مروری بر تاریخچه توربین گاز زیمنس
تاریخچه توربین گاز زیمنس به سالهای اولیه جنگ جهانی دوم برمیگردد. موتور هواپیمای جت وستینگهاوس (جِی30) و موتور جت یونکرس جومو 004، مبنای توسعه اولین توربینهای گاز صنعتی بودند. این ماشینها از زمان جنگ جهانی دوم توسط وستینگهاوس و زیمنس/کرافتوُرک (کیدبلیویو) یونیون طراحی و تولید شدند.
کیدبلیویو در سال 1969 با سرمایهگذاری مشترک آاگ و زیمنس تاسیس شد و در سال 1977، بطور کامل تحت مالکیت زیمنس قرار گرفت. آاگ با یونکرس در توسعه جت جومو004 در طول جنگ همکاری کرد. شرکت تولید برق وستینگهاوس در سال 1998 توسط زیمنس خریداری شد.
در این مقاله، تاریخچه توربینهای گاز اولیه و سیر تکامل توربینهای گاز جدید زیمنس از آن زمان مورد بررسی قرار گرفتهاست. علاوه بر آن، مقاله به بررسی جزئیات توربین گاز 340 مگاواتی زیمنس موسوم به اسجیتی5-8000اچ نیز پرداختهاست.
مقدمه
توسعه توربین گاز، با توجه به تاریخچه کوتاه آن، فرآیندی چشمگیر بشمار میرود. جان باربر در سال 1791، طرح خود برای یک توربین گاز اولیه را ثبت نمود، اما این طرح را به مرحله اجرایی نرساند. در سال 1872، استولز یک موتور با کمپرسور و توربین محوری با محور یکسان، مبدل حرارتی، بخش تولید گاز و محفظه احتراق طراحی کرد.
توربین گاز وی همانند بسیاری از مخترعان دیگر، هیچ توانی تولید نمیکرد. در سال 1900، کارنوت، گیبس و ماکسوِل قوانین ترمودینامیک را وضع کردند. در سال 1905، برادران آرماند اولین توربین موفق خود را در پاریس ساختند. با این وجود، بهرهوری این توربین از سه درصد فراتر نمیرفت. در سال 1933، براون بووری اولین توربین گاز صنعتی را طراحی و تولید کرد.
توسعه توربین گاز بعنوان سامانه پیشرانش هواپیما در اوایل دهه 1930 در بریتانیا و آلمان آغاز شد. در بریتانیا، ویتل از نیروی هوایی سلطنتی، شرکتی را برای توسعه موتورهای توربوجت سازماندهی کرد. اولین موتور او در سال 1937 با کمپرسور گریز از مرکز، در یک سلول تست آزمایش شد. در سال 1939، اولین موتور هوایی ویتل با نام دبیلو-1 ساخته شد. نیروی پیشران این موتور توربوجت حدود 855 پاوند (388 کیلوگرم) بود و وزن آن به 283 کیلوگرم میرسید.
هواپیمای گلاستر ئی28/39 که نیروی پیشران آن توسط موتور توربوجت دبلیو-1 تامین میشد، برای اولین بار در ماه می 1941 پرواز کرد.
در اواخر سال 1936، گروهی در آلمان تحت مدیریت هانس فون اوهاین در شرکت هواپیمایی هاینکل، کار بر روی موتور کمپرسور گریز از مرکز را آغاز کردند. علاوه بر آن، در سال 1937، آلمانیها کار بر روی توربینهای محوری را نیز کلید زدند. اولین پرواز یک هواپیما با استفاده از موتور توربوجت اچای اس3بی با نیروی پیشران 1100 پاوند (500 کیلوگرم)، در 27 اوت 1939 انجام شد. یونکرس سپس موتور جومو 004 با کمپرسور محوری و نصبشده بر روی هواپیمای امئی262 را توسعه داد که در طول جنگ مورداستفاده قرار میگرفت.
در آمریکا، شرکت وستینگهاوس الکتریک و شرکت جنرال الکتریک در زمینه توربینهای گاز محوری پیشگام بودند. در طول جنگ جهانی دوم و قبل از آن، اتحاد جماهیر شوروی و ژاپن نیز در توسعه توربینهای گاز برای سامانه پیشرانش هواپیما مشارکت داشتند. وستینگهاوس و زیمنس همچنان در قرن 20 و 21 تلاش خود در جهت توسعه توربین گاز را ادامه دادند.
نقش وستینگهاوس در توربینهای گاز هوایی
تجربهای که وستینگهاوس در زمینه طراحی و ساخت توربینهای بخار از ابتدای قرن بیستم کسب کرد، بعنوان مبنایی برای توسعه موتورهای جت برای سامانه پیشرانش هواپیما و بعدها برای تولید توان توربینهای گاز زمینی مورد استفاده قرار گرفت. در اوایل دهه 1940، پژوهشهای نظری توسط مهندسان وستینگهاوس، توجه نیروی دریایی آمریکا را به خود جلب کرد. طرح پیشنهادی یک موتور توربین گاز با کمپرسور جریان محوری ساده و تک کاناله را دربر میگرفت که دارای مزایایی از جمله کاهش سطح مقطع، نیروی پسا و وزن و در عین حال، افزایش نیروی پیشران بود.
در 7 ژانویه 1942، نامهای از نیروی دریایی آمریکا برای عقد قرارداد در حوزه تحقیق و طراحی به وستینگهاوس فرستاده شد. در 22 اکتبر 1942، وستینگهاوس قرارداد طراحی دو موتور اکس19 را دریافت کرد. به منظور تحقق این هدف، یک تیم برای انجام کارهای مختلف شکل گرفت. پس از آن، پیکربندی یک کمپرسور و توربین محوری با مشخصاتی منطقی تعریف شد.
با این وجود، طراحی محفظه احتراق با فضایی کوچک و با نرخ احتراق زیاد، نرخ آشفتگی و سرعت اختلاط بالا یک چالش به شمار میرفت. آزمایشگاههای تحقیقاتی وستینگهاوس وظیفه پژوهش، طراحی و توسعه محفظه احتراق را بر عهده داشتند. اولین محفظه آزمایشی شامل یک دیفیوزر ورودی، یک نگهدارنده شعله و جرقهزن بود.
با توجه به نواقص این طرح، یک محفظه احتراق استوانهای با سطح سوراخدار طراحی شد. یکی از دلایل انتخاب محفظه احتراق استوانهای این بود که میتوان آن را به تنهایی بعنوان یک محفظه کوچک توسعه داد. این طرح عملکرد قابلقبولی داشت و توسعه آن به شدت دنبال شد. با توسعه موفقیتآمیز محفظه احتراق، طراحی و ساخت موتور نیز با سرعت بیشتری پیش رفت. پیکربندی موتور شامل یک کمپرسور محوری شش طبقه، 24 محفظه احتراق استوانهای، یک توربین تک طبقه و یک نازل خروجی جت بود. این محفظهها در 8 گروه 3 تایی قرار گرفته بودند که هر گروه دارای یک قطاع 45 درجه بودند.
تنها 15 ماه پس از امضای قرارداد، در مارس 1943، اولین موتور جت طراحی و ساختهشده آمریکایی مورد آزمایش قرار گرفت. این موتور با نام دبلیوئی19ای با نیروی پیشران 1130 پاوند (515 کیلوگرم)، وزنی معادل 375 کیلوگرم داشت. این آزمایش بدون هیچ دانش فنی از فعالیتهای انگلیسیها، آلمانیها یا دیگر آمریکاییها در این زمینه انجام شد.
نسخه ارتقایافته این موتور موسوم به دبلیوئی19بی با نیروی پیشران 1365 پاوند (620 کیلوگرم) و وزن 332 کیلوگرم، در ژانویه 1944 بعنوان موتور تقویتی بر روی هواپیما چنس ووت کراسیر آزمایش شد. یک سال بعد، یک موتور دیگر با نام جِی30 بر روی هواپیمای مکدانل داگلاس افاچ-1 فانتوم، بعنوان اولین جنگنده جت نیروی دریایی آمریکا نصب شد.
در نهایت، شصت و یک فروند جت فانتوم مجهز به موتور جِی30 ساخته و عرضه شد. موتور بعدی جِی34 دارای دهانهای به قطر 0.86 متر بود و 3 هزار پاوند (1362کیلوگرم) نیروی پیشران تولید میکرد. این آخرین موتور جت تولیدی بود که توسط وستینگهاوس ساخته شد. این موتور در نیروی دریایی و بر روی هواپیمای مکدانل بانشی نصب شد. در مجموع، وستینگهاوس تا سال 1960 و تا پایان فعالیت خود در حوزه موتورهای جت، 1223 دستگاه موتور توربوجت را برای نیروی دریایی تولید کرد.
نقش زیمنس در توربینهای گاز هوایی
در تاریخچه توربین گاز زیمنس، یونکرس جومو004 اولین توربین گاز هوایی بود که به تولید انبوه رسید. اولین پرواز این موتور نصبشده بر روی هواپیمای مسرشمیت امئی ۲۶۲، در 18 ژوئیه 1942 در فرودگاهی در لیهایم آلمان انجام شد. این اولین پرواز با موتور جت نبود، اما اولین پرواز موفقیتآمیز برای یک هواپیمای جت به شمار میرفت. تقریبا 6 هزار موتور در اواخر جنگ جهانی دوم تولید شد. همچنین، نمونههای مختلف دیگری از این موتور پس از جنگ، توسط روسها و چکها ساخته شد. این موتور تنها طی 4 سال، از طراحی مفهومی به مرحله تولید رسید.
مدیریت تیم طراحی موتور جومو 004 را آنسلم فرانتس بر عهده داشت و رودولف فردریش، ماکس مولر و ویلهلم پپلر از دیگر اعضای این تیم بودند. موتور جومو 004 دارای نسبت فشار کمپرسور 3.14 در 8 طبقه و دبی جرمی 21.2 کیلوگرم بر ثانیه بود و متوسط بهرهوری کمپرسور آن به 75 تا 78 درصد میرسید.
توربین تک طبقه توسط آاگ در برلین در کارخانهای که در حال حاضر محل تولید توربینهای گاز زیمنس در اروپا است، طراحی شد. این توربین بر اساس تجربه تولید توربین بخار آاگ در برلین توسعه یافت و از طراحی عاری از گردابه در آن استفاده نشده بود. این توربین دارای عکسالعمل 20 درصدی بود که با در نظر گرفتن موتور یونکرس با عکسالعمل بالاتر و آاگ با عکسالعمل پایینتر مصالحه شده بود.
توربین موردنظر دارای 61 پره بود. نیروی پیشران موتور1850 پاوند (841 کیلوگرم) و دور روتور آن به 8700 دور در دقیقه میرسید. عمر عملیاتی موتور تنها 25 تا 50 ساعت بود. به دلیل کمبود مواد موردنیاز پیشرفته در طول جنگ، پرههای توربین آن از فولاد ساخته شده و توخالی بودند و علاوه بر آن، با هوا خنک میشدند. محفظه احتراق آن از 6 استوانه تشکیل شده بود.
در زمان توسعه موتور، ایرفویلهای کمپرسور به دلیل شکست ناشی از خستگی بازطراحی شدند و ششمین مرتبه رزونانس موتور ناشی از مود اول خمش توربین باید برطرف میشد. این موتور دارای 6 محفظه احتراق، 36 نازل و سه پایه نگهدارنده (استرات) در پاییندست توربین بود. با کاهش حداکثر سرعت از 9 هزار دور در دقیقه به 8700 دور در دقیقه و افزایش فرکانس طبیعی پرهها با اعمال تغییرات هندسی کوچک، این مشکل برطرف شد.
کمپرسور آن دارای پرههای آلومینیومی با ریشه دم چلچلهای بود. دو طبقه اول 27 پره در هر ردیف و طبقات بعدی 28 پره در هر ردیف را در برمیگرفت. دیسکها با یک پیچ به هم چفت شده و نیروی گشتاور توسط یک سری کلید بین دیسکها منتقل میشد. جالب آنکه، از این طرح تک پیچ و انتقال گشتاور بین دیسکها امروزه هم در توربینهای گاز زیمنس استفاده میشود. پس از جنگ، آنسلم فرانتس به آمریکا مهاجرت کرد و در آنجا به شرکت لایکومینگ پیوست. با این وجود، در سال 1948، رودلف فردریش فعالیتهای مربوط به توربین گاز در کارخانه زیمنس در مولهایم را از سر گرفت.
سالهای اولیه فعالیت زیمنس و وستینگهاوس در زمینه توربینهای گاز
بر اساس مستندات تاریخچه توربین گاز زیمنس، این شرکت فعالیت در حوزه توربینهای گاز را پس از جنگ جهانی دوم در سال 1948 در کارخانه خود در مولهایم/روهر از سر گرفت. با این وجود، به دلیل محدودیتهای اعمالشده توسط متفقین، تولید توربین گاز امکانپذیر نبود و فعالیتها صرفا به انجام مطالعات نظری محدود میشدند. مطالعات شامل طراحی توربینهای گاز در سیکل باز و سیکل بسته با توان خروجی بین 2 تا 100 مگاوات بود. بهرهوری این ماشینها بین 17 تا 34 درصد متغیر بود.
در سال 1950، زیمنس برای ادامه فعالیت خود در حوزه توسعه توربینهای گاز، از شورای نظارت متفقین مجوز دریافت کرد. اولین پروژه توربین گاز به نام ویام1 که برگرفته از یک کلمه آلمانی به معنی موتور احتراق است، نامگذاری شد. این موتور توان خروجی 1.5 مگاوات داشت و طراحی کمپرسور آن مشابه جومو 004 بود. جریان جرمی آن 20 کیلوگرم بر ثانیه و نسبت فشار آن 3.2 بود. در فوریه 1953، کمپرسور موتور مذکور عملیاتی شد. این توربین شامل طراحی 3 طبقه و دمای ورودی 620 درجه سانتیگراد بود.
توربین گاز تکمیلشده، اولین بار در ژوئن 1956 به کار افتاد و در مجموع به مدت 800 ساعت با سوخت مایع آزمایش شد. زیمنس تصمیم گرفته بود از یک محفظه احتراق خارجی بزرگ برای توربینهای گاز صنعتی خود جهت سوزاندن گازهایی با انرژی گرمایی کم استفاده کند. این محفظههای احتراق دارای سرامیکهای دیرگداز جهت کاهش نیاز به سیستمهای خنککاری برای چنین محفظههای احتراق بزرگی بودند.
سپس، زیمنس فعالیتهای زیادی در زمینه توسعه طراحی توربین با استفاده از روش خنککاری با آب و بخار انجام داد. در دهه 1950، تقاضای زیادی برای توان الکتریکی و بخار وجود داشت و در سال 1952، زیمنس قراردادی را برای یک توربین گاز ویژه جهت استفاده در یک کارخانه مواد شیمیایی منعقد کرد. پرههای توربین به روتور جوش داده شده بودند و آب آن از طریق یک پمپ تامین میشد. آب در روتور به بخار تبدیل و سپس بخار به کارخانه مواد شیمیایی هدایت میشد.
توربین گاز با توان خروجی 1.3 مگاوات، دارای کمپرسور پرفشار و کمفشار با خنککاری داخلی و توربین 7 طبقه بود. طراحی اولیه شامل پرههای ثابت سرامیکی و دمای کاری 1000 درجه سانتیگراد میشد. با این حال، پرههای سرامیکی تنها پس از 8 بار تغییر سریع دما خراب میشدند و با پرههای فلزی هواخنک جایگزین میشدند که این پرهها 5 درصد جریان ورودی کمپرسور را برای خنککاری مصرف میکردند.
این توربین گاز برای اولین بار در مارس 1956 عملیاتی شد، اما به دلیل مشکلات ناشی از ارتعاش روتور، تا اوت 1957 به توان کامل نرسید. این نیروگاه سرانجام به دلایل اقتصادی در سال 1960 و پس از ثبت 1662 ساعت تولید توان از رده خارج شد.
پروژه بعدی ویام3 بود که به موتور ویام1 شباهت داشت. این موتور با توان خروجی 2.8 مگاوات دارای یک بازیاب حرارتی بود که در دمای احتراق 650 درجه سانتیگراد و با استفاده از پرههای ثابت و متحرک بدون خنککاری، به بهرهوری 26 درصد میرسید.
منابع:
Hans-Juergen Kiesow, The history of he Siemens Gas Turbine, Proceedings of ASME Turbo Expo 2008-
