بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها

تعداد صفحات :173

1- بخش اول

1-1 دینامیک سیالات در توربوماشینها                                                  1                                            

2-1 مقدمه                                                                                          1

3-1 ویژگیهای میدانهای جریان در توربوماشینها                                    4

4-1 ویژگیهای اساسی جریان                                                               4

5-1 جریان در دستگاههای تراکمی                                                        7

6-1 جریان در فن ها و کمپرسورهای محوری                                        8

7- 1جریان در کمپسورهای سانتریفیوژ                                                16

8-1 جریان در سیستمهای انبساطی                                                       21

9-1 جریان در توربینهای محوری                                                         23

10-1 جریان در توربینهای شعاعی                                                       37

11-1 مدلسازی میدانهای جریان توربوماشینها                                       41

12-1 مراحل  مختلف مدلسازی مرتبط با فرآیند طراحی                          42

13-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی ابتدائی                              44

14-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی جز به جز                          46

15-1 قابلیتهای حیاتی برای تجهیزات آنالیز جریان در توربوماشینها         47

16-1 مدلسازی فیزیک جریان                                                               49

17-1 معادلات حاکم و شرایط مرزی                                                     50

18-1 مدلسازی اغتشاش وانتقال                                                           55

19-1 تحلیل ناپایداری و اثر متقابل ردیف پره ها :                                   61

20-1تکنیک های حل عددی                                                                   65

21-1 مدلسازی هندسی                                                                       70

22-1 عملکرد ابزار تحلیلی                                                                    77

23-1 ملاحظات مربوط به قبل و بعد از فرآیند                                         81

24-1 انتخاب ابزار تحلیلی                                                                     86

25-1 پیش بینی آینده                                                                           89

26-1 مسیرهای پیش رو در طراحی قطعه                                              90

27-1 مسیرهای پیش رو در قابلیتهای مدلسازی                                     93

28-1 خلاصه                                                                                      96

مراجع                                                                                                 99

                             2- بخش دوم

1-2 آزمونهای کارآیی توربو ماشینها                                        104

2-2 آزمونهای کارآیی آئرودینامیکی                                           104

3-2 اهداف فصل                                                                        104

4-2 طرح کلی بخش                                                                    105

5-2 تست عملکرد اجزا                                                                106

6-2 تأثیر خصوصیات عملکردی بر روی بازده                                       109

7-  2تست عملکرد توربو ماشینها                                                113

8-2 روش تحلیل تست                                                                114

9-2 اطلاعات عملکردی مورد نیاز                                                          115

10-2 اندازه گیریهای مورد نیاز                                                   115   

11-2 طراحی ابزار و استفاده از آنها                                            120

12-2 اندازه گیری فشار کل                                                        120

13-2 اندازه گیری های فشار استاتیک                                          129

14-2 اندازه گیریهای درجه حرارت کل                                         131

15-2 بررسی های شعاعی                                                                   133

16-2 Rake های دنباله                                                              136

17-2 سرعتهای چرخ روتور                                                        138

18-2 اندازه گیریهای گشتاور                                                      139

19-2 اندازه گیریهای نرخ جریان جرم                                           139

20- 2اندازه گیریهای دینامیکی :                                                  140

21-2 شرایط محیطی                                                                  143

22-2 سخت افزار تست                                                               143

23-2 ملاحظات طراحی وسایل                                                     148

24-2 نیازهای وسایل                                                                 149

25-2 ابزارآلات بازده                                                                 151

26-2 اندازه گیریهای فشار                                                         151

27-2 اندازه گیریهای دما                                                            155

28-2 اندازه گیریهای زاویه جریان                                               158

29-2 روشهای تست و جمع آوری اطلاعات                                   161

30-2پیش آزمون                                                                       161

31-2 فعالیت های روزانه قبل از آزمون                                        162

32-2 در طی آزمون                                                                   163

33-2 روشهای آزمون                                                                163   

34-2 ارائه اطلاعات                                                                    165

35-2 تحلیل و کاهش اطلاعات                                                      165

36-2 دبی اصلاح شده                                                                166

37-2 سرعت اصلاح شده                                                            167

38-2 پارامترهای بازده                                                              167

39-2 ارائه اطلاعات                                                                    170

40-2 نقشه های کارآیی                                                              170

41-2 مشخص کردن حاشیه استال (stall margin)                       171   

مراجع                                                                                       173

مقدمه:

در طراحی کنونی توربو ماشینها، و بخصوص برای کاربردهای مربوط به موتورهای هواپیما، تاکید اساسی بر روی بهبود راندمان موتور صورت گرفته است. شاید بارزترین مثال برای این مورد، «برنامه تکنولوژی موتورهای توربینی پر بازده مجتمع» (IHPTET) باشد که توسط NASA و DOD حمایت مالی شده است.

هدف IHPTET، رسیدن به افزایش بازده دو برابر برای موتورهای توربینی پیشرفته نظامی، در آغاز قرن بیست و یکم می باشد. بر حسب کاربرد، این افزایش بازده از راههای مختلفی شامل افزایش نیروی محوری به وزن، افزایش توان به وزن و کاهش معرف ویژه سوخت (SFC) بدست خواهد آمد.

ویژگیهای میدان های جریان در توربو ماشین ها:

در این قسمت از فصل، خصوصیات اولیه میدانهای جریان توربو ماشینها بررسی خواهد شد. اگرچه بحث اساسا کاربرد موتورهای هواپیما را مورد توجه قرار خواهد داد، ولی بسیاری از خصوصیات جریان برای توربو ماشینها عمومیت دارند علاوه بر بازنگری مختصر بر ویژگیهای میدانهای جریان عمومی، طبیعت جریانهای خاص در انواع گوناگون اجزاء مورد توجه قرار خواهد گرفت

جریان در فن ها و کمپرسورهای محوری:

فن ها و کمپرسورهای محوری در بسیاری از موارد عمومی مشابه هم هستند، هر دو دستگاههای تراکمی هستند که مسیر جریان در آنها به نسبت دارای تغییر شعاع کمی است، و هر دو دارای جریانهای ورودی و خروجی هستند که اساسا در راستای محوری می باشند.

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.

مراحل مختلف مدلسازی مرتبط با فرآیند طراحی :

هدف از فرایند  طراحی آیرودینامیکی برای اجزای توربوماشین حداقل کردن افت وحداکثرکردن بازده آئرودینامیکی از طریق ملاحظات اقتصادی، فیزیکی و هندسی د راجزا است.

این هدف در طی پروسسی انجام می شود که شامل دو فاز مقدماتی است: طراحی ابتدای و طراحی جزء به جزء این دو فاز براساس اهداف ویژه ای با هم متفاوت هستند.

فاز طراحی ابتدایی ویژگیهای کلی اجزاء را تعیین می کند به نحوی که نیازمندیها والزامات کلی موتور را تأمین  کند.

عملکرد ابزار تحلیلی:

 نتایج طراحی قطعات مربوط به توربوماشین ها همیشه توسط جدول و منابع محدود می شود. در نتیجه کاربرد ابزارهای تحلیلی متمرکز CFD ممکن است طی طراحی محدود شود. به این دلیل پیشرفتها د رعملکرد ابزار تحلیلی، می تواند بطور قابل توجهی سودمند باشد. راه حل های سریعتر انتخاب های بیشتری را برای طراحی در یک زمان معین را ارائه می کنند و به این وسیله شانس بیشتری را برای موفقیت در رسیدن به اهداف ایرودینامیکی قطعه حاصل می شود. بطورمتناوب با انجام تحلیلهای کمتر اما تکمیل سریعتر آنها زمان حلقه طراحی برای یک قطعه معین کمتر می شود که این می تواند یک مرجع آزاد برای سایر فعالیت ها باشد. با کاهش قابل قبول در زمان محاسبه، ممکن می شود که ابزارهای تحلیلی پیشرفته CFD به کار روند که در غیر اینصورت، برای طراحی غیر مفید بودند. بنابراین فیزیک پیچیده جریان، دقیقتر مدل سازی می شوند و تصویر واقع گرایانه تری از رفتار جریان قبل از تصمیم گیریهای بحرانی برای طراحی فراهم می شود.

انتخاب ابزار تحلیلی:

هنگامی که ویژگی ها ی یک ابزار تحلیلی CFD تشخیص داده می شود پیش از فراگیری یا توسعه آن مهم است که توانائیهای برنامه بطور غیرضروری محدود شود. در بیشتر موارد طراح قطعه کاربردهایی را برای ابزار در خواهد یافت که فراتر از محدودیت های ابزارتحلیلی می باشد. تقاضاها برای تحلیل قطعات پیچیده تر و دامنه ای گسترده تر از شرایط جریان، بیشتر از آنچه بطور اساسی توسط ویژگی های برنامه درک می شود بر روی برنامه قرار می گیرد. بنابراین برای دوری از مشکل رشد بی حد ومرز ابزار تحلیل که ناشی از محدودیت ها می باشد قابل توصیه است که ویژگی های ابزار برای قدم فرانهادن از نیازهای اندکی باشد که جوابگوی حداقل نیاز باشد.