دانلود مقاله جریان در کمپرسورهای سانتریفوژ

اختصاصی از یارا فایل دانلود مقاله جریان در کمپرسورهای سانتریفوژ دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : word(قابل ویرایش)

تعداد صفحات:95

فهرست مطالب:

جریان در کمپرسورهای سانتریفوژ:
جریان در سیستم های انبساطی:  
جریان در توربین های محوری:
جریان در توربینهای شعاعی
 مدلسازی میدانهای جریان توربو ماشین:
 مراحل مختلف مدلسازی مرتبط با پر و سپس طراحی
 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی ابتدایی
 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی جزء به جزء
 مدسازی فیزیک جریان
 معادلات حاکم و شرایط مرزی
 مدلسازی اغتشاش و انتقال:
 تحلیل ناپایداری و اثر متقابل ردیف پره ها:
تکنیک های حل عددی:  
 *** مدل سازی هندسی  
 *** عملکرد ابزار تحلیلی:
*** ملاحظات مربوط به قبل و بعد از فرآیند:
 *** انتخاب ابزار تحلیلی:
 *** پیش بینی آینده:
 ***  مسیرهای پیش رو در طراحی قطعه:
*** خلاصه:

جریان در کمپرسورهای سانتریفوژ:

کمپرسورهای سانتریفوژ ممکن است در توربوفن ها بعنوان کمپرسورهای فشار بالا در پائین دست طبقات چندتای کمپرسور های محوری کاربرد داشته باشد. در بعضی کاربردهای مربوط به توربین گاز و موتور جهت یک کمپرسور سانتریفوژ یک یا دو طبقه ای بعنوان کل سیستم تراکم به خدمت گرفته می شود.

کمپرسورهای سانتریفوژ بطور محسوسی با انواع محوری خود تفاوت دارند. افزایش فشار بازای هر طبقه بطور قابل توجهی بالاتر از کمپرسورهای محوری باشد، مسیر جریان دارای یک افزایش قابل توجه در شعاع، از ووردی به خروجی بوده و جریان بصورت محوری وارد روتور یا Impeller شده و آن را بصورت شعاعی ترک می کند. در بسیاری از کاربردهای جریان سپس از میان یک دیفیوزر پره دار عبور می کند. با افزایش شعاع مسیر جریان فاصله محیطی بین تیغه ها نیز افزایش می یابد. برای جبران این و ثابت نگهداشتن مساحت مسیر جریان span تیغه روتور بطور قابل توجهی از ورودی به خروجی کاهش می یابد. علاوه بر این برای اینکه بارگذاری تیغه در سطح مطلوب باقی بماند، بدون اینکه جدایی رخ دهد، تیغه های جداکننده در قسمت انتهایی مسیر جریان روتور قرار داده شده است. همچنین تسمه های نگهدارنده نیز روی روتور وجود دارد این مشخصات هندسی می تواند موانعی را درمسیر جریان و با کاهش span به سمت لبه فرار ایجاد می کند.

دیفیوزرهای شعاعی نیز باید با یک افزایش شعاع افزایش فاصله محیطی بین تیغه ها مقابله کننده برای جبران این مسئله دیفیوزر ها نوعاً دارای افزایش ضخامت تیغه به سمت لبه فرار می باشند. Span یک دیفیوزر شعاعی معمولاًٌ از لبه حمله به لبه فرار و با افزایش شعاع به نسبت ثابت می ماند. کمپرسورهای سانتریفوژ پربازده نیازمند پخش جریان بخصوصی می باشند که می تواند باعث رشد سریع لایه مرزی در نیمه دوم گذرگاه جریان نسبتاً طولانی در محور شود. این رفتار اغلب جدایی جریان را که باعث تشکیل ناحیه دنباله شده و به صورت جت درمی آید را از سطح مکش تیغه به سطح فشار تیغه وارد می کند این جدایی جریان پتانسیل پخش کنندگی را برای چرخ کاهش می دهد و باعث ایجاد ساختارهای پیچیده جت/ دنباله jet wake در خروجی روتور می شود. این شرایط خروجی روتور سپس باعث تلفات ناشی از اختلاط و جریان ناپایدار ورودی به دیفیوزر می شود که این خود منجر به کاهش بیشتر بازده آن طبقه خواهد شد.

یک مطالعه گسترده در مورد رفتار جریان در روتور کمپرسورهای سانتریفوژ توسط [19,10]Eckardt به انجام رسید او به اندازه گیری های دقیقی از سرعتهای جریان و جهتها در مکانهای مختلف در میدان جریان از ورودی هدایت کننده(Inducer ) تا خروجی روتور دست یافت. در مطالعه اول[19] که با یک چرخ( روتور) شعاعی انجام شده مشاهده شد که جریان در هدایت کننده شعاعی و قسمت بالادست روتور نسبتاً بدون اغتشاش است اولین اغتشاش و پییچدگی های جریان در حدود 60% ا ز وتر با ورود جدایی جریان در گوشه بین بدنه و سطح مکش گذرگاه طاهر شدند. پس از برخورد قسمت جدایی یک رشد سریع در ناحیه دنباله در گوشه بین بدنه و سطح مکش رخ داد که مشخص شد که مربوط به افزایش چگالی جریان ثانویه است. گردابه های نزدیک پوسته و گوشع بین توپی و سطح مکش لایه مرزی های دیواره های کانالها را باصطلاح" پوست کندند" و سیال کم انرژی را وارد دنباله نمودند. سیلا کم انرژی دیگری از فاصله نوک پره بداخل ناحیه دنباله وارد شده و باعث شد که دنباله بطور قابل توجهی در نیمه پائین دست روتور افزایش یابد. الگوی مغشوش جریان سیال پرانرژی و کم انرژی(jet/wake ) تا خروجی چرخ امتداد می یابد. زیرا اختلاط مغشوش لایه های برشی جت دنلاه توسط چرخش سیستم و اثرات انحنا، فرو نشانده می شود. در نتیجه در تخلیه چرخ، تلفات اساساً در دنباله و در طول دیواره های گذرگاهها متمرکز شده است. [20] Eckardt سپس رفتار جریان را در روتور سانتریفوز مقایسه کرد، یکی با تخلیه شعاعی و دیگری بصورت backswept هر دو از پوسته و دیفیوزرهای بدون پره مشابهی بهره می برند. تنها تیغه بندی و شکل hub اصلاح شده بود. او دریافت که الگوی جریان در ناحیه هدایت کننده هر دو دستگاه بطور مشابه گسترش یافت و در هر دو یک جدای جریان سه بعدی در shroud در ناحیه دارای حداکثر انحنای خط جریان نوک پره آغاز گردید . اگرچه تفاوت قابل توجهی در نیمه دوم گذرگاه جریان مشاهده شد. در روتور با تخلیه شعاعی یک الگوی jet/wake با شدت افزاینده ای تا خروجی ادامه یافت ولی برای روتور backward- swept اغتشاش بسیار کمتری اتفاق افتاد که حاصل اختلاط بهبود یافته jet/wake می باشد.

جریان یکنواخت تر تخلیه همراه با روتور backswept کارآیی دیفیوزر پره دار را بهبود خواهد بخشید و بنابراین کارآیی هر طبقه بهبود خواهد یافت.

مطالعات صورت گرفته توسط Eckardt یک روتور unsplittered را بکار گرفت. اگرچه یک روتور با تیغه های splitter توسطkrain[21] مورد بررسی قرار گرفت. پروفیل سرعت او الگوهای جریان متفاوت در کانالهای مجاور و پایین دست لبه حمله تیغه های جداکننده (splitter-blode ) مشاهده گردید. پروفیلهای سرعت افزایش بار در کانال سمت تحت فشار تیغه اصلی و یک گرادیان سرعت مسطح شده در کانال سمت تحت مکش را نشان دادند. با حرکت جریان به سمت پایین دست از طریق مسیر جریان جداگانه، دنباله گسترش بیشتری را در سمت مکش تیغه اصلی نشان داد.

مطالعات Eckard با استفاده از دیفیوزر بدون پره با مساحت ثابت انجام شد، که جریان Impeller توسط اغتشاش هیچ دیفیوزری تحت تأثیر قرار نمی گیرد. اگر چه برای دستیابی به بازده بالاتر و نسبت فشارهای بالاتر در طبقات کمپرسور سانتریفوژ، دیفیوزرهای پره دار موردنیاز است. بازده طبقات کمپرسور سانتریفوژ بطور قابل توجهی می تواند تحت تأثیر اثر متقابل بین دیفیوزر و Impeller قرار بگیرد. بازیابی دیفیوزر تحت تأثیر جریان بسیار مغشوش و ناپایدار خروجی از Impeller قرار می گیرد. همچنین وقتی که Impeller و دیفیوزر بصورت نزدیک به هم بسته شده اند، اثرات ناشی از تیغه های دیفیوزر می تواند جریان داخلی Impeller را از طریق مغشوش کردن میدان فشار استاتیک در خروجی Impeller و ورودی دیفیوزر تحت تأثیر قرار دهد. این اثر، همچنین اگر اعداد ماخ فراصوتی در لبه حمله دیفیوزر رخ دهد و شوکها تا ناحیه تخلیه Impeller ادامه یابد، بیشتر مشخص خواهد بود. Krain[21]، جریان را در یک طبقه کمپرسور سانتریفوژ با دیفیوزرهای پره دار و بدون پره مورد مطالعه قرار داد. در این طبقه، یک تخلیه شعاعی از Impeller با تیغه های جدا کننده مورد استفاده قرار گرفت، و دیفیوزر پره دار یک قطعه تخت با کانال مستقیم بود. او تنها اثرات ضعیفی از دیفیوزر پره دار بر روی میدان جریان تخلیه Impeller، متناسب با رفتار جریان با دیفیوزر بدون پره، به علت فاصله زیاد جدایی بین Impeller و دیفیوزر مشاهده نمود.

اگر چه در ناحیه ورودی دیفیوزر پره دار، جریان بسیار مغشوش، با نوسانات دوره ای بزرگ در زاویه جریان محلی بوده و حاصل ناپایداری ها در جریان تخلیه Impeller می باشد.

این آزمایش خلاصه از خصوصیات جریان در کمپرسورهای سانتریفوژ، باید باعث ترسیم پیچیدگی چنین جریانهایی و نشان دادن لزوم درک رفتار جریان، در راستای رسیدن به کارآیی بهینه در اجزاء و طبقات در طراحی گردد.

جریان در سیستم های انبساطی:

سیستم های انبساطی نوعاً شامل یک یا تعداد بیشتری طبقات توربینهای محوری یا شعاعی می باشند. در کاربردهای هوا فضا، توربینهای محوری تقریباً بطور انحصاری مورد استفاده قرار می گیرند. توربینهای شعاعی بیشتر در دستگاههای کوچک مانند واحدهای تولید نیروی کمکی برای هواپیما، توربوشارژرها و توربین های گازی صنعتی کوچک کاربرد پیدا می کنند.

جریان در توربینها دارای خصوصیاتی چون گرادیان فشارهای بزرگ و متنوع و نرخ انتقال حرارت بالا می باشد که ناشی از گازهای داغی است که از محفظه احتراق خارج می شوند. به دلیل محیط با دمای بالا که توربین ها در معرض آن هستند، جریانهای خنک کاری لایه ای برای حفاظت اجزای توربین و دیواره ها از صدمات حرارتی به کار گرفته می شود. این جریان های خنک کننده به درون مسیر جریان اولیه و از طریق سوراخهایی در تیغه های توربین و دیواره ها، تزریق می شوند.

اثر متقابل جت های خنک کننده با جریان اصلی منجر به ساختارهای پیچیده جریان هوا با گرادیانهای دمایی بالا در مسیر اصلی گاز می شود.

همانند سیستمهای تراکمی، میدان جریان در توربین نیز تحت تأثیر لایه های مرزی تیغه و دیواره، اثر متقابل تیغه، دیواره، چرخش، سرعت نسبی Shroud، جریان نشتی نوک پره، شوکها، اثر متقابل شوک- لایه مرزی، جریان ناپایدار، و اثر متقابل ردیف پره ها قرار دارد که باعث ایجاد یک جریان بسیار پیچیده و سه بعدی می شود.

در قسمت بعدی، بسیاری از این حالتهای میدان جریان توربین با جزئیات بیشتر برای هر دو نوع توربین شعاعی و محوری مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

جریان در توربین های محوری:

توربین های محوری از یک یا چند طبقه از استاتور و روتور برای انبساط جریانی که از محفظه احتراق خارج می شود، استفاده می کنند. آنها در سرعتهای دورانی بالایی کار می کنند و می توانند جریانهای فراصوتی را تجربه کنند. مسیر جریان مربوط به این توربین ها تغییرات شعاعی کمی در امتداد ردیف پره ها دارند و جریان ورودی و خروجی اساساً در راستای محوری است. تیغه های توربین های محوری معمولاً دارای ضریب شکل پایین و پیچش بالا هستند. آنها نوعاً ضخیم بوده و لبه حمله آنها گرد است تا مطابق با مسیرهای خنک کاری داخلی آن باشد. از آنجا که توربین در محیطی از گازهای داغ خروجی از محفظه احتراق کار می کند، انتقال حرارت یک مسئله مهم است. طبقات اولیه توربین جریانهای با دمای بالائی را تحمل می کنند و در نتیجه آنها نوعاً از نوع خاصی جریان خنک کاری بهره می برند.

این جریان می تواند از گذرگاههای خنک کاری داخلی و از طریق سوراخهایی در تیغه، تزریق شود تا یک لایه محافظ از هوای خنک تر در طول سطح ایرفویل را فراهم آورد. هوای خنک کننده همچنین می تواند در طول دیواره ها تزریق شود. در نتیجه، جریان اصلی تحت تأثیر این جریان خنک کننده قرار خواهد گرفت. علاوه بر این، رفتار گازهای داغ محفظه احتراق، با عبور آن از ردیف پره های متوالی تغییر خواهد کرد.

کارکرد توربین های محوری می تواند توسط بسیاری از پدیده های پیچیده جریان تحت تأثیر قرار گیرد. بنابراین، درک صحیح ساختار و خصوصیات انتقال گرما در جریان، دارای اهمیت بالایی در یک طراحی موفق می باشد. از آنجایی که آزمودن تمام این ویژگیها در اینجا غیرممکن است، گزیده ای از پدیده های جریان بطور خلاصه مورد بحث قرار خواهد گرفت تا یک فهم کلی از طبیعت پیچیده میدانهای جریان در توربینهای محوری فراهم گردد.

عوامل قابل توجهی در رابطه با تلفات در توربینهای محوری، لایه مرزی دیواره ها و جریان ثانویه مربوط می باشد. این ساختارهای جریان، توسط پژوهشگران متعددی در طی سالها مورد بررسی قرار گرفته اند. Langston[22] یک مطالعه موشکافانه در مورد جریان سه بعدی در ردیف پره توربین هواپیمای فروصوتی انجام داد که روی جریان دیواره ها متمرکز بود. Sieverding[23] یک بازنگری جامع از جریان ثانویه در گذرگاههای مستقیم پره های توربین، تألیف نمود. وی ساختار گردابه های جریان ثانویه و اثر آنها بر روی لایه مرزی دیواره هاو تلفات را تشریح کرده sharma, Butler[24] بررسی بیشتری را براساس آزمایشات بیشتر با ردیف پره ها فراهم کردند در اواخر Detemple-Laake[25] جریان های دیواره ها را برای ردیف پره های توربین هواپیما ی فراصوتی مورد آزمایش قرار دادند. براساس توضیحات آنها خلاصه ای از خصوصیات جریان ثانویه و دیواره ها قابل جمع آوری است. در ناحیه لبه حمله لایه مرزی دیواره جدا شده و بصورت گردابه های نعل اسبی به چرخش در می آید. این گردابه دو بازو دارد که به دور لبه حمله برروی هر دو سطح فشار ومکش تیغه می پیچد. دو بازوی گردابه های نعل اسبی که وارد هر گذرگاهی از ردیف پره های می گردد. در جهت مخالف گردش می کنن. وقتی که بازوی سمت فشار گردابه نعل اسبی وارد گذرگاه می شود به سمت مکش تیغه مجاور هدایت می گردد که بعلت اختلاف فشار تیغه به تیغه می باشد. جریانهای دیواره ای قوی در گذرگاه از سمت فشار به سمت مکش بازوی سمت فشار گردابه را تغذیه می کند و بصورت گردابه گذرگاهی رشد می کند که مشخصه بازو میدان جریان است.

بازوی سمت مکش گردابه نعل اسبی بعلت گردایان فشار معکوس در گذرگاه به روی سطح مکش پشت لبه حمله روبیده می شود گردابه قسمت مکش از شکل سطح مکش ایرفویل پیروی می کند و نزدیک دیواره باقی می ماند. تا اینکه گردابه گذرگاه با آن درآمیخته و بازوی سمت مکش گردابه را از دیواره دور می کند. با حرکت جریان به سمت پایین دست جریان بازوی سمت مکش گردابه به دور قسمت بیرونی گردابه گذرگاهی گردش می کند که دارای گردش مخالف است. قسمت اعظم سیال از لایه مرزی ورودی به درون گردابه نعل اسبی روبیده می شود؛ اگرچه سیال مربوط به قسمت داخلی لایه مرزی ورودی ردیف پره اصلی قسمتی از گردابه نمی شود. در عوض این سیال به سوی سمت مکش تیغه هدایت می شودجایی که در آن از سطح ایرفویل بالا می رود. و یک نوار باریکی از سیال روی ایرفویل را بوجود می آورد و از ردیف پره در بالای گردابه گذرگاه خارج می شود. از آنجا که سیال یک لایه مرزی بسیار نازک درپایین دست سیستم گردابه نعل اسبی شکل می گیرد. با حرکت بازوی سمت فشار گردابه نعل اسبی در عرض گذرگاه سیال لا مومنتوم کم را از این لایه مرزی تازه تشکیل شده بدنبال خود می کشد و رشد می کند تا تبدیل به گردابه گذرگاهی شود.

لایه مرزی های تیغه و دنباله نیز در تلفات توربین های محوری سهیم هستند.statny , sararik[26] رفتار لایه مرزی را در یک ردیف پره توربین فراصوتی مستقیم آزمایش کردند. آنها مشخص کردند که در قسمت مکش تیغه یک کاهش پایداری لایه مرزی آرام در ناحیه گلوگاهی در محل اولین تراکم فراصوتی اتفاق افتاده یک کاهش پایدار نیز در لایه مرزی آرام در روی سطح فشار رخ داد ولی انتقال به جریان مغشوش رخ نداد که بعلت شتاب بعدی جریان بعد از تراکم صوتی می باشد.

مشخصات جریان در دنباله پایین دست استاتور یک توربین محوری توسط [21]Romey, Binder مورد آزمایش قرار گرفت. مطالعات آنها روی اختلاف دنباله و رفتار جریان گردابی ثانویه متمرکز بود. آنها تلفات ناشی از جریان دنباله در چهار موقعیت محوری پایین دست لبه فرار استاتور را مورد بررسی قرار دادند.

در نزدیک لبه فرارر دنباله بصورت یک ناحیه با تلفات بالا مشاهده می شود که مقداری در جهت شعاهی متمایل شده بود که بعلت توزیع شعاعی زاویه جریان خروجی استاتور است. علاوه برحضور دنباله در ناحیه پرتلفات نزدیک دیواره شناسایی شده این ساختارها ناشی از گردابه های گذرگاهی shroud و hub بودند. ناحیه پرتلفات ناشی از گردابه گذرگاه shroud بسیار نزدیک به hub قرار گرفته است. این رفتار از گردایاان فشار شعاعی ناشی می شود که یک جریان به سوی hub تولید کرده و باعث می شود که گردابه های گذرگاهی بصورت شعاعی بداخل حرکت کنند و درون دنباله جریانی حتی شدیدتر به سمت hub وجود دارد و باعث انتقال سیال کم انرژی از دنباله به سمت داخل شده و ناحیه تلفات در نزدیکی hub را افزایش می دهد. در پایین دیست دنباله بیشتر در جهت شعاعی منحرف می شود. در نزدیکی shroud دنباله توسط گردابه گذرگاه shroud تغییر شکل داده می شود. همچینن درون دنباله گردابه های دیگری در ارتباط با گردابه های رها شده از لبه فرار و گردابه های باقیمانده از بازوی سمت مکش گردابه نعل اسبی حضور دارند. هم اختلاط دنباله و هم جریان شعاعی روبه داخل سیال کم انرژی تمایل به کاهش تلفات در دنباله دارند. تقریباً باندازه 3/3 طول وتر به سمت پایین دست نواحی گسسته پرتلفات با هم مخلوط می شوند و خود دنباله نیز دیگر قابل رؤیت نیست.

شوکها و اثر متقابل شوک لایه مرزی نیزمنبع بزرگی از تلفات در میدان جریانی توربین های محوری فراصوتی می باشند. [25]Detemple-Leak, [28]kost, Graham اثر متقابل بین شوکها و جریانهای لایه مرزی را برای ردیف پره های توربین های فراصوتی دور بالا در گستره ای از اعداد ماخ خروجی مورد آزمایش قرار دادند.

خلاصه ای از یافته های آنها بینشی را نسبت به پیچیدگی های تعامل شوک- لایه مرزی فراهم می آورد. برای اعداد ماخ خروجی مادون قرمز جریان گذرگآهی به سرعت در طول سطح مکش شتاب می گیرد و به سمت گلوگاه در پایین منبسط می شود که همراه با نواحی محلی با جریان مافوق صوتی می باشد. این نواحی مافوق صوت در پائین دست و در یک شوک نرمال از بین می روند. با افزایش عدد ماخ خروجی به حالت فراصوتی ردیف پره خفه می کند و جریان در پائین دست گلوگاه بصورت فراصوتی منبسط می شود و یک شوک نرمال قوی در لبه فرار ایجاد می کند.