ناپایداری در کمپرسورهای محوری

منتشرشده توسط صادق صالحی در تاریخ

ناپایداری در کمپرسورهای محوری- سرج و استال

استال و سرج از تاثیرگذارترین پدیده‌های آیرودینامیکی بر کارایی کمپرسور از ابتدای گسترش آن بوده که مطالعات متنوعی به هدف کاهش اثر این دو پدیده بر کمپرسور انجام شده است.
در حالت عادی در کمپرسورها با کاهش دبی جرمی، فشار بیشتر می‌شود. عموما نقطه‌ای وجود دارد که افزایش فشار، به مقدار بیشینه‌ای می‌رسد. در این شرایط کاهش دبی جرمی سبب تغییراتی در الگوی جریان درون کمپرسور می‌گردد. بعد از این نقطه کمپرسور دچار استال یا سرج می‌گردد. اصطلاح متداول برای نقطه ناپایداری جریان متقارن محوری، «نقطه سرج» است و خطی که این نقاط را در سرعت‌های دورانی متفاوت به یکدیگر متصل می‌کند، به عنوان «خط سرج» شناخته می‌شود. سه حالت مختلف که تغییرات در جریان ممکن است رخ دهد در شکل زیر و در قالب مشخصه‌های دبی جرمی و افزایش فشار نشان داده شده است. این شکل برای نشان دادن رفتار کمپرسورهای محوری بسیار گویا است. شکل‌های (a) و (b) استال دورانی را نشان می‌دهند در حالی که شکل (c) بیانگر پدیده سرج است.

استال دورانی
مطابق شکل بالا (a) ، در این شرایط افت در کارایی کمپرسور نسبتا کم است و حضور استال با تغییر در صدا یا با ابزارآلات و حسگرهای فرکانس بالا قابل تشخیص است. این حالت با نام «استال پیش‌رونده» شناخته می‌شود. نوع دیگر رفتار که در شکل بالا (b) نشان داده شده است، منجر به افت زیادی در افزایش فشار و نرخ جریان می‌شود؛ وقتی کمپرسور دچار استال می‌شود، نقطه عملکردی متوسط به سرعت به سمت پایین در راستای خط تراتل به سمت نقطه‌ای که افزایش فشار ممکن است تنها بخشی از افزایش فشار نامی باشد، حرکت می‌کند. این حالت تحت عنوان «استال ناگهانی» شناخته می‌شود. در این دو حالت، جریان متقارن محوری باقی نمی‌ماند و دارای الگوی غیریکنواخت محیطی، پیرامون مجرا است که «استال دورانی» نامیده می‌شود. در نتیجه نواحی از مجرای جریان دچار استال می‌شود. این نواحی در شکل ‏2‑3 مشخص شده است. استال دورانی مکانیزمی است که کمپرسور در این شرایط با دبی جرمی جریان بسیار کمی کار می‌کند. در شرایط استال دورانی، دبی جرمی درمحیط مجرا به طور غیریکنواخت جریان دارد لذا در برخی نواحی گذرگاه پره، جریان نسبتا زیادی و در برخی نواحی جریان کمی برقرار می‌شود. در شرایط استال دورانی، دبی جرمی کلی یا دبی جرمی متوسط زمانی ثابت باقی می‌ماند اما دبی جرمی محلی با گذر سلول‌های استال تغییر می‌کند. در میان سلول‌های استال سرعت محوری بسیار کمتر از نواحی بدون استال است اما مولفه محیطی سرعت می‌تواند بزرگ باشد. پدیده استال می‌تواند به صورت چندین سلول استال یا یک سلول استال توسعه یافته به طوری که کل طول پره را دربرگیرد، با عنوان تمام‌طول، ظاهر گردد. وقتی که استال به صورت جزئی است، می‌تواند به شکل چندین سلول پدیدار گردد. استال ناگهانی مشخصه کمپرسوری است که مستقیما در شرایط استال تمام‌طول قرارگرفته، در حالی که استال پیش‌رونده بسیار شبیه‌تر به رفتار استال جزئی است. اگر کمپرسور در شرایط استال جزئی، تحت تراتل قرار گیرد، ممکن است پس از آن دچار استال تمام طولی گردیده و افت ناگهانی در بازدهی به وجود آید. سلول‌های استال همواره در جهت گردش رتور می‌چرخند. سلول‌های استال جزئی یا پاره‌طولی اغلب با سرعتی نزدیک به 50درصد سرعت دوران رتور و سلول‌های استال تمام طول معمولا با سرعت کمتر در حدود 2 تا 40 درصد سرعت دورانی، می‌چرخند. سرعت چرخش سلول‌های استال با افزایش تعداد طبقات زیادتر می‌شود. سلول‌های استال تمام‌طولی در راستای محور در تمامی طول یک کمپرسور محوری توسعه می‌یابند، در حالی که استال جزئی تنها در بخشی از کمپرسور، حتی گاهی در یک ردیف پره باقی می‌ماند. این اختلاف از آن جایی نشات می‌گیرد که ردیف پره‌ها در حالت عادی بسیار به هم نزدیک‌اند که امکان آرایش مجدد محیطی قابل ملاحظه‌ای در جریان بین طبقات باشد. در شرایط استال جزئی امکان تنظیم مجدد شرایط جریان در راستای محیطی وجود دارد.
سرج
رفتار جریانی که در شکل بالا (c) نشان داده شده، با دو حالت دیگر متفاوت است. در این شرایط جریان جرمی کلی مجرا، با زمان به طور نوسانی تغییر می‌کند. لذا تمامی کمپرسور به مقدار کم یا زیاد در شرایط استال یا عدم استال متناوبا قرار می‌گیرد. این فرآیند می‌تواند به حدی شدید باشد که جریان جرمی، معکوس شده و جریان هوا از ورودی کمپرسور خارج گردد. این پدیده سرج عمیق نامیده می‌شود. مقیاس زمانی برای پدیده سرج، بسیار بیشتر از استال دورانی است. برای یک موتور توربین‌گاز فرکانس استال دورانی می‌تواند در محدوده 50 تا 100 هرتز بوده لیکن فرکانس سرج در این حالت بین 3 تا 10 هرتز قرار دارد. فرکانس استال دورانی وابسته به سرعت دورانی و تعداد سلول‌های استال است. اگرچه فرآیند سرج ممکن است در شرایط کاملا توسعه یافته متقارن محوری باشد، اما قطعا در ابتدای شکل‌گیری و شرایط ناپایا این طور نیست. در واقع یکی از مخرب‌ترین اثرات سرج در کمپرسورهای محوری با نسبت فشار بالا، بارگذاری شدید عرضی روی رتور و پوسته به سبب ذات غیرمتقارن محوری بودن پدیده سرج است که می‌تواند منجر به آسیب‌دیدگی شدید پره و خسارت‌های متعاقب آن گردد.

0 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *