خنک کردن موتور جت

مدیران انجمن: javad123javad, parse

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami

محل اقامت: City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1125

سپاس: 1408

جنسیت:

تماس:

خنک کردن موتور جت

پست توسط rohamjpl »

ورودی‌های هوای خنک‌کننده اغلب در اطراف بیرونی موتور تعبیه می‌شوند تا اجازه ورود هوا برای خنک کردن کیس توربین، یاتاقان‌ها و نازل توربین را بدهد. ... بیرونی موتور و ناسل موتور با عبور هوای فن از اطراف موتور و ناسل خنک می شود.دما در جت هسته بالاست. سوخت زیادی توسط جت هسته مصرف می شود. با این حال، هوای بای پس آلودگی صوتی را کاهش می دهد، جت هسته را خنک می کند و مصرف سوخت کاهش می یابد. علاوه بر این، راندمان پیشرانه موتور به دلیل بای پس افزایش می یابد.هوای خنک کننده در حدود 650 درجه سانتی گراد از کمپرسور خارج می شود و از ایرفویل ها عبور می کند. با گازهای داغ و هوای خنک کننده، دمای تیغه ها را می توان تا حدود 1000 درجه سانتیگراد کاهش داد که برای عملکرد مطمئن موتور مجاز است.با عبور هوای خنک کننده از مسیرهای داخلی تیغه کار می کند. گرما از طریق رسانایی از طریق تیغه و سپس با همرفت به هوای جاری در داخل تیغه منتقل می شود. سطح داخلی بزرگ برای این روش مطلوب است، بنابراین مسیرهای خنک کننده معمولاً مارپیچ و پر از باله های کوچک هستند.
اجزای توربین درست بعد از محفظه احتراق قرار می گیرند و بنابراین در معرض بالاترین دماهای موتور قرار می گیرند. پره های توربین مستقیماً در خط آتش (به اصطلاح) این دماهای فوق العاده بالا قرار دارند. دماهای بالاتر بازده سیکل بالاتری را به همراه دارد، به این معنی که محدودیت راندمان برای یک چرخه توسط مواد توربین تعیین می شود. مواد موجود در حال حاضر تنها می توانند ظرفیت مقاومت در برابر حرارت زیادی را ایجاد کنند که خنک کردن تیغه را ضروری می کند. در این پست نگاهی خواهیم داشت به روش‌های خنک‌کننده مختلفی که برای پره‌های توربین وجود دارد و ابزار طراحی آنها.
تصویر
خنک کننده چقدر در راندمان موتورهای توربین گاز اهمیت دارد؟
در یک کلام خیلی برای توضیح بهتر به یک مثال نگاه می کنیم. موتور ساختگی ما بدون خنک کننده دارای نسبت فشار کلی 40 است که در آن حداکثر دمای مجاز ورود به توربین (TET) 1498 K است که بازده حرارتی 33٪ را ایجاد می کند. در مقایسه با یک توربین با خنک کننده، TET را می توان به 1850 K افزایش داد و بازده حرارتی 38٪ را به دست آورد. این افزایش 8 درصدی در راندمان از طریق افزودن خنک کننده است. برای دستیابی به راندمان حرارتی خوب در چرخه های ما، اجزای توربین باید خنک شوند!
فاکتور دیگری که باید در نظر گرفت، مشخصات دمای غیر یکنواخت در خروجی محفظه احتراق است. توربین HP دارای یک توزیع شعاعی دما است که منجر به ایجاد نقاط داغی به نام "رگه های داغ" از هوای رقیق شده در اطراف شعله در محفظه احتراق می شود. این طراحی توربین پرفشار (HP) به موضوع تعیین دمای اوج در هسته این رگه های داغ تبدیل می شود. مهندسان لبه جلویی پره های راهنمای ورودی (IGV) را بین این نقاط داغ قرار می دهند تا قبل از رسیدن به تیغه های روتور، حاشیه کمی برای خنک شدن فراهم کنند.
انواع خنک کننده تیغه ای
روش های حفاظت غیرفعال تیغه شامل ایجاد یک پوشش مانع حرارتی بر روی تیغه توربین، به ویژه در لبه جلویی تیغه است که ناحیه تحت بیشترین تنش حرارتی است. به عنوان مثال، می توان از یک پوشش سرامیکی لایه 0.15 میلی متری اسپری شده روی پره های راهنمای نازل (NGV) استفاده کرد، این پوشش دارای رسانایی حرارتی پایین 1.3 W/mK است. هدف از چنین پوششی کاهش شار گرما از طریق تیغه و در نتیجه کاهش دمای دیواره تیغه است. در اغلب موارد کاهش دما 100 تا 200 درجه سانتیگراد قابل دستیابی است. این معمولاً کافی نیست، مخصوصاً برای پره های توربین HP که گازهای خروجی را مستقیماً از محفظه احتراق با دمای بالا کنترل می کنند. اقدامات خنک کننده اضافی تیغه در بیشتر موارد، یعنی روش های خنک کننده هوا، مورد نیاز است.
روش های خنک کننده هوا
روش های خنک کننده هوا در کل آرایش توربین استفاده می شود. اجزای توربین با استفاده از هوای خارج شده از کمپرسور خنک می شوند. پره های استاتور و دیواره بیرونی گذرگاه جریان توربین از هوای خنک کننده ای استفاده می کنند که بین محفظه احتراق و محفظه موتور بیرونی قرار می گیرد، در حالی که تیغه های روتور توربین، دیسک ها و دیواره های داخلی گذرگاه جریان توربین از هوایی استفاده می کنند که از طریق مسیر داخلی عبور می کند. ما نگاهی دقیق‌تر به انواع خنک‌کننده‌های هوا که به‌طور خاص روی تیغه‌ها استفاده می‌شوند، خواهیم داشت.
وقتی صحبت از پره های توربین خنک کننده هوا می شود، معمولاً می توان بین دو نوع اصلی تمایز قائل شد: خنک کننده داخلی و خنک کننده فیلم و تعرق. نوع اول، خنک کننده داخلی، دمای فلز تیغه را زیر دمای گاز بیرونی با انتقال حرارت به هوای خنک کننده داخلی حفظ می کند. این می تواند شامل خنک کننده همرفت و خنک کننده برخوردی باشد که در آن هوای خنک کننده از کانال های داخل تیغه عبور می کند. در نوع دوم خنک کننده، فیلم و خنک کننده تعرق، هدف کاهش انتقال حرارت به سطح تیغه ها است. این کار از طریق خنک کننده فیلم، خنک کننده فیلم با پوشش کامل و خنک کننده تعرق انجام می شود. این روش‌ها را می‌توان به عنوان مثال با طراحی تیغه‌ای با خنک‌کننده همرفت، برخوردی و فیلم در یک تیغه ترکیب کرد.
خنک‌سازی فیلم استراتژی اصلی مورد استفاده امروزه است زیرا بهترین سازش را بین بهبود بازده ناشی از خنک‌سازی و کاهش بازده چرخه ناشی از عوامل متعدد از جمله هزینه‌های ساخت و پیچیدگی و کاهش طول عمر و استحکام تیغه‌ها فراهم می‌کند. هوای خنک از کمپرسور خارج می‌شود، به مجرای داخلی پره‌های توربین هدایت می‌شود و از طریق سوراخ‌های کوچک در دیواره‌های پره تخلیه می‌شود و جت‌های خنک‌کننده را تشکیل می‌دهند. این یک لایه نازک از هوای خنک را در امتداد سطح خارجی تیغه ایجاد می کند که به عنوان یک پتو عایق عمل می کند. توانایی فیلم خنک کننده برای خنک کردن تیغه با استفاده از پارامتری به نام "اثر خنک کننده" ارزیابی می شود. با حداکثر مقدار 1،میزان نزدیکی دمای سطح تیغه ها به دمای جریان مایع خنک کننده را اندازه گیری می کند. اثربخشی خنک کننده بیشتر تحت تأثیر پارامترهای جریان خنک کننده و همچنین هندسه تزریق است. تحقیقات پیشرفته ای برای بهبود کارایی خنک کننده و پیش بینی بهتر و افزایش عمر تیغه در حال انجام است.
در مورد تأثیر خنک کننده بر راندمان توربین چیست؟
اگرچه خنک‌سازی پره‌های توربین برای اطمینان از طول عمر و راندمان بالای توربین ضروری است، اما سه مکانیسم ممکن وجود دارد که باعث کاهش راندمان در نتیجه خنک‌سازی می‌شود. اولا، هوای خنک کننده کشش آیرودینامیکی تیغه ها را افزایش می دهد. ثانیاً، هوای خنک‌کننده هنگامی که در جریان پایین‌دست مخلوط می‌شود، فشار رکود کمتری دارد، بنابراین هوای خنک‌کننده در گذرگاه‌های خنک‌کننده دچار افت فشار می‌شود. ثالثاً، آنتروپی با انتقال حرارت از جریان گاز اولیه داغ به جریان خنک کننده افزایش می یابد. در حالی که اثرات مثبت خنک‌سازی تیغه‌ها در بیشتر کاربردها بیشتر از اثرات منفی آن است، در نظر گرفتن این اثرات هنگام طراحی توربین مهم است.
چه ابزارهایی برای کمک به طراحی خنک کننده تیغه در اختیار ماست؟
در مرحله طراحی پره های توربین، بهینه سازی جریان خنک کننده، هم برای کارایی و هم قابلیت اطمینان توربین، بسیار مهم است. با این حال، انجام یک تجزیه و تحلیل کامل سه بعدی از معابر خنک کننده و جریان خنک کننده خارجی می تواند از نظر محاسباتی بسیار گران باشد. یک شبکه جریان و گرما 1 بعدی کار طراحی را به شدت ساده می کند و تضمین می کند که قرارگیری بهینه شبکه خنک کننده و سوراخ ها حاصل می شود. خوشبختانه برای مهندسان، ابزارهایی مانند AxSTREAM NET ایجاد شبکه های جریان و انتقال حرارت یک بعدی را به شدت ساده می کند. AxSTREAM NET یک حل‌کننده مدل‌سازی سیستم یک بعدی بر اساس روش حجم محدود است که از رویکرد شبکه سیال حرارتی برای شبیه‌سازی جریان‌های ثانویه و انتقال حرارت در شرایط ثابت و ناپایدار استفاده می‌کند. این به مهندسان اجازه می‌دهد تا زمان تکرار مورد نیاز برای بهینه‌سازی تلفات خنک‌کننده آیرودینامیکی و عملکرد دستگاه و دستیابی به پیکربندی بهینه خنک‌کننده تیغه‌ها را در میان سایر کاربردها در کوتاه‌ترین زمان ممکن کاهش دهند.
شبکه لوله جریان خنک کننده در AxSTREAM NET با استفاده از شبیه سازی عددی 1 بعدی مدل سازی شده است، جایی که مسیر سیال و ساختار جریان با اتصال عناصر 1 بعدی داخلی برای تشکیل شبکه های ترمو سیال ایجاد می شود. نرم افزار با شبیه سازی انتقال حرارت همرفتی بین جریان سیال و ساختار جامد، پارامترهای جریان سیال را برای مقطع ورودی و خروجی محاسبه می کند. این پارامترها شامل سرعت، فشار، دما، چگالی، دبی جرمی و ... می باشد که خروجی های این تحلیل پارامترهای محاسبه شده جریان گاز خنک کننده و دمای سطح داخلی تیغه می باشد. این اجازه می دهد تا کارایی سیستم خنک کننده را بررسی کنید و بتوانید ببینید که آیا اهداف طراحی برآورده شده اند یا خیر. سپس محاسبات شبکه خنک کننده را می توان به راحتی به AxSTREAM® برای طراحی، تجزیه و تحلیل و بهینه سازی بیشتر توربین منتقل کرد که اجازه می دهد تا از همان ابتدا اثرات خنک کننده در طراحی توربین گنجانده شود.
خنک سازی پره های توربین یکی دیگر از وظایف پیچیده در طراحی توربین های بسیار کارآمد و قابل اعتماد است. با این حال، به لطف ابزارهای نرم افزاری مانند AxSTREAM NET، این کار به شدت ساده می شود و در عین حال بینش بیشتری در مورد جزئیات طراحی به دست می آید و به توربین اجازه می دهد تا به حداکثر پتانسیل خود برسد. روش‌های خنک‌کننده توربین همیشه در حال پیشرفت هستند و این پست فقط سطح سوژه را بررسی می‌کند.فاصله پره توربین ضروری است زیرا تیغه توربین در دمای بسیار بالا تا 1700 درجه سانتیگراد و بار گریز از مرکز بسیار بالا کار می کند. محدوده ذوب این آلیاژ 1230-1315 ºC با ضریب انبساط حرارتی 15.39E-6 در ºC می باشد.
توربین های گازی هواپیماهای مدرن با خنک کننده پره ای در دمای ورودی توربین بالای 1370 درجه سانتیگراد و در نسبت فشار حدود 30:1 کار می کنند.دمای بالا همچنین می تواند تیغه ها را مستعد شکست خوردگی کند. در نهایت، ارتعاشات موتور و خود توربین می تواند باعث خرابی خستگی شود. دو دلیل اساسی برای اهمیت انبساط حرارتی در موتورهای توربین گازی وجود دارد: تنش های حرارتی ایجاد شده در اجزای موتور و کنترل ابعاد در موتور.
در نهایت، انتخاب مواد برای یک جزء مجزا در یک موتور به اهمیت نسبی الزامات مختلف برای آن جزء بستگی دارد. اکثر بررسی‌های طراحی بر روی قدرت، قابلیت خستگی، وزن و هزینه تمرکز می‌کنند. برای قطعات در بخش توربین، مقاومت در برابر خزش و پایداری حرارتی نیز بسیار مهم است. بای پس معمولاً به انتقال نیروی گاز از یک توربین گاز به جریان عبوری هوا برای کاهش مصرف سوخت و صدای جت اشاره دارد. ، هوای بای پس آلودگی صوتی را کاهش می دهد، جت هسته را خنک می کند و مصرف سوخت کاهش می یابد. علاوه بر این، راندمان پیشرانه موتور به دلیل بای پس افزایش می یابد. هوای خنک بای پس را می توان با هوای گرمی که از هسته پشت موتور عبور می کرد مخلوط کرد. این اختلاط اگزوز موتور را خنک می کند و صدای موتور جت ناشی از انبساط سریع آن هوا را پس از خروج از موتور کاهش می دهد. هوای بای پس خنک که در اطراف هسته موتور جریان دارد نیز می تواند برای خنک سازی عمومی موتور استفاده شود. تصویر
Turbine Cooling
هنگامی که موتور روشن است مقداری از حرارت گازها به قسمت های خارجی و قطعات تاثیر می گذارد به منظور جلوگیری از داغ شدن بیش از حد این قطعات باید آنها را به طریق مناسبی خنک کرد تا به قطعات دراثر حرارت آسیب وارد نشود و توربین از کارایی مطلوب برخوردار باشد. و لذا باید توربین موتور جت به روش های مختلف که به اختصار معرفی خواهد شد خنک کاری شود خنک کاری توربین میتواند به وسیله هوا (Air) و به روش Liquid Cooling باشد در نگاه اول Liquid Cooling میتواند روش موثرتری به نظر آید زیرا دارای ظرفیت گرمایی بالا و خنک کاری بهتری میباشد اما دارای مشکلاتی میتواند باشد از جمله Leakage – corrosion و Air مقدار هوای موردنیاز برای این منظور 1 تا 3 درصد از جریان هوای اصلی میباشد که این جریان هوا میتواند Blade Temperature را 200 تا 300 درجه سانتیگراد کاهش دهد.روش های زیادی برای خنک کاری Blade توربین وجود دارد از جمله آنها Convection Cooling – Film cooling – Cooling effusion – Pin fin cooling transpiration cooling این روش ها به دو روش کلی External cooling و Internal cooling تقسیم خواهد شد این روش ها در عمل با هم تفاوت هایی دارند اما در همه آن ها عنصر اصلی هوا (Air) می باشدکه در اغلب آن ها از هوای کمپرسور پر فشار استفاده می شود .
خنک کاری قسمت های خارجی موتور External cooling
به قسمت خارجی اطلاق می شود مانند پوسته توربین – کمپرسور و متعلقات برای خنک کاری این قسمت ها از هوای اتمسفر استفاده می شود بدین طریق که هوای اتمسفر از طریق سوراخ های که روی Cowingموتور تعبیه شده جریان یافته و پس از جذب گرما به اتمشفر وارد می شود این روش اولا سبب خنک کاری ثانیا باعث فرستاده شدن بخارات به بخارات به خارج و کاهش خطر آتش سوزی می شود .
خنک کاری قسمت های داخلی موتور Internal cooling
به قسمت های داخلی اطلاق می شود اعم از Nozzle guide vane- Turbine blade- Turbine Disc
و غیره ......روش خنک کاری تیغه های ثابت توربین معمولا بدین شکل است که مقداری از هوای خروجی از کمپرسور به مجاری داخلی تیغه ها هدایت شده این هوا بطور ممتد درون تیغه ها جریان دارد هوا از مجاری بالا و پایین وارد تیغه ها شده و از قسمت لبه فرار آن ها خارج می شود با این روش تیغه ها بطور نسبی خنک شده و اثر حرارت را بر آلیاژ کاهش می دهد .
Turbine blade-تیغ های دوار توربین هم مانند تیغه های ثابت به همان شکل خنک شده بدین گونه که هوای کمپرسور از ریشه وارد تیغه ها وارد مجاری داخلی شده و از نوک آن ها خارج می شود و با گازها مخلوط شده و وارد سیستم اگزوز می شود قابل توجه است که هوا بطور پیوسته درون مجاری داخلی تیغه ها جریان دارد.
Turbine Disc- دار اغلب موتور های جت دسیک ها توسط هوای کمپرسور خنک میشود بدین گونه که که هوا در دو طرف دیسک از مرکز به طرف محیط آن جریان یافته و سپس با گازها مخلوط شده و وارد سیستم اگزوز می شود .
Convection Cooling-در این روش هوای کمپرسور از قمست ریشه وارد مجاری تیغه شده و پس از جذب گرما از قسمت نوک وارد جریان هوای اصلی شده در این روش روزنه های داخلی می تواند به دو شکل دایره ای و بیضی شکل باشد برای این روش مساحت سطح داخلی بزرگ مطلوب است .
Film cooling- یکی از روش های اصلی می باشد بدین گونه که به وسیله پمپ کردن هوای خنک به داخل سوراخ های کوچکی در Blade این هوا لایه نازکی از هوای خنک را اطراف Blade ایجاد میکند که از هوای داغ محافظت کند این سوراخ ها میتواند در نقاط مختلفی باشد ولی بیشتر در اطراف لبه حمله هستند.
Cooling effusion- سطح تیغه در این روش از مواد porous material که به معنتی داشتن تعداد نا محدودی سوراخ کوچک روی سطح Blade است ساخته شده هوای خنک وارد این منافظ شده و تشکیل یه لایه از هوای سرد را می دهد که باعث خنک شدن Blade بطور یکنواخت می شود.
Pin fin cooling- در منطقه کم ضخامت Trilling edge استفاده می شود به منظور افزایش انتقال حرارت از Blade و افزایش Cooling efficiency
transpiration cooling-این روش شبیه روش Film cooling است که لایه ای از هوای خنک دور Blade تشکیل می دهد اما تفاوت آن در این است که هوا تزریق میشد داخل سوراخ های پوسته متخلل این نوع cooling موثر تر است در دما های بالا بطوری که کل سطح تیغه بطور یکنواخت با هوای خنک پوشش داده می شود.
Active clearance control sys
این سیستم در بیشتر هواپیماهای جدید برای خنک کردن Turbine case استفاده می شود بطوریکه با استفاده از هوای خنک فن کیس توربین خنک شده و باعث کاهش clearance بین نوک تیغه های توربین و کیس می شود و باعث افزایش efficiency توربین می شود هوای خنک تزریق شده در پوسته توربین باعث Contract(منقبض شدن) کیس می شود چون در حالت عادی که موتور در حال Operation است کیس توربین Expend ( منبسط ) می شود که این منقبض شدن و باعث کاهش clearance بین نوک تیغه و پوسته می شود و در نتیجه از فرار گازها جلوگیری می شود که تاثیر بسزایی در Performanceموتور دارد.
پوشش سد حرارتی یا به اختصار TBCها مواد پیشرفته‌ای هستند که معمولاً در سطوح فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرند. مانند توربین گاز یا موتور هواپیما که در دماهای بالا کار می‌کنند. این پوشش‌ها با ضخامت ۲میکرو متر تا ۲ میلی‌متر به منظور محافظت اجزا در برابر بارگذاری‌های حرارتی بلند مدت با به‌کارگیری عایق حرارتی؛ که می‌تواند اختلاف دمای قابل ملاحظه بین آلیاژ بارگذاری شده و سطح پوشش را تحمل کند، استفاده می‌شوند.
همچنین این پوشش‌ها عمر خستگی قطعات را با کاهش اکسایش افزایش می‌دهند. در مقایسه با سیستم فیلم خنک کن فعال سیاله کاریه گذرا می‌تواند به دماهایی بالاتر از نقطهٔ ذوب ایر فویل در برخی توربین‌ها برسد. پوشش سرامیکی معمولاً از ایتریم و زیرکونیم پایدار تشکیل می‌شود. (yttria-stabilized zirconia -YSZ) که دارای ضریب هدایت گرمایی پایین است. این لایهٔ سرامیکی بزرگترین افت حرارتی را ایجاد می‌کند و لایهٔ زیرین را در دمایی پایین‌تر نسبت به سطح حفظ می‌کند.
برای اکثر اجزا، ضریب انبساط حرارتی پایین (CTE) معمولاً یک نیاز مهم نیست. با این وجود، کنترل انبساط حرارتی نقش مهمی در بهبود عملکرد کلی موتور دارد. هر تصمیم در فرآیند طراحی، مبادله ای بین عوامل مختلف و اثرات آنها بر محصول به دست آمده است، و برای بسیاری از اجزا، پیامدهای مثبت استفاده از آلیاژ کم CTE - و در نتیجه به حداقل رساندن انبساط حرارتی - با بدهی در سایر اجزای دیگر جبران می شود. خواص (به عنوان مثال، مقاومت در برابر خوردگی). تعدادی از چالش‌های طراحی وجود دارد که مزایای آلیاژهای کم CTE می‌تواند به بهبود عملکرد موتور کمک کند، اما تعدادی از دلایل نیز وجود دارد که استفاده از آنها اغلب غیرعملی است. تنش های حرارتی نتیجه گرمای تولید شده در حین کار موتور است که هم از فشرده سازی گاز و هم از احتراق سوخت ناشی می شود. هنگامی که اجزا به یکدیگر متصل می شوند یا زمانی که یک جزء دیگری را مهار می کند، هر گونه تفاوت در انبساط حرارتی بین این اجزا باعث ایجاد تنش در یک طرف رابط و تنش مخالف در طرف دیگر می شود.
تنش حرارتی ایجاد شده در یک جزء به عنوان تابعی از تغییر دما، در جایی که جزء محدود است، با رابطه زیر نشان داده می شود: $\sigma _{\text{th}} = - \frac{E\alpha }{1 - 2\nu }\Delta T$جایی که α ضریب انبساط حرارتی است، E مدول یانگ و ν نسبت پواسون است. تنش حرارتی به طور مستقیم با ضریب انبساط حرارتی متناسب است. بنابراین، مواد CTE پایین تنش حرارتی کمتری را برای یک تغییر دمای معین تجربه خواهند کرد.
در عمل، وضعیت اجزای واقعی موتور بسیار پیچیده تر از این است. اکثر اجزاء یک گرادیان حرارتی را در موتور تجربه می کنند. برای بسیاری از اجزاء، اختلاف دما بین سردترین و گرم ترین منطقه می تواند صدها کلوین باشد. علاوه بر این، از آنجایی که مقدار نیرویی که از موتور گرفته می شود در طول سرویس متفاوت است (مثلاً زمانی که هواپیما از برخاستن به کروز تا فرود تغییر می کند)، این گرادیان های حرارتی می توانند در طول مراحل مختلف کارکرد موتور متفاوت باشند. برخی از اجزا در نتیجه خواص مواد (ظرفیت گرمایی و هدایت حرارتی)، هندسه و مقدار جریان هوای برخوردی، سریع‌تر از سایرین خنک می‌شوند. مهندسان طراح با استفاده از روش‌های مدل‌سازی محاسباتی (دینامیک سیالات محاسباتی و تحلیل اجزای محدود) با این عوارض مقابله می‌کنند.یک موتور توربین گازی شامل مجموعه ای از مجموعه های دوار (ایرفویل ها، دیسک ها و شفت ها) در داخل یک ساختار ساکن است. مجموعه‌های دوار هوا را از طریق موتور برای تولید نیرو هدایت می‌کنند و توسط سیستمی از یاتاقان‌ها که نیاز به روان‌کاری دارند پشتیبانی می‌شوند. از آنجایی که یک گرادیان دما در موتور وجود دارد، چه از جلو به عقب و چه به صورت شعاعی، فاصله بین قطعات در حین کار در نتیجه انبساط و انقباض حرارتی تغییر می کند. این منجر به دو نکته مهم در طراحی می شود: آب بندی (ایزوله کردن حفره ها و جلوگیری از اختلاط هوا و روغن) و کنترل جریان هوا.
اطمینان از آب بندی مناسب می تواند یک مسئله طراحی پیچیده باشد زیرا مشخصات دما هم به صورت شعاعی و هم به صورت محوری متفاوت است. . این اجزا از موادی با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ساخته شده اند. هنگامی که سیستم تا دمای یکنواخت گرم می شود، قطرها به مقدار متفاوتی افزایش می یابد و یک شکاف اسمی نصف اختلاف باز می شود. اگر جزء بیرونی از مواد CTE کم ساخته شده باشد، شکاف را می توان به حداقل رساند یا از بین برد. از آنجایی که کنترل دما و تنش معیارهای مهم طراحی برای یک جزء هستند و به شدت بر انتخاب مواد تأثیر می‌گذارند، بهینه‌سازی شکاف برای ارتقا یا کاهش جریان هوای ثانویه یک فعالیت طراحی مهم است. متأسفانه به دلیل پیچیدگی آرایش سه بعدی قطعات، پیش بینی میزان جریان ثانویه دشوار است. کنترل بهتر بر روی فاصله ها در طول چرخه موتور می تواند به کاهش عدم قطعیت ها کمک کند، که طراحی را برای تعادل جریان و فشار ثانویه که بدون به خطر انداختن عملکرد یا SFC مورد نیاز است، آسان تر می کند. مواد CTE کم می توانند کنترل بهتری بر این شکاف ها ارائه دهند.
جریان اولیه موتور نیز مستقیماً تحت تأثیر فاصله بین ایرفویل‌های دوار و اجزای ساکن در بخش‌های کمپرسور و توربین قرار می‌گیرد (به عنوان مثال «ترفند نوک» در مورد بین ایرفویل‌های دوار و سطوحی که در برابر آنها می‌چرخند). یک کمپرسور معمولی مجموعه ای از دیسک های چرخان است که با ایرفویل ها روی لبه بیرونی متصل شده اند (چه به صورت اجزای جداگانه متصل به شکاف ها، یا تولید شده توسط ماشینکاری یا جوشکاری برای تبدیل شدن به بخشی جدایی ناپذیر از قطعه). ). این ایرفویل ها از طریق یک سری ایرفویل های ساکن می چرخند و کار را اضافه می کنند و فشار را افزایش می دهند. همانطور که جریان اولیه از کمپرسور عبور می کند، مسیرهای مختلفی وجود دارد که از طریق آن هوای فشرده می تواند به سمت جلوی موتور نشت کند و بازده کلی را کاهش دهد. بزرگترین مسیر برای این نشتی جریان بین ایرفویل ها و استاتورها است. همانطور که فاصله اطراف آنها افزایش می یابد، راندمان به سرعت کاهش می یابد.. بنابراین هنگام تلاش برای به حداکثر رساندن عملکرد، کنترل این فاصله یک نگرانی طراحی حیاتی است. یک راه برای به حداقل رساندن این افزایش استفاده از مواد با انبساط حرارتی کم برای اجزای ساکن است. افزایش نسبی در جداسازی زمانی که اجزای ساکن به حداکثر دما رسیده اند کمی کمتر خواهد بود. مواد CTE کم را می توان در کیس (که استاتورها را نگه می دارد)، در استاتورها یا در هر دو جزء استفاده کرد. این به عنوان کنترل ترخیص غیرفعال نامیده می شود. غالباً لازم است چندین انتخاب مواد برای این نوع ترتیبات در نظر گرفته شود و مطالعات تجاری بر اساس نتایج تحلیل تنش، تحلیل حرارتی و دینامیک سیالات محاسباتی انجام شود. (سیستم های کنترل ترخیص فعال نیز وجود دارد که از سیستم های مکانیکی برای حفظ فعال ترخیص استفاده می کنند. این سیستم ها از حوصله این مقاله خارج است، اما قابل ذکر است که از آنجایی که به طور کلی هزینه ای به موتور اضافه می کنند، در صورت امکان کنترل غیرفعال می باشد. به طور کلی برای کاربردهای مقرون به صرفه ترجیح داده می شود. برای بررسی این موضوع، به مرجع 4 مراجعه کنید.
در عمل، وضعیت پیچیده تر از این است. افزایش نسبت فشار، دمای هوا را به سمت پشت کمپرسور افزایش می‌دهد، هم به دلیل گرمای ایجاد شده توسط فشرده‌سازی و هم به دلیل گرمای تولید شده در نتیجه کار در برابر افت فشار ناشی از نشتی یا جریان باد (جریان برشی در برابر اجزای دوار که کار را افزایش داده و کاهش می‌دهد. فشار). بهبود راندمان می تواند با کاهش جریان نشتی به کاهش دما کمک کند، اما این بدان معناست که حفره هایی که در اثر نشتی خنک شده اند، دمای فلز بالاتری خواهند داشت. افزایش دما می تواند نیاز به تغییر مواد اجزا را افزایش دهد و از آنجایی که این امر خواص حرارتی آن اجزا را تغییر می دهد، تغییر بیشتری در مشخصات حرارتی ایجاد می کند. بنابراین بهینه‌سازی یک طرح می‌تواند یک فرآیند تکراری باشد، که در آن مزایای افزایش کارایی باید در مقابل نیاز به کاهش دما در اجزای خاص سنجیده شود. (با این حال، یک محدودیت دمایی عملی وجود دارد که فراتر از آن کنترل خلاص غیرفعال امکان پذیر نیست، که در بخش بعدی مورد بحث قرار خواهد گرفت.)
در این هندسه، فشرده سازی هوا به صورت گریز از مرکز از طریق ایرفویل های ماشین کاری شده در سطح جلوی پروانه هدایت می شود . همانند کمپرسور محوری، کنترل دقیق شکاف بین روکش استاتیک و پروانه چرخان برای کارایی پروانه ضروری است. با این حال، هندسه پیچیدگی های بیشتری را به حفظ کنترل اضافه می کند. همانطور که پروانه می چرخد، فشرده سازی هوا پروانه را با نیروی واکنش ("بار هوا") به جلو می کشد. هندسه باعث می شود که جریان نشتی در پروانه شعاعی باشد. همچنین، از آنجایی که دمای هوا با فشرده شدن افزایش می یابد، شیب حرارتی زیادی در پروانه وجود دارد که بالاترین دما در نوک آن (جایی که نسبت فشار بالاترین است) وجود دارد. بنابراین، بزرگترین انبساط حرارتی در نوک ها است که به دلیل عدم تقارن دما از جلو به عقب، می توانند "فرش" شوند. برای تطبیق با رشد، اغلب لازم است که یک "خلاصه سرد" بزرگتر (یعنی فاصله قبل از روشن شدن موتور) در نوک ها وجود داشته باشد. کنترل فاصله در پروانه یک چالش طراحی است. استفاده از مواد کم CTE برای پروانه، به عنوان مثال تیتانیوم، به کاهش میزان انبساط کمک می کند. یک پوشش CTE کم، یا یک مورد CTE کم که کفه را در جای خود نگه می دارد، می تواند به کنترل فاصله ها کمک کند. این همچنین می تواند با فشار دادن به ناحیه نوک با هوای فشرده یا با اجرای یک سیستم کنترل ترخیص فعال ترکیب شود..I hope I help you understand the question. Roham Hesami smile072 smile261 smile260 رهام حسامی ترم پنجم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست