پیشرفت‌ها در زمینه فناوری مدیریت و کنترل موتور، طراحی فناوری‌های تبادل حرارت، شیمی مواد و ترکیبات سرامیکی دما بالا، مبنایی برای افزایش راندمان و رقابت‌پذیری تجاری موتورهای توربین گاز چرخه باز و بسته از جمله برای استفاده در سامانه‌های پیشرانش ریلی آینده فراهم می‌کند.
معرفی موتورهای توربینی
موتورهای توربین گاز متداول با چرخه باز، هوای اتمسفر را از طریق کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تولید توان عبور می‌دهند. بیشترین بازده سوخت تنها زمانی حاصل می‌شود که موتور در حداکثر توان خروجی کار کند. یعنی توربین با حداکثر دور و دمای ورودی توربین به چرخش درآید. با کاهش توان خروجی، بازده موتور به‌شدت کاهش می‌یابد.
در کاربردهای ریلی، شرکت یونیون پاسیفیک در مقطعی ناوگان کوچکی از لوکوموتیوهای توربین گاز-الکتریکی موسوم به GTEL داشت که برای کشیدن قطارهای باری سنگین در مسیرهای دارای شیب طولانی، در حداکثر توان و نقطه اوج بازدهی کار می‌کردند. با این حال، فعالیت با توان کاهش‌یافته در مسیرهای هموار، در مقایسه با لوکوموتیوهای دیزل-الکتریکی، منجر به مصرف سوخت و هزینه سوخت بالاتر می‌شد.
موتورهای توربین گاز کوچک در قطارهای مسافری کوتاه و نسبتا پرسرعت به‌کار گرفته شدند که در مناطق شمال‌شرقی و مرکزی آمریکا و همچنین بخش‌های مرکزی کانادا فعالیت می‌کردند. از جمله این قطارها می‌توان به توربولاینر و United Aircraft Turbo Train اشاره کرد. حرکت این قطارها با سرعت بالاتر و در سرویس‌های محدود ایستگاه این امکان را فراهم می‌کرد که موتورهای توربین گاز در محدوده نزدیک به حداکثر توان خروجی و در نزدیکی نقطه اوج بازدهی خود کار کنند. با این حال، در نهایت هم امترک و هم VIA Rail کانادا این قطارهای مسافری مجهز به سامانه پیشرانش توربین گاز را با تجهیزات ریلی مجهز به لوکوموتیوهای دیزل-الکتریکی جایگزین کردند.
شرکت امترک سامانه پیشرانش الکتریکی را در کریدور شمال‌شرقی، از نیوهیون در ایالت کنتیکت تا بوستون، توسعه داد و در سایر مسیرها، لوکوموتیوهای دیزل را برای سرویس قطارهای مسافری اختصاص داد. با این حال، امروزه توسعه مواد جدید و بهره‌گیری از سامانه‌های کنترل رایانه‌ای برای مدیریت عملکرد موتور، امکان طراحی و توسعه نسل جدیدی از موتورهای توربین گاز را فراهم کرده که می‌توانند برای استفاده در سامانه‌های پیشرانش ریلی مناسب باشند.
موتورهای امیدوارکننده در نسل‌های پیشین
توسعه‌دهندگان موتور که به مشکل بازده پایین مصرف سوخت در موتورهای توربین گاز پی برده بودند، از دهه ۱۹۶۰ به دنبال راهکارهای جایگزین رفتند. یکی از این راهکارها، استفاده از موتورهای توربین گاز چرخه بسته با گرمایش خارجی بود که در آن، همان گاز به‌صورت پیوسته در یک مدار بسته، از میان کمپرسورها و توربین به گردش درمی‌آید.
اگرچه این موتورها می‌توانستند حتی در ۲۵ درصد توان خروجی نامی نیز بازده بالایی ارائه دهند، اما مواد مورداستفاده در ساخت واحدهای تبادل حرارت در آن زمان با محدودیت‌های دمایی مواجه بودند. این محدودیت‌ها مانع دستیابی به حداکثر بازده و توان خروجی می‌شدند. عدم توسعه و دستیابی به مواد مناسب برای ساخت مبدل‌های حرارتی موجب شد روند توسعه بیشتر موتورهای توربین گاز چرخه بسته متوقف شده و این فناوری برای مدتی در وضعیت رکود قرار گیرد.
موتور توربین گاز چرخه مرکب یک موتور چرخه باز سه‌محوره بود که در ساختار خود شامل دو کمپرسور، سه توربین، دو محفظه احتراق و دو واحد تبادل حرارت بود. توربین پرفشار و توربین تولید توان روی محورهای مستقل می‌چرخیدند و هر یک دارای محفظه احتراق اختصاصی خود بودند. ناتوانی در کنترل دقیق و پیوسته نسبت هوا به سوخت به‌صورت دستی برای هر یک از محفظه‌های احتراق، باعث می‌شد موتور نتواند در شرایط بهینه عملکردی خود کار کند.
در نتیجه، در شرایط واقعی بهره‌برداری، موتور توربین گاز چرخه مرکب به‌ندرت می‌توانست در طیف وسیعی از توان‌های خروجی، به حداکثر بازده دست یابد. با وجود اینکه این فناوری چشم‌انداز و پتانسیل بسیار بالایی از خود نشان داده بود، توسعه بیشتر موتور توربین گاز چرخه مرکب در نهایت متوقف و دچار رکود شد.
پیشرفت‌های روزآمد
موتورهای احتراق داخلی پیستونی امروزی با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته عمل می‌کنند. استفاده از حسگرهای دبی جرمی هوا، حسگرهای نسبت هوا به سوخت، حسگرهای دمای هوا و سامانه تزریق سوخت تحت کنترل رایانه، موجب بهبود چشمگیر بازده مصرف سوخت شده‌است. از نظر تئوری، می‌توان چنین فناوری‌هایی را در موتور توربین گاز کلاسیک چرخه مرکب که پیش‌تر توضیح داده شد، به‌کار گرفت.
همچنین این امکان وجود دارد که فناوری‌های نسل جدید تبادل حرارت به این سامانه اضافه شوند، فناوری‌هایی که در دمای بسیار بالاتر و با اثربخشی بیشتر نسبت به فناوری‌های نسل‌های قبلی کار می‌کنند. فناوری مدرن مبدل حرارتی حلقوی با جریان مخالف که توسط اد پراشل توسعه یافته، می‌تواند به اثربخشی انتقال حرارت بیش از ۹۰ درصد دست یابد، در حالی که این مقدار در مبدل‌های حرارتی جریان مخالف نسل‌های پیشین حدود ۸۰ درصد بوده‌است.
واحد تبادل حرارت حلقوی با جریان مخالف را می‌توان برای استفاده در هر دو نوع موتور توربین گاز چرخه باز و چرخه بسته تطبیق داد. پره‌های توربین روزآمد از مواد سرامیکی ساخته می‌شوند که می‌توانند خواص مکانیکی خود را در دمای ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد حفظ کنند. این ویژگی امکان دستیابی به دمای احتراق ۱۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را بدون نیاز به خنک‌کاری پره‌های توربین فراهم می‌کند.
در حالی که مبدل‌های حرارتی نسل‌های پیشین از فولاد ضدزنگ ساخته می‌شدند، امروزه امکان استفاده از موادی مانند نیترید آلومینیوم و آرسنید بور با خلوص بالا برای ساخت مبدل‌های حرارتی در حال توسعه است. این مواد در مقایسه با فولاد، ضریب هدایت حرارتی بالاتری دارند و می‌توانند در دمای بسیار بالاتری نیز مورداستفاده قرار گیرند.
موتور چرخه مرکب ارتقایافته
موتور توربین گاز چرخه مرکب ارتقایافته شامل واحدهای تبادل حرارت حلقوی با جریان مخالف خواهد بود که در مسیر پایین‌دست هر دو کمپرسور کم‌فشار و پرفشار نصب می‌شوند. همچنین، تزریق سوخت تحت کنترل رایانه به محفظه‌های احتراقی انجام می‌شود که در بالادست توربین پرفشار و همچنین توربین توان خروجی قرار دارند.
توربین پرفشار با استفاده از یک نسبت هوا به سوخت بسیار رقیق و تحت کنترل رایانه کار خواهد کرد تا مقدار کافی اکسیژن در گازهای خروجی آن باقی بماند. وجود این اکسیژن امکان احتراق ثانویه را فراهم می‌کند تا شرایط لازم برای تداوم عملکرد توربین توان خروجی تامین شود. حسگرهای متصل به رایانه نیز به‌طور پیوسته خواص و مشخصات گازهای خروجی از توربین پرفشار را پایش خواهند کرد تا عملکرد کلی موتور در شرایط بهینه حفظ شود.
توان خروجی یک موتور توربین گاز چرخه مرکب که به‌صورت رایانه‌ای پایش و کنترل می‌شود، می‌تواند با توان جدیدترین موتورهای دیزلی لوکوموتیو، با توان نامی بیش از چهار هزار اسب بخار و بازده حرارتی نزدیک به ۵۰ درصد، رقابت کند. اگرچه موتور توربین گاز چرخه مرکب ابعاد نسبتا فشرده‌ای خواهد داشت، اما واحدهای تبادل حرارت که موجب بهبود عملکرد آن می‌شوند، حجم قابل‌توجهی از فضای داخلی بدنه لوکوموتیو را اشغال خواهند کرد. با توجه به امکان توسعه این موتور توربین گاز برای دستیابی به توان خروجی 6 هزار تا 8 هزار اسب‌بخار، در کاربردهای حمل‌ونقل ریلی بار لازم خواهد بود که به هر لوکوموتیو مجهز به توربین گاز، یک واحد کمکی بدون کابین متصل شود.
موتور توربین گاز چرخه بسته
موتورهای توربین گاز چرخه بسته با گرمایش خارجی، گاز عامل را به‌صورت پیوسته در یک مدار بسته به گردش درمی‌آورند و پس از خروج گاز از توربین تولید توان، آن را خنک کرده و مجددا وارد چرخه می‌کنند. در این موتورها، محفظه‌های احتراق مورداستفاده در موتورهای چرخه باز، با واحدهای تبادل حرارت دما بالا جایگزین می‌شوند. همچنین، کمپرسورهای کم‌فشار و پرفشار و توربین‌ها روی یک محور مشترک قرار دارند و این محور، یا یک ژنراتور الکتریکی یا یک جعبه‌دنده کاهنده را به حرکت درمی‌آورد.
موتورهای چرخه بسته را می‌توان به‌گونه‌ای طراحی کرد که با تغییرات گسترده در جرم گاز در گردش داخل مدار بسته کار کنند. این شیوه عملکرد باعث می‌شود موتور در محدوده وسیعی از توان‌های خروجی، بازده بالایی خود را حفظ کند، زیرا توربین‌ها با حداکثر دور طراحی‌شده می‌چرخند و گاز با حداکثر دمای مجاز طراحی‌شده وارد توربین می‌شود.
یک موتور چرخه بسته که در فشار متوسط داخلی پنج برابر فشار اتمسفر، توان 5 هزار اسب‌بخار تولید می‌کند، در صورتی که فشار متوسط سیستم به ۱ اتمسفر کاهش یابد، می‌تواند با بازده حرارتی مشابه، توان هزار اسب‌بخار تولید کند. در حین کارکرد موتور، بخشی از حرارت گاز خروجی مجددا در پایین‌دست کمپرسور پرفشار به چرخه موتور بازگردانده خواهد شد.
ترکیب حرارت دفع‌شده از خنک‌کننده میانی کمپرسور کم‌فشار و حرارت باقی‌مانده گازهای خروجی می‌تواند تا حدی به تداوم عملکرد یک موتور بخار چرخه پایینی کمک کند. توسعه آتی واحدهای تبادل حرارت دما بالا که از ترکیباتی مانند آرسنید بور با خلوص بسیار بالا و با هدایت حرارتی بالا ساخته می‌شوند، می‌تواند زمینه را برای حفظ و تضمین بازده بالای موتور فراهم کند.
انعطاف‌پذیری در مصرف سوخت
در حالی که موتورهای پیستونی دیزل لوکوموتیوها به سوخت مایع با مشخصات و خواص فیزیکی ـ شیمیایی بسیار مشخص نیاز دارند، موتورهای توربین گاز با احتراق داخلی دامنه تحمل سوخت بسیار گسترده‌تری دارند و می‌توانند با طیف وسیع‌تری از سوخت‌های مایع و گازی کار کنند، از جمله سوخت‌های کم‌هزینه‌ای که دارای خواص حلالیت بالا هستند.
موتورهای توربین گاز چرخه بسته با گرمایش خارجی می‌توانند با طیف بسیار گسترده‌تری از سوخت‌های مایع، گازی و حتی جامد کار کنند، بدون آنکه در اثر نوع سوخت، آسیب داخلی به موتور وارد شود. در بلندمدت، موتورهای توربین گاز در مقایسه با موتورهای دیزلی می‌توانند موجب کاهش هزینه سوخت و روانکاری موتور شوند و در عین حال، عمر کاری و سرویس‌دهی طولانی‌تری ارائه دهند.
موتور بخار چرخه پایینی
موتور توربین گاز چرخه مرکب دارای دو منبع حرارت دفع‌شده است که می‌توان از آن‌ها برای کمک به عملکرد یک موتور بخار و پیش‌گرم کردن آب در مسیر خروجی پمپ آب به سمت بویلر استفاده کرد. حرارت دفع‌شده از اینترکولر کمپرسور کم‌فشار می‌تواند به‌عنوان منبع اصلی پیش‌گرمایش عمل کند، در حالی که گازهای خروجی موتور توربین به‌عنوان یک منبع حرارتی ثانویه، دمای آب را بیش از پیش افزایش می‌دهند.
سپس با احتراق سوخت مایع یا گازی، آب پیش‌گرم‌شده به بخار تبدیل می‌شود و این بخار، توربین بخار را به حرکت درمی‌آورد و بدین ترتیب، موتور بخار می‌تواند با بازدهی بالاتری نسبت به حالت معمول به کار خود ادامه دهد.
اگر یک موتور توربین گاز با توان ۶ هزار اسب بخار با بازدهی حرارتی نزدیک به ۵۰ درصد کار کند، خنک‌کننده میانی و گازهای خروجی آن در مجموع می‌توانند معادل 6 هزار اسب‌بخار انرژی حرارتی آزاد کنند که از این انرژی می‌توان برای پیش‌گرم کردن آب و راه‌اندازی یک موتور بخار چرخه پایینی استفاده کرد.
یک موتور چرخه ترکیبی می‌تواند با استفاده از سوخت مایع یا گازی، به بازده حرارتی کلی معادل ۵۵ تا ۶۰ درصد دست یابد. موتور توربین گاز چرخه باز در مقایسه با موتورهای پیستونی رفت‌وبرگشتی انعطاف‌پذیری بیشتری در انتخاب سوخت دارد و می‌تواند با طیف متنوع‌تری از سوخت‌های دارای قیمت رقابتی به کار خود ادامه دهد. بازده حرارتی کلی بالاتر، در کنار هزینه پایین‌تر سوخت، قابلیت عرضه و رقابت‌پذیری تجاری موتور را افزایش می‌دهد.
موتور چرخه پایینی حالت جامد
فناوری حالت جامد که در آن از ساختارهای ویژه‌ای از سیلیسیم با عملیات شیمیایی استفاده می‌شود، به این صورت عمل می‌کند که یک سمت این ساختارها گرم شده و در سمت مقابل، سیال خنک‌کننده اعمال می‌شود. این فناوری می‌تواند به‌صورت مستقیم انرژی حرارتی را به توان الکتریکی تبدیل کند و در حال حاضر به بازده تبدیل حدود ۵ درصد دست می‌یابد.
پژوهش‌های آینده در زمینه تبدیل حالت جامد حرارت به توان الکتریکی مستلزم استفاده از فناوری هوش مصنوعی خواهد بود تا بتوان با افزایش بازده تبدیل، حرارت دفع‌شده موتور (حرارت گازهای خروجی) را به انرژی الکتریکی تبدیل کرد و از آن برای کمک به سامانه پیشرانش لوکوموتیو بهره گرفت. هدف ایده‌آل و بلندمدت پژوهش‌های مبتنی بر هوش مصنوعی، دستیابی به بازدهی هم‌سطح موتورهای دیزل در تبدیل انرژی حرارتی به توان الکتریکی خواهد بود.
جمع‌بندی
یک موتور توربین گاز سه‌محوره با چرخه باز که به فناوری‌های روزآمد مدیریت و کنترل الکترونیکی موتور مجهز باشد و به‌صورت دوتایی یا حتی سه‌تایی نصب شود، می‌تواند در محدوده وسیعی از توان‌های خروجی و حتی در چرخه‌های کاری طولانی‌مدت، با راندمان و قابلیت اطمینان بالا کار کند.
به همین ترتیب، یک موتور توربین گاز تک‌محوره با چرخه بسته که از فناوری روزآمد و در حال توسعه تبادل حرارت حلقوی مبتنی بر مواد سرامیکی بهره می‌برد، می‌تواند با سطح راندمان رقابتی و با استفاده از طیف گسترده‌ای از سوخت‌ها، از جمله انرژی حرارتی ذخیره‌شده، به فعالیت خود ادامه دهد. حرارت گازهای خروجی هر دو نوع موتور می‌تواند برای تداوم عملکرد یک موتور بخار چرخه پایینی مورد استفاده قرار گیرد و در نتیجه، موتور چرخه ترکیبی قادر خواهد بود به سطوح بسیار رقابتی از بازده حرارتی دست یابد.
در حالی که موتورهای دیزلی لوکوموتیو به حجم بسیار زیادی از روغن روانکاری نیاز دارند، موتورهای توربین گاز برای اطمینان از عملکرد صحیح یاتاقان‌های موتور تنها به کسری از این مقدار روانکاری نیاز دارند. همچنین موتورهای توربین گاز با حذف مشکل اصطکاک داخلی و سایش موتور که در اثر لغزش رینگ‌های پیستون روی دیواره سیلندرها ایجاد می‌شود، می‌توانند عمر مفید و قابل بهره‌برداری موتور را افزایش دهند.
اگرچه موتورهای توربین گاز از نظر ابعادی فشرده هستند، اما واحدهای تبادل حرارت متصل به آن‌ها حجم قابل‌توجهی را اشغال خواهند کرد. با این حال، این فضا احتمالا می‌تواند در داخل بدنه لوکوموتیو تامین شود. در مجموع، ترکیب یک موتور توربین گاز با یک موتور بخار چرخه پایینی می‌تواند به‌عنوان یکی از گزینه‌های آینده برای سامانه پیشرانش ریلی مطرح باشد.
منبع:
