بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها

فهرست مطالب
عنوان                                                                                     صفحه
___________________________________________________
پیش گفتار
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

« پیش گفتار»
توربو ماشین ها، بویژه توربین گاز و موتور جت، امروزه نقش به سزایی در زمینه  های مختلف صنعتی، تولید نیرو و کاربردهای هوا و فضا و حمل و نقل هوایی و کاربردهای نظامی پیدا کرده است. از طرفی با افزایش تقاضا و همچنین افزایش هزینه های مربوط به تأمین سوخت بر این توربو ماشینها، و نیاز به طراحی ماشینهایی کاراتر، کوچکتر، سبکتر، وبا مصرف سوخت کمتر، تحقیقات مختلفی در این راستا شکل گرفته است. به ویژه با پیشرفت های چشمگیر تکنولوژی در زمینه های مختلف از جمله تکنیکهای جدید محاسبات عددی و کامپیوتری، مدلسازی و محاسبات سه بعدی، این گونه تحقیقات شتاب بیشتری گرفته است. در این مقاله که در دو بخش ارائه می شود، سعی شده است که اطلاعاتی در مورد مشخصات کلی این توربو ماشینها و میدانهای جریان موجود در آنها ارائه گردد.
در بخش اول، مطالبی در مورد ویژگیهای میدانهای جریان درانواع مختلف توربو ماشینها، از جمله توربینها  و کمپرسورها، اعم از محوری یا سانتریفیوژ ارائه شده و با تشریح رفتار سیال در بخشهای مختلف این ماشینها، عوامل اصلی تلفات و افت بازده بازگو می گردد. سپس روشها و مراحل تحلیل و مدل سازی برای فرآیندهای طراحی بررسی خواهد شد.
بخش دوم به آزمونهای کارآیی توربو ماشینها  می پرادزد.در این بخش با انواع ابزار و سخت افزاره و روشهای مربوط به تست و جمع آوری اطلاعات، در مورد انواع مشخصه ها و کمیت های جریان در نقاط مختلف توربو ماشین آشنا خواهیم شد. سپس این اطلاعات برای بررسی چگونگی عملکرد ماشین، با روشهای خاصی مورد پردازش و تحلیل قرار می گیرد. در انتها نیز روشهای ارائه این اطلاعات در قالب نقشه ها یا نمودارهای مناسب، مورد بحث قرار می گیرد.

بخش اول
1-1 دینامیک سیالات در توربو ماشین ها
2-1 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.
وقتی که اهداف IHPTET نهایت پیشرفت در کارآیی را ارائه می دهد، طبیعت بسیار رقابتی فضای کاری کنونی، افزایش بازده را برای تمام محصولات توربو ماشینی جدید طلب می کند. به خصوص با قیمتهای سوخت که بخش بزرگی از هزینه های مستقیم بهره برداری خطوط هوایی را به خود اختصاص داده است،  SFC، یک فاکتور کارایی مهم برای موتورهای هواپیمایی تجاری می باشد.
اهداف مربوط به کارایی کلی موتور، مستقیما به ملزومات مربوط به بازده آیرودینامیکی مخصوص اجزاء منفرد توربو ماشین تعمیم می یابد. در راستای رسیدن به اهداف مورد نیازی که توسط IHPTET و بازار رقابتی به طور کلی آنها را تنظیم کرده اند، اجزای توربو ماشینها باید به گونه ای طراحی شوند که پاسخگوی نیازهای مربوط به افزایش بازده، افزایش کار به ازای هر طبقه، افزایش نسبت فشار به ازای هر طبقه، و افزایش دمای کاری، باشند.
بهبودهای چشمگیری که در کارایی حاصل خواهد شد، نتیجه ای از بکار بردن اجزایی است که دارای خواص آیرودینامیکی پیشرفته ای هستند. این اجزا دارای پیچیدگی بسیار بیشتری نسبت به انواع قبلی خود هستند که شامل درجه بالاتر سه بعدی بودن، هم در قطعه و هم در شکل مسیر جریان می باشد.
میدان های جریان مربوط به این اجزا نیز به همان اندازه پیچیده و سه بعدی خواهد بود. از آنجایی که درک رفتار پیچیده این جریان، برای طراحی موفق چنین قطعاتی حیاتی است، وجود ابزارهای تحلیلگر کارآتری که از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بهره می برند، در پروسه طراحی، اساسی می باشد.
در گذشته، طراحی قطعات توربو ماشین ها با استفاده از ابزارهای ساده ای که بر اساس مدلهای جریان غیر لزج دو بعدی بودند کفایت می کرد. اگرچه با روند کنونی به سمت طراحی ها و میدانهای جریان پیچیده تر، ابزارهای پیشین دیگر برای تحلیل و طراحی قطعات با تکنولوژی پیشرفته مناسب نیستند. در حقیقت جریانهایی که با این قطعات برخورد می کنند، به شدت سه بعدی (3D)، ویسکوز، مغشوش و اغلب با سرعت ها ، در حد سرعت صوت می باشند. این جریان های پیچیده، قابل فهم و پیش بینی نیستند، مگر با بکار بردن تکنیک های مدلسازی که به همان اندازه پیچیده هستند. برای پاسخگویی به نیاز طراحی چنین قطعاتی، ابزارهای CFD پیشرفته ای لازم است که قابلیت تحلیل جریانهای سه بعدی، لزج و در محدوده صوتی، مدل سازی اغتشاش و انتقال حرارت و برخورد با پیکربندی های هندسی پیچیده را داشته باشد. علاوه بر این، جریانهای گذرا (ناپایا) و تعامل ردیفهای چندگانه تیغه ها باید مورد ملاحظه قرار گیرد.
هدف این فصل این است که بازنگری مختصری از مشخصات جریان در انواع مختلف قطعات توربوماشینها ارائه داده و نیز خلاصه ای از قابلیتهای تحلیلی CFD که مورد نیاز برای مدل کردن چنین جریانهایی هستند را بیان کند.
این باید به خواننده، درک بهتری در مورد تاثیر جریان بر طراحی چنین اجزایی و میزان کارایی مدل سازی مورد نیاز برای آنالیز اجزاء بدهد. تمرکز بر روی کاربردهای موتورهای هواپیما خواهد بود، ولی دهانه های ورودی، نازلها و محفظه های احتراق مورد توجه خواهند بود. به علاوه یک بررسی از هر دو گرایش طراحی قطعات و ابزارهای تحلیل CFD را شامل می شود. به علت پیچیدگی این موضوعات، تنها یک بحث گذرا ارائه خواهد شد. اگرچه مراجع فراهم شده اند تا به خواننده اجازه دهد این مباحث را با جزئیات بیشتر جستجو کند.