سيستم كنترلي كمپرسور هوا معرفي شده در اين نوآوري، يك سيستم كنترل جامع با هدف جلوگيري از رخداد پديده هايي مثل سرج و استال و حفظ پايداري سيستم در تمام محدوده عملكرد طراحي شده است. ناپايداري هاي مذكور به علت اِعمال بارهاي مكانيكي و حرارتي بزرگ بر پره ها ميتوانند منجر به تخريب كمپرسور گردند. بنابراين جلوگيري از ورود به چنين محدوده هايي از ناپايداري ميتواند روي راندمان، عمر قطعات و در نهايت هزينه هاي پروژه تأثيرات مطلوبي بگذارد. به همين منظور در طراحي و نوآوري حاضر سيستم كنترل يكپارچه به منظور كنترل موقعيت شيرهاي برچين كم‌فشار و پرفشار و پره‌هاي راهنماي ورودي كمپرسور طراحي و توسعه داده شد. در اين طراحي به منظور افزايش مقاومت سيستم موقعيت اين اجزا به صورت تابعي از دور محور كمپرسور و نيز دماي هواي ورودي به آن استخراج شد. با توجه به نرخ تغييرات سريع موقعيت پره‌هاي راهنما با دور و دماي ورودي كمپرسور در ابتداي بارگذاري تا باركامل، در اين نوآوري از يك سيستم سوئچينگ با دو كنترلر تناسبي و تناسبي-انتگرالي به منظور تسريع پاسخ سيستم و صفر كردن فراجهش استفاده شد. همچنين سيستم مورد ادعا ضمن حفظ پايداري سيستم، ميزان توليد آلاينده ها را با كنترل موقعيت شير برچين پرفشار و دبي هواي ورودي به محفظه احتراق و در نتيجه كنترل دماي شعله تا حد مطلوبي در بار جزئي كاهش مي‌دهد.

سيستم كنترلي يكپارچه توربين گاز دومحوره معرفي شده در اين نو¬آوري، سيستم كامل و فشرده¬اي است كه تمام جزئيات توربين در آن گنجانده شده است. مشخصه¬هايي همچون دما، فشار و سرعت در نقاط مختلف توربين گاز جهت كنترل اين سيستم پيچيده مورد استفاده قرار مي¬گيرد. كنترل وضعيت پايدار توربين در سرعت و بار مطلوب، ممانعت از ورود سيستم به محدوده¬هاي ناپايدار، حفظ پايداري شعله با حداقل آلايندگي، محدود كردن دماي ورودي توربين و محدود كردن نسبت فشار شيرهاي سوخت به منظور حفظ عملكرد پايدار آن‌ها مجموعه نكاتي هستند كه در طراحي اين سيستم كنترلي در نظر گرفته شده‌اند. بر اين اساس، سيستم كنترلي از چندين تنظيم كننده تشكيل شده است تا جريان سوخت مورد نياز براي محفظه احتراق را تأمين كند. از طرفي شرايط راه¬اندازي و توقف توربين گاز همواره مقارن با سرعت¬هاي اندك شفت مي-باشد. در اين سرعت¬هاي اندك، همواره امكان رخداد پديده¬هاي نامطلوبي نظير سرج و استال در كمپرسور هوا وجود دارد. روش¬هاي گوناگوني براي مواجهه با اين پديده¬هاي نامطلوب تاكنون ارائه شده است. در اين نوآوري، شير برچين كم¬فشار و شير برچين پرفشار جهت جلوگيري از پديده¬هاي سرج و استال طراحي شده است. از پره‌هاي راهنماي ورودي نيز جهت كنترل دبي هواي ورودي و جلوگيري از سرج و استال سيستم در تمام بازه عملكرد آن استفاده شد، براي اين منظور علاوه بر دور محور كمپرسور از دماي هواي ورودي نيز براي اصلاح موقعيت آن استفاده شد. در نهايت با طراحي كنترلر ACPL فشار خروجي كمپرسور با تنظيم جريان گرمايي محدود شده و از بروز سرج جلوگيري شد. عملا در بار كامل و زماني كه پره‌هاي راهنماي ورودي در بازشدگي كامل هستند، كنترلر ACPL كنترل سرج را به عهده دارد.

دستگاه تست استند ارائه شده به منظور تست، بررسي و تحليل عملكرد كلاچ اتوماتيك مكانيكي قبل از نصب و بهره برداري، استفاده مي¬شود. كلاچ اتوماتيك مكانيكي با استفاده از مكانيزم Free-Wheel عمل مي كند و بين دو محور نصب مي شود، سرعت نسبي بين محورها به اين صورت كه اگر سرعت محور ورودي بيشتر باشد كلاچ درگير مي¬شود و اگر سرعت شفت خروجي بيشتر شود كلاچ رها مي شود. باعث عملكرد كلاچ مي شود. تست استند حاضر قادر است با استفاده از دو موتور الكتريكي AC كه در ورودي و خروجي كلاچ نصب مي شوند و توسط سيستم اينورتور مي توان دور آنها را كنترل كرد، سرعت¬هاي مختلف را به محورهاي ورودي و خروجي كلاچ اعمال كند و شرايط مختلف كاركردي را ايجاد نمايد. در تست استند ادعا شده با استفاده از سنسورهاي مختلف شتاب سنج، فشار سنج و دما و يك سيستم پايش وضعيت پارامترهاي مختلف نشان دهنده عملكرد كلاچ مشاهده، ثبت و تحليل مي شوند.

برنر چرخشي توربين گازي با آلايندگي پايين يك برنر پيش¬آميخته متشكل از دو نيم مخروط توخالي است كه بر روي هم چيده شده¬اند و يك محفظه مخروطي را شكل مي¬دهند. دو جزء نيم مخروطي از پهلو با يكديگر داراي مقداري فاصله هستند تا جريان هواي چرخشي مماسي را درون برنر شكل داده و يك مخلوط پيش آميخته¬ي همگن و بهينه را مهيا سازند. برنر داراي حداقل يك نازل سوخت در انتهاي بالادست روي محور برنر است كه سوخت گاز را درون برنر تزريق مي¬كند. برنر در امتداد كانال¬هاي ورودي هواي مماسي داراي دريچه¬هاي تزريق سوخت گازي است كه از ابتدا تا انتهاي كانال¬ها قرار گرفته¬اند و سوخت گازي را به جريان هواي مماسي اضافه مي¬كنند.

فرآيند كنترل اوليه محفظه احتراق توربين گازي

اختراع فرآيند بالانس ديناميكي توربين گازي فرآيندي جهت بالانس كردن پره ها به روش ديناميكي در توربين هاي گازي مي باشد. بسياري از تجهيزات حساس و كليدي در كارخانجات و به خصوص صنايع بزرگ را ماشينهاي دوار تشكيل مي‌ دهند و نابالانسي جرمي قسمتهاي متحرك اين تجهيزات يكي از مشكلات تكراري و مهم آنها است. وجود نابالانسي باعث بالا رفتن ارتعاشات ماشين شده و در نتيجه موجب كاهش عمر قطعات و خرابي المانهاي ماشين مي‌گردد. افزايش ارتعاشات مي‌تواند به حدي برسد كه كاركرد ماشين را غير ممكن نموده و توقف ماشين را اجتناب ناپذير نمايد. بررسي علل و عوامل توليد ارتعاش يكي از موارد اساسي تعمير و نگهداري پيش‌بينانه است كه امروزه در صنايع مختلف مطرح مي‌باشد. يكي از منابع اصلي توليد اين ناميزاني در ماشين هايي با حركت دوراني، توزيع نامناسب اجزاء دوار حول محور دوران يا همان روتور مي‌باشد. مساله يافتن بهترين چيدمان براي اجرامي حول يك محور دوار، جهت توليد كمترين خروج از مركزيت جرمي موضوع اصلي رديف‌چيني است. در اين نوآوري پره‌هاي رديف‌هاي مختلف يك روتور بگونه‌اي كنار هم قرار مي‌گيرند كه مجموعه روتور هم از لحاظ استاتيكي و هم از لحاظ ديناميكي بالانس مي‌شود. مسئله بالانس ديناميكي به يك مسئله بهينه سازي تركيبي بنام مساله پارتيشن‌بندي عددي تبديل شده و با استفاده از الگوريتم تفضلات كامل حل مي‌شود.

اختراع طراحي و ساخت محفظه احتراق حلقوي توربين گازي – GTAC ، متشكل از برنر42، لاينر داخلي 41 و لاينر خارجي 40 مي باشد كه بصورت حلقوي ساخته شده اند. 18 عدد برنر 42 از نوع برنر چرخشي ساده در بخش ابتدايي محفظه وجود دارد كه عمل اختلاط سوخت و هوا را انجام داده و موجب كاهش Nox مي شوند. گاز داغ پرفشار حاصل از احتراق از محفظه وارد توربين شده و توليد كار مي كند. لاينر محفظه متشكل از چند پنل مي باشد، هر پنل داراي يك رديف سوراخ خنك كاري لايه اي مي باشد. اين پنل ها توسط جوش به يكديگر اتصال داده شده و يك ديواره را تشكيل داده اند. به منظور جلوگيري از سوختن لاينرها از روش خنك كاري لايه اي و همرفتي استفاده شده است، هواي خروجي از هر رديف سوراخ خنك كاري لايه اي همانند فيلم نازكي بر روي ديواره داخلي لاينر جريان يافته و مانع از تماس مستقيم گاز داغ با سطح لاينر ميشود. جريان هواي داخل كانال جانبي نيز سطح خارجي لاينر را بصورت همرفتي خنك كاري مينمايد.

اختراع سيستم بهينه خنك‌كاري براي پره‌ها‌ي متحرك طبقه اول توربين گازهاي متوسط و كوچك، ارائه يك راه حل براي كاهش دماي پره متحرك است و كاربرد خاص آن مربوط به رديف اول توربين IGT25 مي‌باشد. عموماً در توربين‌هاي گاز، دماي گازهاي ورودي به پره‌ها از آستانه تحمل دماي فلزِ پره به مراتب بيشتر مي‌باشد و نياز است با استفاده از روشهاي خنك‌كاري، دماي فلزِ پره را كاهش داد. اختراع حاضر، مسيرهاي خنك كاري داخلي براي پره‌‌هاي توربين گاز در اختراع حاضر، بگونه‌اي است كه تكنولوژي بكار رفته شده در هر قسمت از پره، متناسب با حساسيت گرماي آن قسمت مي‌باشد. بدين ترتيب مقدار دبي سيال خنك‌كن كاهش يافته، توزيع يكنواخت‌تري براي دماي پره حاصل و در عين حال راندمان توربين و عمر آن افزايش مي‌يابد. با توجه به حساسيت لبه حمله، براي خنك كاري آن مسير جداگانه‌اي با سطح مقطع كوچك به منظور افزايش سرعت جريان و ضريب انتقال حرارت استفاده شده است. اما وجود اين مسيرِ خنك‌كاري به تنهايي براي كاهش دماي لبه حمله كارساز نيست و به منظور افزايش كارايي، توربولاتورهايي بر روي كانال داخلي تعبيه شده‌اند. براي خنك كاري شراد پره نيز از همين هوا استفاده شده است. براي خنك كاري اواسط پره از مسيرهاي شامل سطوح گسترده استفاده شده تا سطح انتقال حرارت افزايش، اما افت جريان چندان افزايش نيابد. براي خنك كاري لبه فرار از تركيب آشفته ساز‌ها و در نقاط انتهاي از پين-فين استفاده شده است. در انتهاي لبه فرار بدليل نازك بودن پره، احتمال آسيب حرارتي بالا است. بعلاوه نازك بودن پره در اين مكان استفاده از آشفته ساز‌ها را مشكل مي‌كند. پين فين‌ها هم ضريب انتقال حرارت را افزايش داده و هم نازك بودن پره مانعي براي ساختشان نيست.

اختراع طراحي سيستم كنترل سوخت رساني محفظه احتراق توربين گاز شامل طراحي كامل سيستم كنترلي سوخت رساني محفظه احتراق توربين گاز مي باشد. كمينه كردن آلايندگي‏هاي Nox و CO به كمتر از ppm 25، حفظ پايداري شعله در تمام بازه عملكرد از استارت تا خاموشي و امكان تطبيق سيستم با تغيير نوع سوخت مجموعه مواردي هستند كه در اين نوآوري حاصل شده‌اند. براي اين مهم در سيستم جديد، سوخت از دو مسير مجزا به برنرها هدايت شده و قابليت تشكيل شعله Diffusion از سوخت مسير اوليه و تشكيل شعله Premix از مسير ثانويه و نيز تركيبي از اين حالات را دارد. با علم به اينكه شعله Diffusion از پايداري بالايي برخوردار بوده اما آلايندگي بالايي دارد و بالعكس شعله Premix از سطح آلايندگي پاييني برخوردار بوده اما شعله‌اي ناپايدار است؛ در اين نوآوري با تنظيم نسبت سوخت بين شيرهاي اوليه و ثانويه علاوه بر تشكيل شعله پايدار، دماي شعله در محدوده بهينه (مطابق شكل 1.2) به منظور كمينه كردن آلودگي تنظيم شد. اين مهم براي توربين IGT25 عملياتي شده كه نرخ توزيع سوخت در دو مسير مطابق شكل2.2 به دست آمد. با توجه به اين شكل در ابتداي راه‌اندازي كه حاشيه پايداري شعله كم است، سوخت صرفا از مسير اوليه تزريق شده و شعله Diffusion و پايدار دارد. در ادامه با افزايش دماي شعله (بار) تا بار كامل از يك شعله تركيبي استفاده شده است. در اين طراحي با كنترل بهينه نسبت سوخت دو مسير، شعله‌اي پايدار با كمترين سطح آلايندگي حاصل شده است. از جمله قابليت‌هاي ديگر در طرح جديد امكان تطبيق بهينه شعله (بسته به شرايط مختلف) از يك حالت به حالت ديگر است. هم‌چنين با تحليل مدل شيرهاي سوخت به صورت نازل همگرا- واگرا تدابيري انديشيده شد كه عملكرد مناسب سيستم كنترل در هر دو ناحيه چوك و زيرصوت برآورده شده و از ناپايداري سيستم جلوگيري شود. در اين طراحي با استفاده از يك ساختار كنترلي بهينه براي هر شير علاوه بر حفظ سيستم در محدوده پايدار سعي در كاهش نوسانات و افزايش عملكرد كنترلي شد. با توجه به تاثير زياد نوع سوخت در رفتار ديناميكي مجموعه، سيستم طراحي شده قابليت تطبيق اتوماتيك با نوع سوخت ايستگاه را داشته و صرفاً با وارد شدن مشخصات سوخت ايستگاه، اصلاحات لازم در كنترلر به صورت اتوماتيك انجام خواهد پذيرفت كه هدف از اين مهم دستيابي به عملكرد بالا و نيز تضمين پايداري و كاهش نوسانات است.

در اختراع سيستم بهينه خنك‌كاري براي پره‌ها‌ي متحرك طبقه دوم توربين گازهاي متوسط و كوچك، چينش تكنولوژي هاي خنك‌كاري با استفاده از سه مسير جريان براي پره متحرك رديف دوم توربين‌هاي گازي با كاربرد در توربين IGT25 ارائه شد. توليد مسيرهاي رفت و برگشتي داخل پره به منظور يكنواخت نمودن توزيع دماي فلز پره و كاهش جريان هوا جهت خنك‌كاري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. مي‌توان پره را به سه ناحيه كلي لبه حمله، بخش مياني و لبه فرار تقسيم بندي نمود و از سه مسير جداگانه براي خنك‌كردن اين نواحي استفاده نمود. در هر مسير از تكنولوژي هاي خنك‌كاري متفاوتي استفاده مي‌شود. همانطور كه مي‌دانيم ضريب انتقال حرارت تكنولوژي هاي خنك‌كاري داخلي يكسان نمي‌باشد و برخي تكنولوژي هاي خنك‌كاري قادر هستند ضريب انتقال حرارت را به صورت چشمگيري افزايش دهند. در نوآوري حاضر، چينش تكنولوژي هاي خنك‌كاري بگونه‌اي مي‌باشد كه متناسب با دماي نقاط مختلف پره باشد. يعني در نقاطي از پره كه انتظار دماي بيشتري را داريم، تكنولوژي با قابليت خنك‌كاري بالاتري مورد استفاده قرار مي‌گيرد. بدين ترتيب مقدار دبي سيال خنك‌كن كاهش يافته، توزيع يكنواخت‌تري براي دماي پره حاصل و در عين حال راندمان توربين افزايش مي‌يابد. در روش‌هاي فعلي، خنك‌كاري پره يكنواخت نبوده كه باعث به وجود آمدن نقاط داغ در پره و در نهايت كاهش عمر آن مي‌شود. مسير شماره 1 جهت خنك‌كاري لبه حمله قرار مي‌گيرد و فاقد مغشوش‌گرهاي جريان مي‌باشد. با توجه به اينكه دماي ورودي گازهاي داغ به اين پره همانند پره‌هاي رديف اول چشمگير نمي‌باشد به منظور اجتناب از افزايش هزينه توليد پره، در طرح مورد ادعا ضرورتي براي تعبيه تكنولوژي پيچيده همچون ريب در اين ناحيه وجود ندارد. در مسير شما ره 2 براي خنك‌كاري اواسط پره از مسيرهاي شامل سطوح گسترده استفاده شده تا سطح انتقال حرارت افزايش، اما افت جريان چندان افزايش نيابد. مسير شماره 3 براي خنك‌كاري لبه فرار مي‌باشد و از تركيب آشفته ساز‌ها و در نقاط انتهاي از پين-فين در اين مسير استفاده شده‌است. در انتهاي لبه فرار بدليل نازك بودن پره، احتمال آسيب حرارتي بالا است. بعلاوه نازك بودن پره در اين مكان استفاده از آشفته ساز‌ها را مشكل مي‌كند. پين فين‌ها هم ضريب انتقال حرارت را افزايش داده و هم نازك بودن پره مانعي براي ساختشان نيست.