از زمان اختراع توربینهای گازی امروزی در مقایسه با سایر تجهیزات تولید قدرت، زمان زیادی نمی گذرد. با این وجود امروزه این تجهیزات به عنوان سامانه های مهمی در امر تولید قدرت مكانیكی مطرح می باشند. از تولید انرژی برق گرفته تا پرواز هواپیماهای مافوق صوت همگی وابسته به استفاده از این وسیله سودمند می باشند. ظهور توربینهای گازی باعث پیشرفت زیادی در رشته های مهندسی مكانیك، متالورژی و سایر علوم مربوطه گشته است. بطوری كه پیدایش سوپرآلیاژهای پایه نیكل و تیتانیوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره های ثابت و متحرك توربینها كه دماهای بالایی در حدود 1500 درجه سانتیگراد و یا بیشتر را متحمل می شوند, از سرعت بیشتری برخوردار شد. به همین خاطر امروزه به تكنولوژی توربینهای گازی تكنولوژی مادر گفته می شود و كشوری كه بتواند توربینهای گازی را طراحی كند و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید كند.
همانطور كه بیان گردید از این تجهیزات در نیروگاهها برای تولید برق ( معمولا برای جبران بارپیك) موتورهای جلوبرنده (هواپیما،كشتیها و حتی خودروها)، در صنایع
نفت و
گاز برای به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده می شود كه امروزه كاربرد توربینهای گازی در حال گسترش می باشد.
اجزای یك توربین گازی
یك توربین گازی شامل این بخشهاست: ورودی هوا (یا Air Intake)، كمپرسور، محفظه احتراق و توربین، و اگزوز.
سیكل توربین گازی:
سیكل ترمودینامیكی توربین گازی سیكل استاندارد هوایی یا برایتون می باشد كه در حالت ایده ال مطابق شكل زیر شامل دو فرایند ایزنتروپیك در كمپرسور و توربین و دو فرایند ایزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهامیباشد
سیكلهای توربینهای گازی در دونوع باز و بسته می باشند. در سیكل باز ( شكل فوق) گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه می شوند كه این سیكل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد. در نوع بسته كه عمدتاً در نیرو گاههای برق مورد استفاده قرار می گیرد گازهای خروجی از توربین ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور كرده و بعد از خنك شدن مجددا وارد كمپرسور گردیده و سیكل تكرار می شود.
همانطوركه قبلا بیان گردید توربینهای گازی از نظر كاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می گیریند. كه ذیلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهیم نمود.
توربینهای گازی صنعتی:
منظور از توربینهای گازی صنعتی اشاره به كاربرد آنها غیر از بخش هوانوردی می باشد. در شكل زیر شمایی از یك واحد تولید نیروی برق توسط توربین
گاز , نشان داده شده است.
توربینهای گازی كه در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی می باشند كه شكل قبل نوعی از این توربینها با ظرفیت 400 مگاوات را نشان می دهد.
توربینهای گازی هوایی یا موتورهای جت:
همانطور كه گفته شد سیكل توربینهای گازی موتورهای هواپیما شبیه به توربینهای گازی صنعتی می باشد بجز اینكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از یك دیفیوزر و بعداز توربین از یك نازی برای بالا بردن سرعت گازهای خروجی و حركت هواپیما به سمت جلو استفاده می كنند. این گازهای پرسرعت بر هوای خارج از موتور نیرویی وارد می كنند كه طبق قانون سوم نیوتن نیروی عكس العمل آن سبب حركت هواپیما به سمت جلو می شود. شایان ذكر است كه نازل در هواپیماهای جت از نوع متغیر می باشد. یعنی دهانه آن با توجه به دبی (گذرجرمی) گازهای خروجی قابل تغییرو تنظیم است.
موتورهای هواپیما انواع مختلفی دارند كه به دو سته كلی تقسیم می شوند:
1- موتورهای پیستونی:
كه از نظر كاری شبیه به موتور خودروها می باشند.
2- موتورهای توربینی:
این موتورها به سه دسته كلی توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسیم بندی می شوند.
توربوجتها اولین موتورهای جت می باشند كه امروزه به دلیل مسائلی مثل صدای زیاد و آلودگی محیط زیست بجز در موارد خاص استفاده ای از انها نمی شود. توربوفنها نوع پیشرفته موتورهای توربوجت هستند. به این صورت كه ردیف اول كمپرسور در این موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداری از هوای ورودی به موتور را از اطراف موتور by pass كرده كه این عمل علاوه بر افزایش نیروی جلوبرندگی باعث كاهش صدا,آلودگی محیطی و... می شود.
در موتورهای توربوفن با اتصال یك ملخ به گیربكس و سپس به كمپرسور , نیروی جلوبرندگی ایجاد می شود. در این حالت سعی می شود كه بیشترین انرژی جنبشی گازها صرف چرخاندن توربین و از آنجا كمپرسور و در نتیجه ملخ شود. وجود گیربكس به این خاطر است كه سرعت دورانی ملخ از حد معینی تجاوز نكند. یعنی باید سرعت انتهای ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد. زیرا سرعتی بیش از این سبب ایجاد ارتعاشات شدید و در نتیجه شكستگی ملخ می شود.
موتورهای توربوشفت نیز نوعی موتور توربوپراپ می باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هلیكوپترها استفاده می شود.بطور كلی موتورهای توربوپراپ بدلیل اینكه در ارتفاع پروازی كم از قدرت زیادی برخوردار هستند از آنها در هواپیماهای ترابری استفاده می شود