متن زير بصورت كامل در يك فايل ورد 2007 ذخيره شده است كه مي توانيدآن را از اينجا دانلود كنيد

واژهٔ توربین برای اولین بار به وسیله كلود بردين ( ۱۷۹۰-۱۸۷۳) در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده‌است. توربین موتوری چرخنده‌است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد.ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.مقدمه
مهم ترین نوع توربین ها، توربین های گازی هستند. از زمان تولد این توربین ها در مقايسه با ساير تجهيزات توليد قدرت , زمان زيادي نمي گذرد . با اين وجود امروزه اين تجهيزات به عنوان سامانه هاي مهمي در امر توليد قدرت مكانيكي مطرح مي باشند . از توليد انرژي برق گرفته تا پرواز هواپيماهاي مافوق صوت همگي مرهون استفاده از اين وسيله سودمند مي باشند . ظهور توربينهاي گازي باعث پيشرفت زيادي در رشته هاي مهندسي مكانيك , متالورژي و ساير علوم مربوطه گشته است . بطوري كه پيدايش سوپرآلياژهاي پايه نيكل و تيتانيوم به خاطر استفاده آنها در ساخت پره هاي ثابت و متحرك توربينها كه دماهاي بالايي در حدود 1500 درجه سانتيگراد و يا بيشتر را متحمل مي شوند, از سرعت بيشتري برخوردار شد . به همين خاطر امروزه به تكنولوژي توربينهاي گازي تكنولوژي مادر گفته مي شود و كشوري كه بتواند توربينهاي گازي را طراحي كند و بسازد هر چيز ديگري را هم مي تواند توليد كند .





انواع توربین
• توربین‌های بخار: برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به کار برده می‌شوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.

• توربین های بادی: این توربین ها انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي نمايند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده و در نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود.

• توربین‌های گازی: این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.

• توربین‌های ترانسونیک: جریان گاز در اکثر توربین‌ها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربین‌ها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربین‌ها در فشار بالاتری کار می‌کند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.

• توربین‌های کنترا رتاتینگ: دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم می‌چرخند این سیستم پیچیدگی‌هایی دارد که تولید آن را کاهش می‌دهد.

• توربین‌های سرامیک: توربین‌های با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته شده‌اند معمولا دارای سیستم‌های خنک کننده پیچیده هستند اخیرا پره‌های سرامیکی روی توربین‌های گازی امتحان شده‌است.

توربین های بادی:


انرژي هاي بادي جهت توليد الكتريسيته و نيز پمپاژ آب از چاهها و رودخانه ها، آرد كردن غلات، كوبيدن گندم، گرمايش خانه و مواردي نظير اينها مي توان استفاده نمود. استفاده از انرژي بادي در توربين هاي بادي كه به منظور توليد الكتريسته بكار گرفته مي شوند از نوع توربين هاي سريع محور افقي مي باشند. هزينه ساخت يك توربين بادي با قطر مشخص، در صورت افزايش تعداد پره ها زياد مي شود.





نحوه ی عملکرد توربین های بادی
توربين هاي بادي انرژي جنبشي باد را به توان مكانيكي تبديل مي کنند و اين توان مكانيكي از طريق شفت به ژنراتور انتقال پيدا كرده و در نهايت انرژي الكتريكي توليد مي شود. توربين هاي بادي بر اساس يك اصل ساده كار مي كنند. انرژي باد دو يا سه پره اي را كه بدور روتور توربين بادي قرار گرفته اند را بچرخش در مي آورد. روتور به يك شفت مركزي متصل مي باشد كه با چرخش آن ژنراتور نيز به چرخش در آمده و الكتريسيته توليد مي شود.
توربين هاي بادي بر روي برج هاي بلندي نصب شده اند تا بيشترين انرژي ممكن را دريافت كنند بلندي اين برج ها به 30 تا 40 متر بالاتر از سطح زمين مي رسند. توربين هاي بادي در بادهايي با سرعت كم يا زياد و در طوفان ها كاملا مفيد مي باشند. همچنين مي توانيد براي درك بهتر چگونكي عملكرد يك توربين بادي به انيميشني كه به همين منظور تهيه شده توجه كنيد تا با چگونگي چرخش پره ها٬ شفت و انتقال نيروي مكانيكي به ژنراتور و در كل نحوه عملكرد يك توربين بادي آشنا شويد.
توربينهاي بادي مدرن به دو شاخه اصلي مي‌شوند :
1- توربينهاي با محور افقي
2- توربينهاي با محور عمودي
مي‌توان از توربينهاي بادي با كاركردهاي مستقل استفاده نمود، و يا مي‌توان آنها را به يك ”شبكه قدرت تسهيلاتي“ وصل كرد يا حتي مي‌توان با يك سيستم سلول خورشيدي يا فتوولتائيك تركيب كرد. عموماً از توربينهاي مستقل براي پمپاژ آب يا ارتباطات استفاده مي‌كنند ، هرچند كه در مناطق بادخيز مالكين خانه‌ها و كشاورزان نيز مي‌توانند از توربينها براي توليد برق استفاده نمايند مقياس كاربردي انرژي باد، معمولا ً‌تعداد زيادي توربين را نزديك به يكديگر مي‌سازند كه بدين ترتيب يك مزرعه بادگير را تشكيل مي‌دهند.

• باد سنج: اين وسيله سرعت باد را اندازه گرفته و اطلاعات حاصل از آنرا به كنترل كننده ها انتقال مي دهد.
• پره ها : بيشتر توربين ها داراي دو يا سه پره مي باشند. وزش باد بر روي پره ها باعث بلند كردن و چرخش پره ها مي شود.
• ترمز : از اين وسيله براي توقف روتور در مواقع اضطراري استفاده مي شود. عمل ترمز كردن مي تواند بصورت مكانيكي ٬ الكتريكي يا هيدروليكي انجام گيرد.
• كنترولر : كنترولر ها وقتي كه سرعت باد به 8 تا 16 متر بر ساعت ميرسد ما شين را٬ راه اندازي مي كنند و وقتي سرعت از 65 متر بر ساعت بيشتر مي شود دستور خاموش شدن ماشين را مي دهند. اين عمل از آن جهت صورت ميگيرد كه توربين ها قادر نيستند زماني كه سرعت باد به 65 متر بر ساعت مي رسد حركت كنند زيرا ژنراتور به سرعت به حرارت بسيار بالايي خواهد رسيد.
• گيربكس : چرخ دنده ها به شفت سرعت پايين متصل هستند و آنها از طرف ديگر همانطور كه در شكل مشخص شده به شفت با سرعت بالا متصل مي باشند و افزايش سرعت چرخش از 30 تا 60 دور در ساعت به سرعتي حدود 1200 تا 1500 rpm را ايجاد مي كنند. اين افزايش سرعت براي توليد برق توسط ژنراتور الزاميست. هزينه ساخت گيربكس ها بالاست درضمن گير بكس ها بسيار سنگين هستند. مهندسان در حال انجام تحقيقات گسترده اي مي باشند تا درايو هاي مستقيمي كشف نمايد و ژنراتورها را با سرعت كمتري به چرخش درآورند تا نيازي به گيربكس نداشته باشند.
• ژنراتور : كه وظيفه آن توليد برق متناوب مي باشد.
• شفت با سرعت بالا : كه وظيفه آن به حركت در اوردن ژنراتور مي باشد.
• شفت با سرعت پايين : رتور حول اين محور چرخيده و سرعت چرخش آن 30 تا 60 دور در دقيقه مي باشد.
• روتور : بال ها و هاب به روتور متصل هستند.
• برج : برج ها از فولاد هايي كه به شكل لوله درآمده اند ساخته مي شوند. توربين هايي كه بر روي برج هايي با ارتفاع بيشتر نصب شده اند انرژي بيشتري دريافت مي كنند.
• جهت باد : توربين هايي كه از اين فن آوري استفاده مي كنند در خلاف جهت باد نيز كار مي كنند در حالي كه توربين هاي معمولي فقط جهت وزش باد به پره هاي آن بايد از روبرو باشد.
• باد نما : وسيله اي است كه جهت وزش باد را اندازه گيري مي كند و كمك مي كند تا جهت توربين نسبت به باد در وضعيت مناسبي قرار داشته باشد.
• درايو انحراف : وسيله ايست كه وضعيت توربين را هنگاميكه باد در خلاف جهت مي وزد كنترول مي كند و زماني استفاده مي شود كه قرار است روتور در مقابل وزش باد از روبرو قرار گيرد اما زماني كه باد در جهت توربين مي وزد نيازي به استفاده از اين وسيله نمي باشد.
• موتور انحراف : براي به حركت در آوردن درايو انحراف مورد استفاده قرار مي گيرد.

توربین بخار
یکی از بهترین گزینه های برای ساخت نیروگاههای حرارتی استفاده از توربین های بخار است چون این توربین ها عمر طولانی دارند و با توجه به اینکه در حرارت و فشار کمتری در مقایسه با توربین های گازی کار می کنند عمر طولانی تری هم دارند و نیز کمتر به تعمیرات اساسی نیاز دارند . از این رو می توان از آنها بعنوان توربین های برای تولید برق پایه کمک گرفت .
اما عیب عمده آنها این است که اولا دستگاههای پر حجم و بزرگی هستند جای زیادی را اشغال می کنند و ثانیا دیر وارد مدار می شوند و مدتی برای پیش گرم کردن آنها باید زمان صرف شود . از همه اینها گذشته توربین های بخاز نیاز به نصب دیگ های بخار دارند که این نیز خودش نیاز به تاسیسات و فضای فراوان دارد . و نیز تاسیساتی برای تصفیه آب مورد نیاز برای تغذیه دیگ بخار که همه آنها مستلزم صرف هزینه و فضای لازم است . اما با این حال استفاده از توربین های بخار یک سرمایه گذاری دائمی و با ارزش است نمونه اش نیروگاه حرارتی رامین اهواز که در شمال اهواز قرار دارد و بخش عمد ه ای از برق ما را تامین می کند .
ولی حیف که فقط همین یک نیروگاه است در صورتیکه باید دست کم دهها نوع از این نیروگاههای بخار در همین استان خودمان وجود داشته باشد چون ما این همه منابع عظیم گاز در خوزستان داریم که هنوز هم که هنوز است دارد هدر می رود و متاسفانه سوزانده می شوند . جالب است که آمریکا هم اکنون بیشترین نیروگاههای برق هسته ای و نیروگاههای برق بخاری را در اختیار دارد و این درس عبرتی است برای ما که اگر نمی توانیم نیروگاههای برق اتمی داشته باشیم * دست کم اقدام به ساخت نیروگاههای برق حرارتی از طریق توربین های بخار می کردیم !
که ما در هر دو زمینه اهمال و سهل انگاری فراوان کرده ایم اگر وقایع دهه 50 نبود الان قطعا دهها نیروگاه برق اتمی داشتیم . و صد درصد صدها نیروگاه برق حرارتی احداث شده بود وحالا با این کمبودها مواجه نبودیم .




نیروگاههای برق حرارتی که با توربین بخار کار می کنند انرژی حرارتی سوخت های فسیلی نظیر ذغال سنگ و گاز و نفت را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند . اغلب واحدهای تولید برق از طریق بخار در ایالات متحده آمریکا وجود دارند .
سوخت هایی که رد دیگ بخار سوزانده می شوند گرمای خود را صرف گرم کردن آب دیگ بخار و تولید بخار فوق گرم و پر فشار می شود که چرخاندن توربینهای بخار استفاده می شود این بخار هنگامی که وارد توربین بخار می شود منبسط شده و گرما و فشار خود را از دست می دهد و تبدیل به انرژی مکانیکی می کند که صرف چرخاندن پره های توربین می شود و سب چرخاندن محور توربین بخار می شود که آنهم به یک ژنراتور برق متصل است و باعث چرخاندن ژنراتور و تولید برق می گردد .
بخار خروجی از توربین نیز به کندانسور)چگالنده( فرستاده می شود و پس از سرد شدن و تبدیل شدن به آب مجددا به دیگ بخار فرستاده می شود تا برای تولید بخار مورد استفاده قرار گیرد و این چرخه مرتب تکرار می شود . این فرآیند را می توان برای همه سوخت های فسیلی مورد استفاده قرار داد و اساس آن برای همه انها یکسان است . تنها در مورد ذغال سنگ ابتدا باید ذعال را خرد کرد تا آسان تر سوخته شود و البته خاکستری هم دارد که باید تخلیه شود .
نقت هم که غالب نفت کوره واز فرآورده های پائینی برج تقطیر است را بصورت اسپری بدرون محفظه احتراق دیک بخار می پاشند سوخت های گازی نیز نظیر گاز های بی ارزش وتصفیه نشده هم مسقیما به مشعل دیگ بخار فرستاده می شوند تا سوزانده شوند . در شرکت ما که لین گاز به فور وجود دارد از همین روش برای سوخت دیگهای بخار واحد يو تي500 استفاده می شود . سوخت مایع هم بصورت اسپری و ذرات ریز به درون هوای داغ پاشیده می شود . که می تواند گازوئیل یا سوخت های کم ارزش تر و از جمله نفت کوره باشند .
 
توربین ها ی گازی


از توربین های گازی در نيروگاهها براي توليد برق ( معمولا براي جبران بارپيك) موتورهاي جلوبرنده (هواپيما ,كشتيها و حتي خودروها) , در صنايع نفت و گاز براي به حركت درآوردن پمپها و كمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و... استفاده مي شود كه امروزه كاربرد توربينهاي گازي در حال گسترش مي باشد . توربينهاي گازي از نظر كاربردي به دو گروه صنعتي و هوايي تقسيم مي شوند كه نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردي مورد استفاده قرار مي گيريند . كه ذيلا در ارتباط با هركدام از آنها بحث خواهيم نمود .

توربينهاي گازي صنعتي :
منظور از توربينهاي گازي صنعتي اشاره به كاربرد آنها غير از بخش هوانوردي مي باشد . در شكل زير شمايي از يك واحد توليد نيروي برق توسط توربين گاز , نشان داده شده است .


توربينهاي گازي كه در صنعت برق مورد استفاده قرار مي گيرند داراي ظرفيتهاي متفاوتي مي باشند.
توربينهاي گازي هوايي يا موتورهاي جت :

همانطور كه گفته شد سيكل توربينهاي گازي موتورهاي هواپيما شبيه به توربينهاي گازي صنعتي مي باشد بجز اينكه قبل از ورود هوا به كمپرسور از يك ديفيوزر و بعداز توربين از يك نازي براي بالا بردن سرعت گازهاي خروجي و حركت هواپيما به سمت جلو استفاده مي كنند . اين گازهاي پرسرعت بر هواي خارج از موتور نيرويي وارد مي كنند كه طبق قانون سوم نيوتن نيروي عكس العمل آن سبب حركت هواپيما به سمت جلو مي شود . شايان ذكر است كه نازل در هواپيماهاي جت از نوع متغير مي باشد . يعني دهانه آن با توجه به دبي (گذرجرمي) گازهاي خروجي قابل تغييرو تنظيم است .
موتورهاي هواپيما انواع مختلفي دارند كه به دو سته كلي تقسيم مي شوند :

1- موتورهاي پيستوني :
كه از نظر كاري شبيه به موتور خودروها مي باشند.
2- موتورهاي توربيني :
اين موتورها به سه دسته كلي توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسيم بندي مي شوند. توربوجتها اولين موتورهاي جت مي باشند كه امروزه به دليل مسائلي مثل صداي زياد و آلودگي محيط زيست بجز در موارد خاص استفاده اي از انها نمي شود . توربوفنها نوع پيشرفته موتورهاي توربوجت هستند . به اين صورت كه رديف اول كمپرسور در اين موتورها به عنوان فن عمل كرده و مقداري از هواي ورودي به موتور را از اطراف موتور باي پس كرده كه اين عمل علاوه بر افزايش نيروي جلوبرندگي باعث كاهش صدا,آلودگي محيطي و ... مي شود .
در موتورهاي توربوفن با اتصال يك ملخ به گيربكس و سپس به كمپرسور , نيروي جلوبرندگي ايجاد مي شود . در اين حالت سعي مي شود كه بيشترين انرژي جنبشي گازها صرف چرخاندن توربين و از آنجا كمپرسور و در نتيجه ملخ شود . وجود گيربكس به اين خاطر است كه سرعت دوراني ملخ از حد معيني تجاوز نكند . يعني بايد سرعت انتهاي ملخ از عدد ماخ كوچكتر باشد . زيرا سرعتي بيش از اين سبب ايجاد ارتعاشات شديد و در نتيجه شكستگي ملخ مي شود.

موتورهاي توربوشفت نيز نوعي موتور توربوپراپ مي باشند كه از آنها جهت به حركت درآوردن هليكوپترها استفاده مي شود .بطور كلي موتورهاي توربوپراپ بدليل اينكه در ارتفاع پروازي كم از قدرت زيادي برخوردار هستند از آنها در هواپيماهاي ترابري استفاده مي شود









اجزاي توربينهاي گازي :
به طور كلي كليه توربينهاي گازي از سه قسمت تشكيل مي شوند :
كمپرسور،محفظه احتراق، توربين
• كمپرسور : هوا از محيط اطراف به داخل كمپرسور هدايت مي شود و در كمپرسور، هوا از بين پره‌هاي ثابت و متحرك (روتور و كمپرسور ) عبور كرده و فشرده مي شود و از طريق يك مجراي خروجي از كمپرسور خارج شده و به محفظه احتراق مي رود.

• محفظه احتراق : هوا و سوخت در محفظه احتراق با يكديگر مخلوط شده و محترق مي‌شوند و گازهايي با دماي بالا ايجاد مي كند. از آنجا كه در اين توربين ها گاز حاصل از احتراق به شكل ديگري از انرژي تبديل مي شود و گاز داغ حاصل از احتراق به عنوان سيال حامل انرژي استفاده مي شود به آن توربين گازي گفته مي‌شود.از هواي خروجي كمپرسور فقط يك سوم با سوخت مخلوط مي شود و بخشي از آن به اطراف محفظه احتراق جريان يافته و براي خنك نگه داشتن ديواره ها بكار مي رود و بخشي از آن ، قبل از اينكه گازهاي داغ به قسمت توربين انتقال يايد با آن مخلوط مي شود تا دماي آن به 900 تا 1200 درجه كلوين برسد.


• توربين : در توربين انرژي گاز داغ با فشار بالا كه توسط كمپرسور و محفظه احتراق ايجاد شده است به انرژي مكانيكي تبديل مي شود در واقع انبساط گاز و نيروي ضربه حاصل از برخورد گاز به پره هاي متحرك توان توربين گازي را تامين مي كند و از اين توان دو سوم صرف فشرده شدن هوا مي شود و بقيه صرف كارهاي ديگري مانند توليد برق يا راندن مكانيكي مي‌شود.
علاوه بر موارد بالا، براي افزايش كارايي توربين گازي ممكن است شامل كولرهاي خنك كننده بين كمپرسور ها ، مبدلهاي حرارتي بين توربين ها و مبدل هاي حرارتي براي گرم كردن هواي ورودي به محفظه احتراق باشد.

قسمت توربین، در توربین های گازی:
• توربين گازي تك محوري :اگر استفاده از توربين گازي به منظور توليد تواني ثابت (سرعت و توليد ثابت) مدنظر باشد در اين صورت به كارگيري توربين گازي تك محوري مناسبتر است در اين نوع واحدها ، كارايي در حالت توليد توان پايين ، كم بوده و لذا مورد توجه نيست .
• توربين گازي دو محوري : نوع ديگر توربين گازي دو محوري است كه در آن ، از محورها با سرعت متفاوتي بهره برداري مي‌شود هر يك از اين محورها، توربيني با توان متفاوت دارد و براي شرايطي كه محدوده وسيعي از توان مورد نياز است از آن استفاده ميشود اين نوع واحدها در حمل ونقل زميني و دريايي مانند راه آهن و مقاصد دريايي به كار گرفته مي شود اين نوع توربين داراي يك توربين گازي فشار بالا و يك توربين گازي فشار ضعيف است توان حاصل از توربين گازي فشار بالا صرف چرخاندن كمپرسور مي شود توربين قسمت فشار ضعيف انرژي لازم براي مصرف را كه توان آن ثابت نبوده و بستگي به مصرف كننده دارد (كه در حال تغيير است) توليد مي كند.

• پره هاي توربین، توربين گازي : پره هاي توربين گازي در قسمت كمپرسور و توربين شامل پره ثابت يا نازل و پره متحرك می باشد كه از اين به بعد پره ثابت را با نام نازل وپره متحرك را با نام پره در اين مقاله ذكر مي كنيم. پره هاي كمپرسور معمولاً از جنس استینلس استيل هستند و شامل دو قسمت ايرفويل و ريشه هستند و بوسيله فرايند فورج ساخته مي شوند و ترتيب عمليات بصورت 1- اكستروژن 2- پهن سازي از ميله فورج است و با چند مرحله فورج و بعد ماشينكاري ، پره بدست مي آيد.پره هاي توربين ابتدا با روش فورج و از مواد مقاوم در برابر حرارت ساخته مي شدند زيرا در فورج همراستايي مولكولها واستحكام بيشتر است اما با پيشرفت ريخته گري دقيق و طراحي هندسه پيچيده مسيرهاي خنك كاري پره، موجب شد تا پره هاي ريختگي بطور تدريجي جانشين پره هاي فورج شوند.



معرفي پره ها و نازلها
نازلها داراي شرود داخلي، شرود خارجي و ايرفويل (شامل سمت مقعر ، سمت محدب ، لبه حمله و لبه فرار) مي باشد.
اجزاي مختلف پره ها شامل ريشه، شنك، پلت فرم، شرود و ايرفويل (شامل سطح مقعر يا فشار، سطح محدب يا مكش ، لبه حمله و لبه فرار ) مي باشد. كه بسته به طراحي پره، ممكن است شنك يا شرود در پره اي وجود نداشته باشد.
پرههاي متحرك توربين غالباً با ريخته گري دقيق بدست مي آيد و بر روي ايرفويل آنها ماشينكاري بعدي صورت نمي گيرد ولي ريشه ، شنك و شرود پره ها بايد ماشينكاري شود. ريشه از نظر ابعادي دقيق ترين قسمت پره مي باشد . دقت بالا شكل پيچيده و جنس چقر پره ها كه از سوپر آلياژ مي باشند و عمدتاً هم پايه نيكل هستند باعث مي‌شود كه ماشينكاري آنها اهميت ويژه اي پيدا كند و از ميان روشهاي موجود ، سنگرني خزشي مناسبترين روش ماشينكاري ريشه پره مي باشد
كه بنا به كاربرد قسمتهاي ديگري نيز براي افزايش راندمان و كارايي به آنها اضافه مي شود . به عنوان مثال در برخي از موتورهاي هواپيماها قبل از كمپرسور از ديفيوزر و بعد از توربيناز نازل استفاده مي شود .
 
ماشین کاری پره های توربین:
ساخت پره‌هاي توربين به دليل بارهاي مكانيكي و ديناميكي زيادي كه بر آنها وارد مي‌شود از اهميت زيادي برخوردار است. نواحي مختلف پره شامل شرود و مناطق آب بندي،‌ ايرفويل، شاتك و سوراخهاي خنك كاري و ريشه مي‌شود. كه هر منطقه بسته به جنس پره و نوع استفاده پره (صنايع هوايي يا ساير صنايع،‌ كمپرسور يا توربين) به روشهاي مختلف ساخته مي شود. در حالت كلي براي ساخت پره توربين يا كمپرسور ابتدا ماده خام را به يكي از روشهاي آهنگري يا ريخته‌گري دقيق به شكل اوليه موردنظر در مي‌آورند. سپس براي اينكه قسمتهاي مختلف پره را به اندازه نهايي برسانند از روشهاي مختلف ماشين‌كاري استفاده مي‌كنند. دقيق‌ترين قسمت پره به لحاظ ابعادي، قسمت ريشه آن مي‌باشد كه معمولاً از روش سنگ‌زني خزشي براي ماشين‌كاري آن استفاده مي‌شود. به طور كلي ساخت پره‌هاي متحرك موتورهاي توربين گازي با توجه به شكل پيچيده و شرايط كاري حاد از تكنولوژي بالايي برخوردار است. در اين ميان ريشه پره با توجه به نيروهايي كه به آن وارد مي‌شود نسبت به بقيه قسمتهاي پره داراي كيفيت سطح و دقت ابعادي بالايي مي‌باشد. تاكنون كيفيت سطح نامناسب مانع از بكارگيري روش تخليه الكتريكي (وايركات) براي ماشين‌كاري ريشه پره مي‌شد. اما اخيراً با توجه به پيشرفتهاي به وجود آمده در مولد ماشينهاي وايركات،‌ استفاده از اين روش براي ماشين کاری ريشه پره مورد توجه قرار گرفته است. معمولاً براي ساخت ريشه پره توربین،از روش سنگ‌زني خزشي و قسمت كمپرسور از روش خانكشي استفاده مي‌شود اما اخيراً در خارج از كشور ساخت ريشه پره با روش تخليه الكتريكي مورد توجه قرار گرفته است. يكي از عواملي كه تاكنون مانع از استفاده اين روش براي ماشين‌كاري ريشه پره مي‌شد، كيفيت سطح نامناسب با توجه به حرارتي بودن اين روش است. اما اخيراً با توجه به پيشرفتهايي كه در مولد اين ماشينها بوجود آمده است استفاده از آن را براي ماشين‌كاري ريشه پره امكان‌پذير ساخته است. براي ماشين‌كاري ريشه پره كمپرسور كه از جنس فولاد زنگ نزن است معمولاً از روش خان‌كشي استفاده مي‌شود از مزاياي اين روش يك سرعت بالا، دقت فرمها و سطوح توليد شده به وسيله خان‌كشي در حد مطلوب و عمر ابزار طولاني و قابليت و سهولت در ايجاد پروفيلهاي نامنظم بدون نياز به اپراتور ماهر مي‌باشد



سوپر آلیاژها:
با توجه به شرايط خشن كاري كه دماي محيط بالا ، تنش مكانيكي بالا، خستگي گرمايي، گاز خورنده و غيره موجب شده است كه پره هاي توربين از سوپر آلياژ ساخته شوند
سوپرآلياژها، با استفاده از عناصر گروه هفت اصلي جدول تناوبي، براي كاربرد در دماي بالا و در مواردي كه تنشهاي مكانيكي بالايي در سيستم وجود دارد

معرفي وكاربردها

سوپرآلياژها مواد فلزي هستند که در دماهاي بالا کار مي کنند .به طورخاص درنقاط گرم توربين هاي گازي اين چنين موادي به توربين اجازه ي بالا بردن بازده را مي دهند با استفاده از کار کردن موتور در دماهاي بالاتر .دماي لوله ي موتور،که شاخصي مستقيم از بازده موتورتوربين گازي است ، در قابليت و ظرفيت دمايي اولين پره ي توربين در مرحله ي فشار بالا وابسته است که از جنس سوپرآلياژ پايه نيکل ساخته مي شود .
يکي از مهمترين خواص سوپرآلياژهاي مقاومت خزشي در دماي بالاست . يکي ديگر از خواص حياتي اين مواد مقاومت و دوره ي خزش آنهاست . استقامت فازي ،مانند مقاومت خوردگي و اکسيداسيون بالا است
.
سوپرآلياژ مقاومت در دماهاي بالا را ايجاد مي کنند .به واسطه ي سخت کاري محلول جامد مقاومت خوردگي و اکسيداسيون نيز به خاطرلايه ي اکسيدي است که درسطح ماده شکل گرفته است .وقتي فلز با اکسيژن ترکيب شده و ماده را در بر مي گيرد .بنابراين از باقيمانده ي ماده محافظت مي کند .و مقاومت خوردگي و يا مقاومت اکسيداسيون به وسيله ي موادي چون آلومينيوم و کروم ايجاد مي گردد.

مهمترين مکانيزم سخت کاري ، در بين ايجاد رسوبها در فاز ثانويه مثلاً َ لا ( گاها پرايم )و کربايد ها است که ايجاد سختي رسوبي مي کنند .
سوپر آلياژهاي توليدي در ابتدا براي کار در دماهاي بالا تا 700 درجه سانتيگراد ساخته شدند .سوپرآلياژهاي امروزي نسل 4ام مورد استفاده قرار مي گيرند به صورت تنها يا تک کريستال و به وسيله ي عناصرديگر همچون روتنيم آلياژ مي گردند .آنها مي توانند تا دماي 1100 درجه ي سانتيگراد را تحمل کنند

سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اكسيداسيون مي¬باشند كه به لحاظ تركيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيكل، نيكل-آهن و پايه كبالت مي¬باشند. اولين استفاده از سوپرآلياژها در ساخت توربين¬هاي گازي، طرح¬هاي تبديل ذغال‌سنگ، صنايع شيميايي و صنايعي كه نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشته¬اند بوده است.

امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربين¬هاي گازي از جنس سوپرآلياژها مي¬باشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:
• توربين¬هاي گازي هواپيما
• توربين¬هاي بخار نيروگاه‌هاي توليد برق
• ساخت قالب‌هاي ريخته¬گري و ابزارهاي گرمكار
• مصارف پزشكي و دندانپزشكي
• فضاپيماها
• تجهيزات عمليات حرارتي
• سيستم¬هاي نوتروني و هسته¬اي
• سيستم¬هاي شيميايي و پتروشيمي
• تجهيزات كنترل آلودگي
• تجهيزات و كوره¬هاي نورد فلزات
• مبدل¬هاي حرارتي تبديل ذغال سنگ
به منظور انتخاب سوپرآلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكل¬پذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.







تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب روش توليد:
با توجه به نحوة توليد مي¬توان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم‌ بندي نمود كه عبارتنداز:

1)سوپرآلياژهاي كارپذير
سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپر آلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روش¬هاي مكانيكي مي¬توان به آنها شكل¬داد. به منظور توليد مقاطع معيني ازسوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمش¬هاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال(عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد مي¬شوند) در شرايط خاصي تهيه شوند. فرايندهاي ذوب در خلاءدر مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي¬باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هوا وجود دارد.

پس از تهيه شمش¬ آلياژهاي كارپذير به يكي از روش‌هاي فوق عمليات شكل¬دهي صورت مي-گيرد. عمليات شكل¬دهي سوپرآلياژها نيز مي¬تواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپرآلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را مي¬توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكل¬دهي در دماي بالا صورت مي¬گيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را مي¬توان به صورت سرد شكل‌دهي نمود. ساختارهاي يكنواخت و ريزدانه¬اي كه از شكل‌دهي سرد حاصل مي¬شود نسبت به ساختارهاي شكل¬دادن گرم ارجحيت دارند.

عمليات ترموديناميكي بر روي سوپرآلياژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتي¬گراد انجام مي¬شود كه به اين ترتيب در حين شكل دادن عمليات حرارتي نيز صورت مي¬گيرد.





2) سوپرآلياژهاي متالورژي پودر

بسياري از انواع آلياژهاي كارپذير از طريق فرايندهاي متالورژي پودر توليد مي¬گردند. امروزه قطعات متالورژي پودر از جنس سوپرآلياژ با دانسيته كامل از طريق روش‌هاي اكستروژن يا پرسكاري ايزواستاتيك گرم توليد مي¬گردند. مهمترين اين قطعات قيچي¬ها و سوزنهاي جراحي مي¬باشند.
فرايندهاي متالورژي پودر به‌دليل داشتن مزاياي زير بر فرايندهاي ريخته¬گري ترجيح داده مي¬شوند هر چند كه معايبي را نيز به همراه خواهند داشت:
• يكنواختي در تركيب شيميايي و ساختار كريستالي
• ريز بودن اندازه دانه¬هاي كريستالي
• كاهش جدايش¬ها
• راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد
اما مشكلاتي نظير حضور گاز باقيمانده، آلودگي كربني و آخال‌هاي سراميكي باعث مي¬گردد كه در برخي موارد نيز فرايندهاي شمش‌ريزي و ترمومكانيكي متداول صورت پذيرند.

3) سوپرآلياژهاي پلي‌كريستال ريختگي
وجود محدوديت‌هاي تكنولوژيكي سبب محدود شدن رشد صنعت سوپرآلياژ مي‌گردد و بنابراين با پيدايش فرايندهاي جديد توليد، اين صنعت نيز روز به روز توسعه مي¬يابد.
تعداد زيادي از فرايندها را مي¬توان در توليد قطعات سوپرآلياژ با اندازه نزديك به قطعة نهايي مورد استفاده قرار داد اما اساساً اين قطعات توسط فرايند ريخته¬گري دقيق توليد مي-گردند.
محدوده تركيب شيميايي سوپرآلياژهاي ريختگي بسيار گسترده¬تر از سوپرآلياژهاي كارپذير بوده و بنابراين خواص متنوع¬تري نيز از اين طريق قابل حصول خواهند بود هر چند كه انعطاف‌پذيري و مقاومت به خستگي در فرآيندهاي كار مكانيكي بهتر از ريخته¬گري خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآيندهاي جديد ريخته¬گري و انجام عمليات حرارتي متعاقب، خواص سوپرآلياژهاي ريختگي نيز افزايش يافته است.
4) سوپرآلياژهاي تك¬كريستالي انجماد جهت¬دار
به‌منظور توسعه توربين¬هاي گازي مصرفي در هواپيماها و افزايش دماهاي كاري و كارآيي موتورها، به‌طور مداوم روش¬هاي توليد سوپرآلياژها در حال بهبود است.
قسمت‌هاي بحراني توربين¬ها معمولاً شامل پره¬هاي تحت فشار بالا، هواكش¬ها و ديسك¬ها مي-باشند. در طول 15 سال گذشته تحقيقات بسياري در زمينه افزايش راندمان توربين¬ها صورت گرفته است و عمده اين تحقيقات بر امكان افزايش دماي ورودي، فشاركاري و كاهش هزينه¬هاي توليد استوار بوده است. توسعه فرايند انجماد جهت¬دار به‌منظور توليد تك‌كريستالي‌هاي ريختگي سبب شده تا بتوان از اين طريق پره¬هاي توربين را با دانه¬هاي جهت¬دار در راستاي اعمال تنش توليد نمود و به اين ترتيب علاوه بر خواص پايدار حرارتي، استحكام خستگي، استحكام خزشي و انعطاف‌پذيري نيز افزايش يابند.
با توسعه اين تكنولوژي، امروزه در توربين¬هاي مصرفي در نيروگاه‌هاي برق نيز از قطعات تك‌كريستال از جنس سوپرآلياژها استفاده به‌عمل مي¬آيد.
در سال¬هاي اخير شركت هواپيمايي پي،داليو، اي يكي از پيشگامان توليد سوپرآلياژها مي‌باشد و توليد آلياژهاي پي،داليو، اي1480 به صورت تك‌كريستال توسط اين شركت، سبب افزايش عمركاري هواپيماي جنگي اف-100 گرديده است.
تقسيم‌بندي سوپرآلياژها برحسب تركيب شيميايي:
به طور كلي اين آلياژها شامل سه گروه پايه نيكل، پايه آهن و پايه كبالت مي¬باشند كه بسته به درجه حرارت كاربردي مورد استفاده قرار مي¬گيرند

سوپرآلياژهاي پايه نيكل
امروزه آلياژهاي نيكل در حالت‌هاي "تك‌فازي"، "رسوب سختي شده" و "مستحكم‌شده توسط رسوبات اسيدي و كامپوزيت¬ها" در مصارف صنعتي مختلف مورد استفاده قرار مي¬گيرند.
سوپرآلياژ¬هاي پايه نيكل پيچيده¬ترين تركيباتي مي¬باشند كه در قطعات دماي بالا به كار مي-روند. در حال حاضر 50 درصد وزن موتورهاي هواپيماهاي پيشرفته از جنس اين آلياژها مي-باشد. خصوصيات اصلي آلياژهاي نيكل، پايداري حرارتي و قابليت مستحكم شدن مي¬باشد.
بسياري از اين آلياژها حاوي 10 الي 20 درصد كرم، حداكثر 8 درصد آلومينيوم و تيتانيم، 5 تا 15 درصد كبالت و مقادير كمي موليبدن، نيوبيم و تنگستن مي¬باشند.
دو گروه اصلي از آلياژهاي آهن- نيكل كه ميزان نيكل آنها بيشتر از مقدار آهن است عبارت از گروهاينكلوي 706 و اينكونل 718 مي¬باشند.
اين آلياژها معمولاً حاوي 3 تا 5 درصد نيوبيم مي¬باشند و در رديف آلياژهاي پايه نيكل قرار مي¬گيرند. آلياژهاي پايه نيكل معمولاً تا دماي 650 درجه سانتي¬گراد استحكام خود را حفظ مي-كنند. اما در دماهاي بالاتر به سرعت استحكام خود را از دست مي¬دهند.

سوپرآلياژهاي پايه آهن
سوپرآلياژهاي پايه آهن نشات گرفته از فولادهاي زنگ نزن آستينتي مي¬باشند كه داراي زمينه¬اي از محلول جامد آهن و نيكل بوده و براي پايداري زمينه نياز به حداقل 25 درصد نيكل است.
گروه‌هاي متعددي از اين آلياژها تاكنون مشخص گرديده¬اند كه هر يك با مكانيزم¬هاي خاصي مستحكم مي شوند. برخي از اين آلياژها نظير 57-وي و 286-اي حاوي 25 تا 35 درصد وزني نيكل مي¬باشند و استحكامشان به دليل حضور آلومينيوم و تيتانيم مي‌باشد.
گروه دوم آلياژهاي پايه آهن كه آلياژهاي ايكس 750 و اينكلوي901 نمونه هاي آن مي باشند، حداقل 40 درصد وزني نيكل داشته و همانند گروه هاي با نيكل بالاتر استحكام بخشي توسط سختي رسوبي صورت مي¬گيرد.

Read more!