 |
| التوربينات الغازية: ما هي وكيف تعمل ومكوناتها وأنواعها |
استخدمت التربينة الغازية في عدة تطبيقات منها: المحركات النفاثة ، الآلات الميكانيكية الدوارة في البر والبحر والجو ، الليزر الغازي ، أنفاق الرياح فوق الصوتية ، المولدات الكهربية. كما يمكننا القول بان كل الطاقة الكهربية على وجه الأرض منتجة بإحدى أنواع التربينات. وفي هذا المقال سنتعرف علي التربينة الغازية وكيف تعمل ومكوناتها وأنواعها
ما هو التوربين الغازي Gas Turbine
تعتبر التربينة الغازية والتي تسمى بتربينة الاحتراق "Combustion Turbine" آلة دوارة تسحب الطاقة من مجرى الغاز المحترق. ولها ضاغط عند مدخلها وتربينه عند مخرجها وغرفة احتراق بينهما.
تضاف الطاقة للغاز في غرفة الاحتراق والتي يحترق فيها خليط الهواء والوقود. .تزيد عملية الاحتراق من درجة حرارة الغاز كما تزيد من سرعته وحجمه. ويتم توجيه هذا الغاز من خلال فوهة إلي ريش التربينة والتي تعمل على تدوير التربينة كما تقوم بتشغيل الضاغط.
لهذا النوع من التوربينات استخدامات كثيرة فهو يستخدم في الطائرات ذات الدفع النفاث ووسائط النقل البحري والبري إضافة لاستخدامه في محطات توليد الطاقة الكهربائيه وخصوصا في تجاوز ساعات الذروة. من مزاياه سرعة التشغيل (بعكس التوربين البخاري الذي
يحتاج إلى ترتيبات وتحضير أولي).
 |
| التوربينة الغازية كمولد كهربائي |
يعمل التوربين الغازي على أنواع كثيرة من الوقود، فهو يعمل على الغاز الطبيعي وعلى السولار والجازولين وحتى على النفط الخام (مع بعض الإضافات الكيمياوية والترتيبات).
من عيوب التوربين الغازي هو انخفاض كفاءته (Efficiency) حيث تتراوح بين %10-25 وتتأثر كثيرا بدرجة حرارة المحيط (درجة حرارة الجو)، كما أن عمرها التشغيلي قصير نسبيا وتستهلك كمية اكبر من الوقود (بالمقارنة مع المحطات البخارية).
مكونات التربينة الغازية
 |
| مكونات التربينة الغازية |
يتكون التوربين الغازي من المكونات الرئيسية التالية:
الضاغط: Compressor
يكون الضاغط في بداية التربينة الغازية. وهناك نوعان من الضواغط دائما ما تستخدم في التربينات الغازية، وهما الضاغط الدوراني والضاغط ذو الطرد المركزي.
إن وظيفة الضاغط في منظومة التربينة الغازية هي توفير الهواء ذو الضغط العالي والحجم العالي والذي عندما يسخن يتمدد في قطاع التربينة ويعطي القدرة اللازمة للتربينة الغازية والتي تستخدم في دفع المحركات الميكانيكية وفي المولدات. ويوضَح أداء الضاغط دائما كعلاقة بين سمت الضغط وسريان الهواء. يركب الضاغط على نفس المحور الذي تركب عليه التربينة.
منظومة الاحتراق ( غرفة الاحتراق ) Combustion System
تتكون منظومة الاحتراق وتعرف أيضا بغرفة الاحتراق أو الحارق burner من غلاف ذ ضغط عالي ومجرى ناشر diffuser duct وآلة الحرق combustor وفوهة الوقود fuel nozzle ومجرى الانتقال. إن وظيفة منظومة الاحتراق هي حرق الوقود وإنتاج غاز ذو ضغط عالي وسرعة عالية.يضاف الوقود إلى الهواء ذو الضغط العالي في غرفة الاحتراق لإنتاج غاز ذو سرعة عالية. يوجد أنبوب الوقود في منتصف غرفة الاحتراق. وتوجد سلسلة من الفتحات في أنبوب الاحتراق لتسمح بدخول الهواء المضغوط ليختلط مع الوقود بالنسبة المحددة.
تستخدم شعلة لبداية عملية الاحتراق. تكون عملية إضافة الوقود والهواء المضغوط مستمرة. تستمر عملية الاحتراق بدون شعلة بعد بداية الاحتراق.
 |
| شكل مبسط لغرفة الاحتراق في التوربين الغازي |
وجد انه كلما كان تصميم الفتحات في أنبوب الاحتراق جيداً وكانت صغيرة الحجم كلما كانت عملية الخلط بين الوقود والهواء المضغوط جيدة وكان الاحتراق كاملا.
التربينة Turbine
تولد التربينة الطاقة الحركية من الغازات المتمددة ذات السرعة العالية والضغط العالي القادمة من منظومة الاحتراق. يتم تحويل هذه الطاقة إلى قدرة حصانيه لذراع الإدارة .بجانب التربينات الغازية هناك تربينات البخار وتربينات الماء وتربينات الرياح. تسمي أيضا التربينات بأسماء بعض المواد التي تدخل في صناعتها كتربينات السيراميك.
نظرية عمل التربينة الغازية
تعتمد نظرية عمل التربينة الغازية على ضغط الهواء خلال الضاغط وتمريره إلى غرفة الاحتراق حيث تتم عملية احتراق خليط الهواء المضغوط مع الوقود عند ضغط ثابت في غرفة الاحتراق وبعدها تذهب الغازات عن طريق فوهات إلى التربينة حيث تدور التربينة وتستخدم هذه الطاقة الحركية في الغرض الذي من اجله تم تصنيع التربينة.إن الزيادة في درجة حرارة الاحتراق في الآلات الحرارية الدوارة يؤدي إلى زيادة في كفاءة الآلة.
إن ارتفاع درجة حرارة الاحتراق يجب ألا تحده حدود إلا قدرة المادة المصنعة منها الآلة على تحمل الحرارة والضغط. يهتم مصنعو هذه التربينات وبصورة معتبرة في الحفاظ على أجزاء التربينة باردة.
 |
| توزريع الضغط ودرجة الحرارة في التربينة الغازية |
إن التربينات الحديثة المعقدة كتلك التي تستخدم في الطائرات تحتوي على أكثر من عامود إدارة shaft ومئات من ريش التربينة ومنظومة ضخمة من الأنابيب المعقدة وغرف الاحتراق والمبادلات الحرارية.
أنواع التوربينات الغازية Types of Gas Turbines
تصنف التربينات الغازية حسب استخدامها إلى:المحركات النفاثة "Jet Engin"
تعتبر المحركات النفاثة تربينات غازية تم تحويرها لإنتاج قوة الدفع من الغازات.وحدات الطاقة المساعدة "Auxiliary Power Units"
تعتبر هذه تربينات غازية صغيرة مصممة لإنتاج الطاقة المساعدة من الآلات الكبيرة كتلك الموجودة داخل الطائرات وتستخدم في إنتاج الهواء المضغوط المستخدم في عملية التهوية داخل الطائرة.التربينات الغازية الصناعية لتوليد الكهرباء Industrial Gas Turbines :
تختلف التربينات الصناعية من التربينات الأخرى في أن إطارها وكراسي التحميل فيها والريش تكون دائما من النوع الثقيل في التصنيع. تتدرج التربينات الصناعية من الحجم الذي يستخدم في المقطورات إلي نظم ضخمة ومعقدة.يمكن لهذه التربينات أن تكون ذات كفاءة عالية (تصل إلى %60) إذا ما استخدمت الحرارة المطرودة في مولد بخاري لإدارة تربينه بخارية تقليدية لإنتاج شغل ميكانيكى (تربينه ذات دائرة مزدوجة Combined).
ويمكن أيضا أن يتم إنتاج دائرة تعرف بالدائرة ذات التوليد المزدوج Cogeneration ، حيث تستخدم الحرارة المطرودة في العادم في تسخين الماء وفي عمليات التدفئة أو تدوير مثلجات دوائر التبريد الامتصاصية.
تنتج التربينة الغازية العادية من 100 إلى 300 ميجاوات بكفاءة حرارية من %35 إلي %40.