13777

13777

تحقيق تجربي و عددي شكل‌گيري استال دوراني ناشي از جريان نشتي نوك پره‌ها در كمپرسورهاي محوري

دكتري

مكانيك - تبديل انرژي

آبان ماه 1393

آبان ماه 1393

دكتر رضا تقوي زنوز

چكيده وجود درز نوك پره‌هاي رتور در كمپرسورهاي محوري سبب وقوع ورتكس نشتي نوك و كاهش كارايي كمپرسور مي‌گردد. همچنين جريان نشتي نوك پره منجر به شكل‌گيري و گسترش ناپايداري‌ها در اين ناحيه مي‌گردد. اين ناپايداري‌ها كه به استال اسپايك معروف هستند شامل اغتشاشاتي مي‌باشند كه با طول موجي در حدود دو تا سه گام پره در نوك پره‌ها رخ داده و با سرعتي كمتر از سرعت رتور در جهت محيطي منتشر مي‌شود. استال دوراني، به عنوان يكي از عوامل محدود‌كننده‌ي پايداري كمپرسورها، ‌سبب رخ‌داد شرايط عملكردي بحراني از جمله ازدياد بار ديناميكي روي پرّه‌ها و در نتيجه بروز صدمات مكانيكي مي‌شود. بنابراين شناخت رفتار پريوديك ورتكس نشتي نوك و اثرگذاري آن بر شكل‌گيري استال دوراني از اهميت به سزايي برخوردار است. ايجاد شيار روي پوسته كمپرسور از جمله روش‌هايي است كه جهت اصلاح پايداري و كارايي كمپرسور و كاهش اثرات نامطلوب ورتكس نشتي نوك مورد استفاده قرار مي‌گيرد. تحقيقات در اين زمينه عمدتا به تاثير شيار پوسته بر عملكرد كلي كمپرسور محدود بوده و تاثير آن روي ديناميك جريان كمتر مورد توجه قرار گرفته است. هدف اين رساله بررسي اثرات جريان نشتي نوك پره‌ها بر شكل‌گيري استال دوراني در يك كمپرسور محوري سرعت پايين به صورت تجربي و عددي مي‌باشد. شبيه‌سازي‌هاي عددي ‌در اين رساله ‌با استفاده ‌از نرم‌افزار فلوئنت انجام شده‌اند. به اين منظور يك كمپرسور محوري تك مرحله‌اي با رتور ايزوله شده در نظر گرفته شده و تاثير جريان نشتي نوك بر شكل‌گيري استال دوراني مورد توجه قرار گرفته است. منحني عملكرد كمپرسور محوري استخراج و با نتايج تجربي مقايسه شده كه انطباق خوبي مشاهده مي‌گردد. بر اساس شبيه‌سازي ناپاياي جريان، رفتار جريان نشتي نوك در ضرايب جريان مختلف اعم از شرايط طراحي تا شرايط نزديك استال مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور تعيين فركانس دقيق جريان نشتي نوك ناپايا، سيگنال‌هاي فشار سطحي ناپايا در منطقه درز نوك استخراج شده‌اند. به منظور بررسي تجربي اين پديده، در تحقيق حاضر، دستگاه تست ريگ كمپرسور محوري طراحي و ساخته شده است. طراحي و ساخت چنين تست‌ريگي علاوه بر صرف هزينه و زمان نسبتاً زياد، نيازمند دانش فني و تكنولوژي ساخت نسبتا بالايي مي‌باشد. لذا ساخت اين دستگاه، دستاورد بزرگي در حوزه طراحي و ساخت تست‌ريگ كمپرسور و انجام آزمايش‌هاي تحقيقاتي و توسعه‌اي بر روي كمپرسور محوري مي‌باشد. با طراحي سيستم جمع‌آوري اطلاعات كامپيوتري و تعبيه حسگر‌هاي مورد نياز، آزمايشات بر روي يك رديف پره رتور صورت گرفته است. با انجام آزمايشات، منحني‌هاي مشخصه كمپرسور استخراج شده‌اند . با استفاده از سنسورهاي فشار با فركانس داده‌برداري بالا، نوسانات فشار در منطقه درز نوك در دو حالت طراحي و نزديك استال مورد بررسي قرار گرفته است. بررسي تجربي و عددي اعمال شيار در پوسته جهت كاهش اثرات نامطلوب ورتكس نشتي نوك بخش ديگري از فعاليت‌هاي اين تحقيق را شامل مي‌گردند. نتايج بررسي‌هاي تجربي نشان مي‌دهند كه در حالت پوسته صاف، با كاهش نرخ جريان جرمي از شرايط طراحي به سمت شرايط نزديك استال، اغتشاشاتي در منطقه درز نوك پديدار شده كه با فركانس مشخصي نوسان مي‌كنند. به كارگيري پوسته شياردار منجر به تضعيف اغتشاشات ورتكس نشتي نوك و در نتيجه افزايش حاشيه استال گرديده است. بررسي عددي جريان در رديف پره رتور نشان مي‌دهد كه جريان نشتي نوك نقش اصلي را در ايجاد سلول‌هاي استال ايفا مي‌كند. به منظور تشخيص وقوع استال اسپايك، معيارهاي وقوع آن در ساختار جريان يعني اسپيلاژ جريان نشتي نوك از لبه حمله و برگشت جريان از لبه فرار مورد بررسي قرار گرفته‌اند. ارزيابي اين معيارها نشان‌دهنده رخداد اين نوع استال در يك ضريب جريان خاص مي‌باشد. در اين وضعيت، كاركرد بيشتر كمپرسور منجر به افزايش تعداد سلولهاي استال بدون تغيير قابل توجه در اندازه‌ي آنها و وقوع اغتشاشاتي با فركانس كمتر و دامنه بالاتر گرديده است. به كارگيري پوسته شياردار منجر به تضعيف قدرت جريان نشتي نوك در مقابل جريان اصلي و كاهش انسداد جريان در شرايط نزديك استال گرديده است. تحليل عددي جريان در پوسته شياردار، نشان‌دهنده حذف جريان برگشتي از لبه فرار و بالتبع عدم رخداد استال اسپايك در اين پوسته مي‌گردد. بدين ترتيب حاشيه استال افزايش يافته و كمپرسور در ضرايب جريان كمتري قادر به عملكرد پايدار مي‌باشد. واژه‌هاي كليدي: كمپرسور محوري، جريان نشتي نوك، استال دوراني، استال اسپايك، تست‌ريگ كمپرسور محوري