Gas Turbines Notes in Hindi

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Subject - THERMAL ENGINEERING - II ME 4003
Branch - Mechanical Engineering
Semester - 4th Semester

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गैस टरबाइन (Gas Turbines)

गैस टरबाइन एक प्रकार का आंतरिक दहन इंजन (Internal Combustion Engine) है जो ईंधन की ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। यह मुख्य रूप से ब्रेटॉन चक्र (Brayton Cycle) पर कार्य करता है, जिसमें चार प्रमुख प्रक्रियाएँ होती हैं:

1. संपीड़न (Compression) – हवा को संपीड़ित (Compress) किया जाता है, जिससे उसका दबाव और तापमान बढ़ जाता है।

2. दहन (Combustion) – ईंधन को जोड़ा जाता है और जलने से उच्च तापमान वाली गैसें उत्पन्न होती हैं।

3. विस्तार (Expansion) – गर्म गैसें टरबाइन ब्लेड से होकर गुजरती हैं, जिससे यांत्रिक कार्य उत्पन्न होता है।

4. निकास (Exhaust) – गैसें बाहर निकलती हैं और चक्र पूरा होता है।

गैस टरबाइन का उपयोग हवाई जहाजों, विद्युत उत्पादन संयंत्रों, समुद्री प्रणोदन और औद्योगिक अनुप्रयोगों में किया जाता है।

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1.1 एयर-स्टैंडर्ड ब्रेटॉन चक्र का परिचय और कार्य एवं दक्षता की व्युत्पत्ति

ब्रेटॉन चक्र (Brayton Cycle) का परिचय

ब्रेटॉन चक्र गैस टरबाइन में प्रयुक्त एक आदर्श तापीय चक्र है, जिसमें निम्नलिखित प्रक्रियाएँ होती हैं:

1. आइसेंट्रोपिक संपीड़न (Isentropic Compression) – हवा को संपीड़ित किया जाता है, जिससे उसका तापमान और दबाव बढ़ता है।

2. निरंतर दाब पर ऊष्मा संवर्धन (Constant Pressure Heat Addition) – दहन कक्ष में ईंधन जलता है और उच्च तापमान वाली गैसें बनती हैं।

3. आइसेंट्रोपिक विस्तार (Isentropic Expansion) – उच्च दबाव वाली गैसें टरबाइन से गुजरकर कार्य उत्पन्न करती हैं।

4. निरंतर दाब पर ऊष्मा निष्कासन (Constant Pressure Heat Rejection) – गैसें बाहर निकलती हैं और चक्र पूरा होता है।

कार्य (Work) और दक्षता (Efficiency) की व्युत्पत्ति

गैस टरबाइन में उत्पन्न कुल कार्य, टरबाइन और संपीड़क (Compressor) में किए गए कार्य के अंतर के बराबर होता है:

$$W_{net} = W_{turbine} - W_{compressor}$$

आदर्श ब्रेटॉन चक्र की तापीय दक्षता ($\eta$) निम्नलिखित समीकरण से दी जाती है:

$$\eta = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma -1)/\gamma}}$$

जहाँ:

• $r_p = \frac{P_2}{P_1}$ (दबाव अनुपात)

• $\gamma$ = विशिष्ट ऊष्मा अनुपात ($C_p/C_v$)

इस समीकरण से स्पष्ट होता है कि दबाव अनुपात ($r_p$) बढ़ाने से दक्षता भी बढ़ती है।

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1.2 गैस टरबाइन के प्रकार (Classification of Gas Turbines)

गैस टरबाइन को विभिन्न मानदंडों के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है:

1. संचालन चक्र के आधार पर (Based on Operating Cycle)

• ओपन-साइकिल गैस टरबाइन (Open Cycle Gas Turbine)

  • इसमें हवा बाहर से ली जाती है और उपयोग के बाद निष्कासित कर दी जाती है।

  • हवाई जहाजों और बिजली संयंत्रों में आमतौर पर प्रयुक्त होता है।

• क्लोज-साइकिल गैस टरबाइन (Closed Cycle Gas Turbine)

  • इसमें कार्यशील द्रव (Working Fluid) को पुनः प्रयोग किया जाता है।

  • यह नाभिकीय (Nuclear) और अंतरिक्ष अनुप्रयोगों में प्रयोग किया जाता है।

2. अनुप्रयोग के आधार पर (Based on Application)

• विमानन गैस टरबाइन (Aero Gas Turbine) – हवाई जहाजों में प्रयुक्त।

• औद्योगिक गैस टरबाइन (Industrial Gas Turbine) – विद्युत उत्पादन संयंत्रों में प्रयुक्त।

• समुद्री गैस टरबाइन (Marine Gas Turbine) – जलपोतों और पनडुब्बियों में प्रयुक्त।

3. शाफ्ट विन्यास के आधार पर (Based on Shaft Arrangement)

• सिंगल-शाफ्ट गैस टरबाइन (Single-Shaft Gas Turbine) – एक ही शाफ्ट संपीड़क, टरबाइन और उत्पादन के लिए प्रयुक्त होता है।

• टू-शाफ्ट गैस टरबाइन (Two-Shaft Gas Turbine) – संपीड़क और टरबाइन अलग-अलग शाफ्ट पर होते हैं।

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1.3 गैस टरबाइन की तुलना आई.सी. इंजन और स्टीम टरबाइन से

विशेषता	गैस टरबाइन	आई.सी. इंजन	स्टीम टरबाइन
कार्य करने का तरीका	निरंतर दहन	आंतरायिक दहन	निरंतर दहन
दक्षता	कम (छोटे स्तर पर)	अधिक	उच्च (बड़े स्तर पर)
पावर-टू-वेट अनुपात	उच्च	कम	उच्च
प्रारंभ समय	शीघ्र	धीमा	बहुत धीमा
ईंधन की आवश्यकता	उच्च गुणवत्ता वाला ईंधन	विभिन्न प्रकार के ईंधन	निम्न गुणवत्ता वाले ईंधन भी स्वीकार्य

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1.4 गैस टरबाइन के अनुप्रयोग और सीमाएँ

गैस टरबाइन के अनुप्रयोग (Applications of Gas Turbines)

1. विमानन (Aviation) – जेट इंजन के रूप में हवाई जहाजों में प्रयुक्त।

2. विद्युत उत्पादन (Power Generation) – गैस टरबाइन विद्युत संयंत्रों में प्रयोग किया जाता है।

3. औद्योगिक अनुप्रयोग (Industrial Applications) – कंप्रेसर, पंप और जनरेटर चलाने के लिए प्रयुक्त।

4. समुद्री प्रणोदन (Marine Propulsion) – नौसैनिक जहाजों और पनडुब्बियों में प्रयोग किया जाता है।

गैस टरबाइन की सीमाएँ (Limitations of Gas Turbines)

1. छोटे स्तर पर कम दक्षता – छोटे अनुप्रयोगों के लिए आई.सी. इंजन अधिक कुशल होते हैं।

2. उच्च प्रारंभिक लागत – निर्माण और स्थापना महंगी होती है।

3. ईंधन की उच्च गुणवत्ता की आवश्यकता – अशुद्धियों से टरबाइन ब्लेड को नुकसान हो सकता है।

4. शीतलन की जटिलता – टरबाइन ब्लेड बहुत उच्च तापमान पर काम करते हैं, जिससे उन्नत शीतलन तकनीकों की आवश्यकता होती है।

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निष्कर्ष (Conclusion)

गैस टरबाइन तेजी से ऊर्जा उत्पादन, उच्च शक्ति-से-वजन अनुपात, और सरल डिजाइन के कारण महत्वपूर्ण हैं। यह मुख्य रूप से हवाई यात्रा, बिजली उत्पादन और औद्योगिक मशीनरी में प्रयुक्त होते हैं। हालांकि, इनकी सीमाएँ जैसे उच्च लागत और ईंधन की गुणवत्ता आवश्यकताएँ भी ध्यान देने योग्य हैं।