تاریخچه توربین گاز زیمنس (بخش دوم)

مروری بر تاریخچه توربین گاز زیمنس

وی‌ام5- اولین توربین گاز تجاری

در تاریخچه توربین گاز زیمنس دیده می‌شود که در سال 1956، این شرکت کار بر روی یک توربین گاز بزرگ 5.6 مگاواتی که برای راه‌اندازی یک کوره بلند گازی بکار می‌رفت را آغاز کرد. در سال 1958، 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 700 درجه سانتیگراد می‌رسید و بهره‌وری این ماشین 29 درصد بود. موتور مذکور در اکتبر 1960 به بهره‌برداری عملیاتی رسید. در پایان سال 1998، این توربین گاز با 112 هزار ساعت عملیاتی، بیش از هزار استارت را ثبت کرده بود.

تکامل توربین‌های گاز وی‌ام51 و وی‌ام80 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 184 کیلوگرم بر ثانیه، نسبت فشار 6، دمای ورودی 720 درجه سانتیگراد و توان خروجی 23.4 مگاوات، بهره‌وری معادل 32 درصد را به ثبت رساند. طراحی آن بر اساس بازسازی وی‌ام3 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 1959 ارائه شد. این توربین گاز در سپتامبر 1962، وارد چرخه بهره‌برداری عملیاتی شد.

در سال 1961، 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 13 مگاواتی وی‌ام51 نیز مشاهده کرد.

در سال 1969 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 1969 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 1977، 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 1945، کار بر روی اولین توربین گاز صنعتی خود را آغاز کرد. بر اساس تجربه در تولید توربین گاز هوایی جِی30، طراحی 1.5 مگاواتی برای لوکوموتیو بالدوین پیشنهاد شد.

این موتور با نام دبلیو21 (با توان 2 هزار اسب بخار و پیکربندی تک محور) دارای یک کمپرسور 23 طبقه و یک توربین 8 طبقه به همراه 12 محفظه احتراق حلقوی بود. دو موتور از این نوع، در سال‌های 1948 تا 1949، 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 100 هزار ساعت عملیاتی رسید و سرانجام پس از 150 هزار ساعت و با بسته‌شدن خط لوله انتقال از دور خارج شد.

این موتور دارای یک محور (با سرعت دورانی 8750 دور در دقیقه) با 3 یاتاقان و نسبت فشار 5 بود. این موتور، با جریان جرمی 16 کیلوگرم بر ثانیه و دمای احتراق 677 درجه سانتیگراد کار می‌کرد و بهره‌وری آن در سیکل ساده به 18 درصد می‌رسید. موتور مذکور، عمر طراحی 100 هزار ساعت را به ثبت رسانده بود.

توربین گاز پیشتاز وستینگهاوس-دبلیو 81

در پاسخ به نیازهای بازار، اولین توربین گاز نسل جدید در سال 1952 معرفی شد. این موتور با توان خروجی 5.7 مگاوات، دارای یک محور (با سرعت دورانی 5740 دور در دقیقه) به همراه دو یاتاقان با کلاچ خمیده برای انتقال گشتاور توربین بود.

در تاریخچه توربین گاز زیمنس دبلیو 81 اولین توربین گاز وستینگهاوس به شمار می‌رفت که توسط یک شرکت با نام وست تگزاس یوتیلیتیز در سال 1952 خریداری شد. کمپرسور آن با 16 طبقه، دارای نسبت فشار 6 و جریان جرمی 57 کیلوگرم بر ثانیه و توربین آن 5 طبقه بود. همچنین، این توربین با دمای احتراق 732 درجه سانتیگراد، بهره‌وری 21 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 دبلیو81، 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 15 مگاواتی با خنک‌کننده داخلی و طراحی جدید می‌شد.

در سال 1954، کار بر روی اولین طراحی موتور با 3600 دور در دقیقه برای استفاده بدون نیاز به گیربکس آغاز شد. این موتور با عنوان دبلیو201 شناخته شد و طراحی آن بر اساس موتور موفق دبلیو81 انجام شد.

دبلیو201، پیشگام توربین‌های گاز دبلیو 301 و دبلیو501 (با سرعت دورانی 3600 دور در دقیقه) بود.

در این موتور، دمای ورودی توربین به 788 درجه سانتیگراد و توان خروجی 18 مگاوات افزایش یافت. در دهه 1950، وستینگهاوس همچنین یک دمنده برای کوره بلند را برای تأمین 3540 متر مکعب هوا با فشار 2.5 بار و سوزاندن گاز در کوره بلند طراحی کرد. این موتور نمونه ارتقایافته توربین گاز دبلیو 201 بشمار می‌رفت.

علاوه بر این، توربین‌های گاز دبلیو31 با توان خروجی 2،2 مگاوات و دبلیو121 با توان خروجی 9 مگاوات به ترتیب در سال 1956 و 1959 معرفی شدند. این توربین‌های گاز نیز بر اساس موتور دبلیو81 طراحی شده‌اند. با افزایش دمای احتراق به 788 درجه سانتیگراد و افزودن یک طبقه اضافی به کمپرسور توربین گاز دبلیو121، نمونه‌های دبلیو171 و دبلیو 191 توسعه یافتند.

در آن زمان (اوایل دهه 1960)، توربین گاز دبلیو191 با توان خروجی 18 مگاوات، موفق‌ترین ماشین وستینگهاوس به شمار می‌رفت که بیش از 182 نمونه از آن فروخته شده بود. دبلیو191 دارای یک کمپرسور 15 طبقه با نسبت فشار 7 بود. جریان جرمی این موتور 122.5 کیلوگرم بر ثانیه و دمای احتراق آن 788 درجه سانتیگراد بود. موتور دبلیو191 تا زمانی که به نمونه دبلیو251 ارتقا یافت، همچنان در دهه 1980 تولید می‌شد.

سیر تکاملی توربین‌های گاز زیمنس و وستینگهاوس در تاریخچه توربین گاز زیمنس

توسعه توربین‌های گاز بزرگ روزآمد با معرفی دبلیو501 با توان خروجی 45 مگاوات، در سال 1968 آغاز شد. این روند توسعه در دهه‌های آینده نیز ادامه یافت و با موتور بسیار موفق دبلیو501دی5 با توان خروجی 95 مگاوات، در سال 1976 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 دبلیو201 و دبلیو 301 با سرعت دورانی 3600 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 1096 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 19 طبقه) و علاوه بر آن، جریان جرمی ورودی به 359 کیلوگرم بر ثانیه و نسبت فشار به 14 افزایش یافت.

ماشین دبلیو501دی5 با توان خروجی 107 مگاوات، مدل بعدی بود که در سال 1981 معرفی شد. این ماشین به دلیل بهبود عملکرد اجزا، بهینه‌سازی جریان هوای خنک‌کاری و افزایش اندک دمای ورودی روتور تا 1133 درجه سانتیگراد، به افزایش بهره‌وری دست یافت.

عملکرد کمپرسور با افزایش تعداد نقاط آب‌بندی لایه‌ای از 2 نقطه به 4 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 12 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 1990، عملکرد موتور با بکارگیری کمپرسور موتور دبلیو251بی12 که به نسبت 3 مقیاس شده بود، ارتقا یافت که باعث افزایش جریان جرمی ورودی به 376.4 کیلوگرم بر ثانیه و نسبت فشار به 14.8 شد. علاوه بر آن دمای احتراق افزایش پیدا کرد و خنک‌کاری توربین در موتور 701دی‌ای بهبود یافت. این مدل با نام دبلیو501دی5ای در سال 1995 شناخته شد و دارای توان خروجی 118 مگاوات بود.

پیشرفت مهم بعدی در فناوری، مدل دبلیو501اف بود که در سال 1993 با توان خروجی 160 مگاوات معرفی شد. در طراحی آن از کدهای کامپیوتری سه بعدی پیشرفته استفاده شد و دمای ورودی روتور آن به 1260 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 16 طبقه‌ای آن با نسبت فشار 14، بر اساس کمپرسور موفق موتور دبلیو501دی5 بود.

ضرایب جریان و فشار آن نیز همانند موتور دبلیو501دی5، با افزایش میانگین قطر طبقه به منظور تطبیق با افزایش 20 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 دبلیو501اف با پیشرفت‌هایی در زمینه آیرودینامیک، احتراق، خنک‌کاری و مواد ادامه پیدا کرد. آخرین مدل از این موتور با بهره‌وری 38،7 در سیکل ساده، توانی معادل 208 مگاوات و با بهره‌وری 57.3 درصد در سیکل ترکیبی توانی معادل 300 مگاوات تولید می‌کند. این مدل دارای قابلیت استارت سریع در طول 10 دقیقه از احتراق تا بار کامل است. بیش از 200 موتور دبلیو501اف که اکنون اس‌جی‌تی6-5000اف نامیده می‌شود، تا به امروز تولید شده‌است.

موتور دبلیو501جی که در حال حاضر اس‌جی‌تی6-6000جی نامگذاری شده، در سال 1997 با توان 230 مگاوات معرفی شد. این ماشین آخرین توربین گازی بود که وستینگهاوس پیش از پیوستن به زیمنس آن را تولید کرد. در سال 1992، 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 501جی جدید مورد استفاده قرار گرفتند. دمای ورودی روتور اولیه آن 1417 درجه سانتیگراد و بهره‌وری آن در سیکل ترکیبی به 58 درصد می‌رسید. طراحی این موتور بر اساس ماشین دبلیو501اف با افزایش دمای احتراق و جریان جرمی انجام شد و با پیشرفت‌های بیشتری در زمینه مواد، فناوری خنک‌کاری و طراحی آیرودینامیک همراه بود.

کمپرسور 16 طبقه آن با نسبت فشار 19 و جریان جرمی ورودی 544 کیلوگرم بر ثانیه از ایرفویل‌های پیشرفته با بهره‌وری بالا استفاده می‌کند. سیستم احتراق آن دارای 16 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 اس‌جی‌تی6-5000اف 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 260 مگاوات و بهره‌وری سیکل ترکیبی آن به 58.7 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