شرکت صنایع سنگین میتسوبیشی (اماچآی) با هدف دستیابی به توربینهای گاز با درجه حرارت ورودی توربین بالاتر، در سال 1983، کار بر روی ماشین اماف-111 در کلاس 12-16 مگاوات را آغاز کرد. با بکارگیری فناوریهای خنککاری پیشرفته، دمای ورودی توربین این ماشین به 1250 درجه سانتیگراد رسانده شد. عملکرد و کارایی اماف-111 با بازخورد مثبت کاربران بهویژه در نیروگاههای تولید همزمان برق و حرارت روبرو شد و میتسوبیشی در 10 سال اول، بیش از 30 واحد از این ماشین را به فروش رساند. در ادامه این مسیر، شرکت ژاپنی اماچآی کار بر روی ماشین اماف-221 در کلاس 25 تا 35 مگاوات را آغاز کرد که در آن نیز دمای ورودی به توربین 1250 درجه سانتیگراد است.
میتسوبیشی درسآموختههای حاصل از توسعه توربین گازی اماف-111 را در این ماشین جدید بکار گرفت. در سال 1994، اولین آزمایش میدانی نمونه پیشتولیدی اماف-221 با موفقیت انجام شد. گرچه اماف-221 میراثدار نمونه قبلی اماف-111 بود، اما میتسوبیشی دستاوردهای فناورانه خود حاصل از اجرای فاز تحقیق و توسعه ماشینهای 501اف و 701اف، با درجه حرارت ورودی توربین بالاتر را در این ماشین 25 مگاواتی اعمال کرد.
برای مقایسه مشخصههای توربینهای گازی اماف-111 و اماف-221 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 0.67 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-111طراحی 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-111 بهسازی شدهاست. برای پره متحرک طبقه سوم توربین این ماشین، از نمونههای یکپارچهشده با شراود زِد شکل با مقاومت بالا در برابر ارتعاش استفاده شدهاست. ماده اولیه بسیار مقاوم امجیای -1400 توسعهیافته توسط شرکت اِماِچآی برای ساخت همه پرههای توربین این ماشین مورداستفاده قرار گرفت.
پره ثابت طبقه اول توربین با استفاده از هوای تخلیهشده از کمپرسور خنک میشود، در حالیکه پرههای ثابت طبقه دوم با استفاده از هوای مکیدهشده از طبقه 13 کمپرسور خنک میشود. برای خنککاری پرههای متحرک و روتور، هوای تخلیهشده کمپرسور در یک محفظه خارجی به دمای 200 درجه سانتیگراد رسانده شده و سپس برای خنککاری مورداستفاده 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-221 مورد آزمایش قرار گرفت و دادههای حاصل از این آزمایش، در بهسازی در فاز طراحی جزئی بکار 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 پیشتولیدی اماف-221 در ژوئیه 1994 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-221 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 پیشبینیشده، 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 تزریقشده به حدود مجاز موردنظر رسیدهاست. برای صحهگذاری قابلیتاطمینان محفظه احتراق دمای سطح فلز، نوسانات فشار و تنشهای ارتعاشی اندازهگیری شد. دمای سطح فلز با استفاده از ترموکوپلهای تعبیهشده 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 غیرتماسی با استفاده از حسگرهای اپتیکال برای طبقه دوم کمپرسور اندازهگیری شد و همین پارامترها با نصب کرنشسنج بر روی پره ثابت طبقه 12 کمپرسور نیز به دست آمدند.
منبع:
*پیشتازی میتسوبیشی در بازارهای جهانی توربین گازی
*سکوی مونتاژ توربین گازی ۱۱۸ مگاوات میتسوبیشی
