت‌های کرافت‌ورک و ترانسفورماتورن را تاسیس کردند.
با توجه به افزایش هزینه‌ها در آلمان و جنجال در خصوص ایمنی نیروگاه‌های هسته‌ای، این کسب‌و‌کار خیلی زود متوقف شد. در سال ۱۹۷۷، تمام سهام کی‌دبلیویو توسط زیمنس از آاگ خریداری شد و متعاقبا این شرکت، کی‌دبلیویو را با گروه مهندسی توان خود ادغام کرد. تولید توربین گاز در کارخانه قدیمی آاگ در برلین و فعالیت‌های مهندسی در مولهایم و ارلانگن انجام می‌شد.
توسعه توربین گاز وستینگهاوس
وستینگهاوس در سال ۱۹۴۵، کار بر روی اولین توربین گاز صنعتی خود را آغاز کرد. بر اساس تجربه در تولید توربین گاز هوایی جِی۳۰، طراحی ۱.۵ مگاواتی برای لوکوموتیو بالدوین پیشنهاد شد.
این موتور با نام دبلیو۲۱ (با توان ۲ هزار اسب بخار و پیکربندی تک محور) دارای یک کمپرسور ۲۳ طبقه و یک توربین ۸ طبقه به همراه ۱۲ محفظه احتراق حلقوی بود. دو موتور از این نوع، در سال‌های ۱۹۴۸ تا ۱۹۴۹، در یک لوکوموتیو سه مگاواتی با موفقیت عملیاتی شدند. هنگامی که لوکوموتیو کنار گذاشته شد، توربین‌های گاز مجددا مورد استفاده قرار گرفتند. یکی از آنها بر روی کمپرسور خط لوله انتقال و موتور دیگر در نیروگاهی برای شرایط اوج مصرف استفاده شد. ماشین بکاررفته در واحد خط لوله انتقال، اولین توربین گازی بود که به ۱۰۰ هزار ساعت عملیاتی رسید و سرانجام پس از ۱۵۰ هزار ساعت و با بسته‌شدن خط لوله انتقال از دور خارج شد.
این موتور دارای یک محور (با سرعت دورانی ۸۷۵۰ دور در دقیقه) با ۳ یاتاقان و نسبت فشار ۵ بود. این موتور، با جریان جرمی ۱۶ کیلوگرم بر ثانیه و دمای احتراق ۶۷۷ درجه سانتیگراد کار می‌کرد و بهره‌وری آن در سیکل ساده به ۱۸ درصد می‌رسید. موتور مذکور، عمر طراحی ۱۰۰ هزار ساعت را به ثبت رسانده بود.
توربین گاز پیشتاز وستینگهاوس-دبلیو ۸۱
در پاسخ به نیازهای بازار، اولین توربین گاز نسل جدید در سال ۱۹۵۲ معرفی شد. این موتور با توان خروجی ۵.۷ مگاوات، دارای یک محور (با سرعت دورانی ۵۷۴۰ دور در دقیقه) به همراه دو یاتاقان با کلاچ خمیده برای انتقال گشتاور توربین بود.
در تاریخچه توربین گاز زیمنس دبلیو ۸۱ اولین توربین گاز وستینگهاوس به شمار می‌رفت که توسط یک شرکت با نام وست تگزاس یوتیلیتیز در سال ۱۹۵۲ خریداری شد. کمپرسور آن با ۱۶ طبقه، دارای نسبت فشار ۶ و جریان جرمی ۵۷ کیلوگرم بر ثانیه و توربین آن ۵ طبقه بود. همچنین، این توربین با دمای احتراق ۷۳۲ درجه سانتیگراد، بهره‌وری ۲۱ درصدی داشت.
این نوع موتور، شامل یک روتور، یک محفظه، دو یاتاقان گرد و چندین محفظه احتراق حلقوی بودند که اساس همه توربین‌های گاز روزآمد وستینگهاوس را تشکیل می‌دهد و امروزه نیز در همه انواع توربین‌های گاز صنعتی قابل مشاهده است.
با تکمیل موفقیت‌آمیز دبلیو۸۱، ناوگان کاملی از طرح‌های مختلف توربین گاز مورد بررسی قرار گرفت که شامل بازطراحی یک طرح دو محوره برای کاربرد در خط لوله انتقال و یک طرح چند محوره ۱۵ مگاواتی با خنک‌کننده داخلی و طراحی جدید می‌شد.
در سال ۱۹۵۴، کار بر روی اولین طراحی موتور با ۳۶۰۰ دور در دقیقه برای استفاده بدون نیاز به گیربکس آغاز شد. این موتور با عنوان دبلیو۲۰۱ شناخته شد و طراحی آن بر اساس موتور موفق دبلیو۸۱ انجام شد.
دبلیو۲۰۱، پیشگام توربین‌های گاز دبلیو ۳۰۱ و دبلیو۵۰۱ (با سرعت دورانی ۳۶۰۰ دور در دقیقه) بود.
در این موتور، دمای ورودی توربین به ۷۸۸ درجه سانتیگراد و توان خروجی ۱۸ مگاوات افزایش یافت. در دهه ۱۹۵۰، وستینگهاوس همچنین یک دمنده برای کوره بلند را برای تأمین ۳۵۴۰ متر مکعب هوا با فشار ۲.۵ بار و سوزاندن گاز در کوره بلند طراحی کرد. این موتور نمونه ارتقایافته توربین گاز دبلیو ۲۰۱ بشمار می‌رفت.
علاوه بر این، توربین‌های گاز دبلیو۳۱ با توان خروجی ۲،۲ مگاوات و دبلیو۱۲۱ با توان خروجی ۹ مگاوات به ترتیب در سال ۱۹۵۶ و ۱۹۵۹ معرفی شدند. این توربین‌های گاز نیز بر اساس موتور دبلیو۸۱ طراحی شده‌اند. با افزایش دمای احتراق به ۷۸۸ درجه سانتیگراد و افزودن یک طبقه اضافی به کمپرسور توربین گاز دبلیو۱۲۱، نمونه‌های دبلیو۱۷۱ و دبلیو ۱۹۱ توسعه یافتند.
در آن زمان (اوایل دهه ۱۹۶۰)، توربین گاز دبلیو۱۹۱ با توان خروجی ۱۸ مگاوات، موفق‌ترین ماشین وستینگهاوس به شمار می‌رفت که بیش از ۱۸۲ نمونه از آن فروخته شده بود. دبلیو۱۹۱ دارای یک کمپرسور ۱۵ طبقه با نسبت فشار ۷ بود. جریان جرمی این موتور ۱۲۲.۵ کیلوگرم بر ثانیه و دمای احتراق آن ۷۸۸ درجه سانتیگراد بود. موتور دبلیو۱۹۱ تا زمانی که به نمونه دبلیو۲۵۱ ارتقا یافت، همچنان در دهه ۱۹۸۰ تولید می‌شد.
سیر تکاملی توربین‌های گاز زیمنس و وستینگهاوس در تاریخچه توربین گاز زیمنس
توسعه توربین‌های گاز بزرگ روزآمد با معرفی دبلیو۵۰۱ با توان خروجی ۴۵ مگاوات، در سال ۱۹۶۸ آغاز شد. این روند توسعه در دهه‌های آینده نیز ادامه یافت و با موتور بسیار موفق دبلیو۵۰۱دی۵ با توان خروجی ۹۵ مگاوات، در سال ۱۹۷۶ به اوج خود رسید. این طرح کاملا بر اساس طراحی موتورهای جت و توربین‌های گاز زمینی قدیمی‌تر تک و دو محوره استوار بود.
این ماشین در ادامه سری موتورهایی عرضه شد که بر اساس توربین‌های گاز دبلیو۲۰۱ و دبلیو ۳۰۱ با سرعت دورانی ۳۶۰۰ دور در دقیقه توسعه یافته بودند. این ماشین‌ها با بهبود‌هایی در زمینه فناوری‌های آیرودینامیک، خنک‌کاری، احتراق و مواد تکامل یافت. دمای ورودی روتور آن تا ۱۰۹۶ درجه سانتیگراد افزایش یافت.
این امر با پیشرفت در زمینه خنک‌کاری توربین امکان‌پذیر شد به گونه‌ای که هوای خنک‌کاری به پره‌های طبقه دوم توربین رسید و جریان خنک‌کاری به ایرفویل‌های بالادست زیاد شده و خصوصیات مواد بکاررفته، ارتقا یافت. به این ترتیب، توربین چهار طبقه، در هر چهار ردیف از ایرفویل‌ها خنک‌کاری می‌شد. دو طبقه به قسمت جلوی کمپرسور اضافه شد (افزایش تعداد طبقات به ۱۹ طبقه) و علاوه بر آن، جریان جرمی ورودی به ۳۵۹ کیلوگرم بر ثانیه و نسبت فشار به ۱۴ افزایش یافت.
ماشین دبلیو۵۰۱دی۵ با توان خروجی ۱۰۷ مگاوات، مدل بعدی بود که در سال ۱۹۸۱ معرفی شد. این ماشین به دلیل بهبود عملکرد اجزا، بهینه‌سازی جریان هوای خنک‌کاری و افزایش اندک دمای ورودی روتور تا ۱۱۳۳ درجه سانتیگراد، به افزایش بهره‌وری دست یافت.
عملکرد کمپرسور با افزایش تعداد نقاط آب‌بندی لایه‌ای از ۲ نقطه به ۴ نقطه، پوشش‌دهی یکدست و صاف استاتورها، چیدمان مجدد ایرفویل‌ها با زاویه جدید، به قصد بهینه‌سازی کار هر طبقه کمپرسور، بهبود یافت. عملکرد توربین/بخش خروجی ماشین نیز با کاهش سرعت خروجی و چرخش جریان، کاهش اتلاف ناشی از ایرفویل و بهینه‌سازی تولید کار در هر طبقه بهتر شد.
پیشرفت‌های طراحی در تاریخچه توربین گاز زیمنس نشت هوای خنک‌کاری داخلی را در مقایسه با مدل قبلی ۱۲ درصد کاهش داد. معرفی طراحی پره ثابت تک طبقه، عمر قطعات و همچنین تعمیر، نگهداری و بازرسی را بهبود بخشید. عملکرد سیستم خنک‌کاری محفظه احتراق با کشیده‌تر کردن ناحیه برهم‌نهی لبه‌ها ارتقا یافت که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت شده و دمای سازه پایین‌دست را کاهش داد.
در دهه ۱۹۹۰، عملکرد موتور با بکارگیری کمپرسور موتور دبلیو۲۵۱بی۱۲ که به نسبت ۳ مقیاس شده بود، ارتقا یافت که باعث افزایش جریان جرمی ورودی به ۳۷۶.۴ کیلوگرم بر ثانیه و نسبت فشار به ۱۴.۸ شد. علاوه بر آن دمای احتراق افزایش پیدا کرد و خنک‌کاری توربین در موتور ۷۰۱دی‌ای بهبود یافت. این مدل با نام دبلیو۵۰۱دی۵ای در سال ۱۹۹۵ شناخته شد و دارای توان خروجی ۱۱۸ مگاوات بود.
پیشرفت مهم بعدی در فناوری، مدل دبلیو۵۰۱اف بود که در سال ۱۹۹۳ با توان خروجی ۱۶۰ مگاوات معرفی شد. در طراحی آن از کدهای کامپیوتری سه بعدی پیشرفته استفاده شد و دمای ورودی روتور آن به ۱۲۶۰ درجه سانتیگراد افزایش یافت.
این موتور هم برای کاربرد در سیکل ساده و هم سیکل ترکیبی طراحی شده و قابلیت کارکرد با تمام سوخت‌های متداول توربین گاز و همچنین سوخت‌هایی با ارزش حرارتی کم که از زغال‌سنگ یا گازسازی زیست‌توده به دست می‌آیند را دارد. طراحی کمپرسور ۱۶ طبقه‌ای آن با نسبت فشار ۱۴، بر اساس کمپرسور موفق موتور دبلیو۵۰۱دی۵ بود.
ضرایب جریان و فشار آن نیز همانند موتور دبلیو۵۰۱دی۵، با افزایش میانگین قطر طبقه به منظور تطبیق با افزایش ۲۰ درصدی جریان جرمی ورودی حفظ شد. توربین چهار طبقه‌ای، بارهای آیرودینامیکی متوسط با سرعت محیطی بالاتر را حفظ می‌کند. پره‌های طبقه سوم و چهارم توربین‌ها با لبه‌های خارجی محدودشده طراحی شده‌اند که با طرح‌های قبلی متفاوت بودند. از هشت ردیف ایرفویل، شش مورد از این نمونه دارای خنک‌کاری هوا هستند.
تکامل دبلیو۵۰۱اف در تاریخچه توربین گاز زیمنس
در تاریخچه توربین گاز زیمنس تکامل دبلیو۵۰۱اف با پیشرفت‌هایی در زمینه آیرودینامیک، احتراق، خنک‌کاری و مواد ادامه پیدا کرد. آخرین مدل از این موتور با بهره‌وری ۳۸،۷ در سیکل ساده، توانی معادل ۲۰۸ مگاوات و با بهره‌وری ۵۷.۳ درصد در سیکل ترکیبی توانی معادل ۳۰۰ مگاوات تولید می‌کند. این مدل دارای قابلیت استارت سریع در طول ۱۰ دقیقه از احتراق تا بار کامل است. بیش از ۲۰۰ موتور دبلیو۵۰۱اف که اکنون اس‌جی‌تی۶-۵۰۰۰اف نامیده می‌شود، تا به امروز تولید شده‌است.
موتور دبلیو۵۰۱جی که در حال حاضر اس‌جی‌تی۶-۶۰۰۰جی نامگذاری شده، در سال ۱۹۹۷ با توان ۲۳۰ مگاوات معرفی شد. این ماشین آخرین توربین گازی بود که وستینگهاوس پیش از پیوستن به زیمنس آن را تولید کرد. در سال ۱۹۹۲، وستینگهاوس قرارداد انتقال فناوری را با رولز رویس منعقد کرد که مطابق این قرارداد، امکان استفاده وستینگهاوس از ابزارها و کدهای طراحی موتورهای هوایی رولز رویس فراهم شد.
این کدها بطور گسترده در طراحی کمپرسور و توربین ۵۰۱جی جدید مورد استفاده قرار گرفتند. دمای ورودی روتور اولیه آن ۱۴۱۷ درجه سانتیگراد و بهره‌وری آن در سیکل ترکیبی به ۵۸ درصد می‌رسید. طراحی این موتور بر اساس ماشین دبلیو۵۰۱اف با افزایش دمای احتراق و جریان جرمی انجام شد و با پیشرفت‌های بیشتری در زمینه مواد، فناوری خنک‌کاری و طراحی آیرودینامیک همراه بود.
کمپرسور ۱۶ طبقه آن با نسبت فشار ۱۹ و جریان جرمی ورودی ۵۴۴ کیلوگرم بر ثانیه از ایرفویل‌های پیشرفته با بهره‌وری بالا استفاده می‌کند. سیستم احتراق آن دارای ۱۶ محفظه احتراق با آلایندگی ناکس پایین است. تغییرات این موتور، شامل استفاده از جریان خنک‌کاری حلقه بسته می‌شود و بنابراین دمای خروجی مشعل آن مشابه توربین اس‌جی‌تی۶-۵۰۰۰اف است و از این رو منجر به انتشار ناکس کم می‌شود.
در طراحی توربین چهار طبقه‌ای آن از روش طراحی ایرفویل کاملا سه بعدی، مواد و پوشش‌های بکاررفته در موتورهای هوایی استفاده می‌شود. شش ردیف از ایرفویل‌ها با هوا خنک می‌شوند و در طبقات جلویی از مفاهیم خنک‌کاری داخلی، پوشش و سوراخ‌های خنک‌کاری لایه‌ای استفاده شده‌است. در این نمونه، توان خروجی سیکل ساده آن به بیش از ۲۶۰ مگاوات و بهره‌وری سیکل ترکیبی آن به ۵۸.۷ درصد افزایش یافته‌است.
*تاریخچه توربین گاز زیمنس (بخش اول)
منابع:
– Hans-Juergen Kiesow, The history of he Siemens Gas Turbine, Proceedings of ASME Turbo Expo 2008
– siemens
