ناپایداری در کمپرسورهای محوری

منتشرشده توسط صادق صالحی در تاریخ

ناپایداری در کمپرسورهای محوری- معرفی

امروزه برای دستیابی به الزامات زیست محیطی، آلودگی‌های صوتی و ملاحظات اقتصادی، باید محصولاتی بسیار کاراتر به ویژه در عرصه انرژی و حمل و نقل توسط صنایع، طراحی و تولید شوند. کمپرسور یکی از اجزای اصلی هر توربین‌گاز بوده که به واسطه گرادیان فشار معکوس، جریان در آن ماهیتی ناپایا دارد. پایداری آیرودینامیکی و بازدهی کمپرسور از پدیده‌هایی نظیر جریان نشتی درز نوک پره به ویژه در شرایط خارج طرح، متاثر می‌شود. از این رو آشنایی و درک مناسب از فیزیک این پدیده و روش‌های کاهش اثرات آن در طراحی‌های جدید از اهمیت بالایی برخوردار است. در این فصل به تشریح جریان نشتی درز نوک و ناپایداری‌های ناشی از آن پرداخته شده است. همچنین روش‌های کنترل این جریان و کاهش اثرات نامطلوب آن معرفی خواهد گردید.
در کمپرسورها فاصله کوچکی بین نوک پره‌های دوار و پوسته ثابت وجود دارد که به آن درز نوک اطلاق می‌گردد. این فاصله برای حرکت نسبی بین پره و پوسته الزامی است. اختلاف فشار بین سطوح فشار و مکش پره، سبب ایجاد جریان سیال از سمت فشار به سمت دیگر شده که در ترکیب با جریان اصلی جریان نشتی نوک پره را تشکیل می‌دهد. این جریان رفتار آیروترمودینامیکی جریان را در ناحیه نوک پره متاثر ساخته و اثرات به‌سزایی بر قابلیت افزایش فشار، بازدهی کمپرسور و پایداری آن اعمال می‌کند. همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود، جریان نشتی نوک به صورت یک لایه برشی به سمت هسته گردابه تولید شده می‌چرخد. جریان نشتی نوک تاثیر خود را با دو پدیده اصلی گرفتگی یا مسدودشدگی جریان تولید انتروپی یا ایجاد افت اضافی نشان می‌دهدمسدودشدگی نسبی جریان، به عنوان یک اثر موضعی منجر به کاهش سطح مقطع موثر عبور جریان و متعاقبا کم شدن افزایش فشار، کارایی و بازه جریان عملکردی پایدار می‌شود. جنبه دیگر این پدیده از لحاظ اثرات ترمودینامیکی که منجر به تولید انتروپی اضافی می‌گردد، این اثرات به صورت کلی بوده و نهایتا باعث کاهش بازدهی کمپرسور می‌شود.

پدیده جریان نشتی درز نوک، در هر دو موتورهای توربین گاز هوایی و صنعتی وجود داشته و از لحاظ ماهیت فیزیکی مشابه هم هست. تفاوت‌هایی در فرآیند طراحی و پارامترهای حاکم بین این دو نوع موتور وجود داشته که متعاقبا به آن‌ها اشاره خواهد شد. اول اینکه به واسطه طول نسبتا زیادتر پره‌ها در طبقات ابتدایی و طول کمتر پره‌ها در طبقات انتهایی، معمولا درز نوک پره در کمپرسور توربین‌های گاز صنعتی بزرگ، می‌تواند کوچکتر از 5/0درصد طول وتر پره در طبقات ابتدایی و بزرگتر از 5 درصد طول پره در طبقات انتهایی می‌باشد. لذا اندازه درز نوک در توربین‌های گاز بزرگ صنعتی تغییرات وسیعی نسبت به کمپرسور در موتورهای هوایی دارد. دوم اینکه به خاطر ملاحظات اقتصادی، در کمپرسور توربین‌های گاز صنعتی از استاتور یک‌سرگیردار به جای استاتور دوسرمتصل استفاده می‌شود. در نتیجه به اضافه درز نوک، کمپرسور درزی در ناحیه هاب نیز خواهد داشت. این درز مابین استاتور ثابت و هاب دوار بوده که منجر به افت اضافی به دلیل جریان نشتی هاب می‌شود. کمپرسورهای هوایی عموما دارای استاتورهای مهار شده هستند که مشکلات آیرو- مکانیکی را کاهش می‌دهند. و سوم اینکه توربین‌های گاز صنعتی بزرگ و چند طبقه در شرایط عملکرد در اعداد رینولدز بالا مثلا بین و  کار کرده، حال آنکه موتورهای توربین گاز هوایی نوعا در اعداد رینولدز کوچکتر از  کار می‌کنند.
جريان نشتي نوک اثرات نامطلوب گسترده‌اي را بر عملکرد توربوماشين‌ها بر جاي مي‌گذارد. این اثرات عبارتند از:
ازدياد اتلافات و در نتیجه کاهش بازدهی
توليد توربولانس
اثرات حرارتي
ايجاد نويز
توليد و گسترش ناپايداري‌ها در جريان (از جمله استال دوراني و سرج)
ایجاد نیروها و گشتاورهای آیرودینامیکی نوسانی موثر بر پره و افزایش احتمال بروز خستگی و شکست کنترل جريان نشتي نوک و متعاقب آن اثرات منتج از اين جريان جهت دست‌يابي به کارايي بهتر، قابليت اطمينان بالاتر، عمر بيشتر و عملکرد بهتر ضروري است.
 در ادامه، هر يک از اثرات مذکور به‌صورت اجمالي مورد بررسي قرار گرفته‌اند.در زمينه اثرات اتلافي جريان نشتي نوک، بوثدريافت که بيش از 30 درصد اتلافات رخ داده در يک مرحله از رتور توربين، مربوط به جريان نشتي نوک است. اسچابو همکاران گزارش دادند که در يک توربين مدرن و کارا بيشتر از 45 درصد اتلافات ردیف پره رتور توربين و بيش از 30درصد اتلافات طبقه آن مي‌تواند مربوط به جريان نشتي نوک باشد. اثر مهم جريان نشتي نوک، کاهش بازده آيروديناميکي است. دومين اثر جريان نشتي نوک، توليد توربولانس است. بوليتس و سيوردينگ نشان دادند که اثر ورتکس نشتي نوک در توليد توربولانس به مراتب بيشتر از اثر ورتکس‌هاي گذرگاه مي‌باشد؛ اين موضوع به دليل قدرت بيشتر ورتکس‌هاي نشتي نوک است.سومين اثر جريان نشتي نوک، توليد حرارت در منطقه درز نوک است. بلير نشان داد که شار حرارتي در نزديکي نوک پره، 5 تا 6 برابر اين مقدار در ميانه ارتفاع پره است. خنک‌کاري در منطقه درز نوک و در سمت فشار پره امر بسيار مشکلي بوده و مانعي در اصلاح کارايي توربوماشين محسوب مي‌شود.اثر ديگر جريان نشتي نوک، ايجاد لرزش و توليد نويز مي‌باشد. جريان نشتي نوک و ورتکس‌هاي به وجود آمده سبب ارتعاشات سازه توربوماشين و توليد صدا مي‌گردند. مطالعات صورت گرفته توسط گانز و همکارانش دلالت بر اين نکته دارد که يکي از منابع مهم توليد صدا در موتور هواپيماها، ناشي از اثر متقابل جريان نوک پره رتور با لايه مرزي جريان درهم ورودي است. علاوه بر اين اندازه درز نوک و بارگذاري پره، شدت صداي فن را تغيير داده و سبب توليد صدا در موتور هواپيما مي‌گردند.تحقيقات نشان داده‌اند که جريان نشتي نوک، نقش مهمي ‌را در شکل‌گيري و گسترش ناپايداري‌ها در کمپرسورها از جمله پديده‌هاي استال دوراني و سرج ايفا مي‌نمايد.

0 دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

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