چرا موتورهای توربین کار می کنند؟

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: Roham Hesami رهام حسامی

محل اقامت: فعلا تهران قیطریه بلوار کتابی 8 متری صبا City of Leicester Area of Leicestershire LE7

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 1651

سپاس: 3161

جنسیت:

تماس:

چرا موتورهای توربین کار می کنند؟

پست توسط rohamjpl »

کمپرسور هوای تازه را وارد محفظه احتراق می‌کند، جایی که با سوخت واکنش نشان می‌دهد تا به گاز اگزوز داغ تبدیل شود. در هنگام خروج از موتور، گاز خروجی توربین را به حرکت در می آورد و توربین هم کمپرسور را خاموش می کند و هم گشتاور باقیمانده کافی برای انجام کار مفید دارد.
با این حال، چگونه گازهای خروجی می‌دانند که قرار است به جای فشار دادن پره‌های کمپرسور به پره‌های توربین فشار وارد کنند تا محور محرک را به‌اندازه‌ای مساوی کند کنند؟
در یک موتور پیستونی سوپاپ هایی وجود دارد که باعث می شود اشیا در زمان های مناسب در جهت صحیح حرکت کنند. اما با موتور توربین همه چیز به طور آشکار در تمام مدت متصل است. آیا این بدان معنا نیست که دیفرانسیل فشاری که کمپرسور باید در برابر آن کار کند دقیقاً همان دیفرانسیل فشاری است که برای به حرکت درآوردن توربین موجود است؟
به نظر می رسد چیزی جادویی و غیرقابل برگشت در محفظه احتراق اتفاق می افتد.
به نظر می‌رسد توصیف‌هایی که می‌توانم پیدا کنم عمیق‌تر از توضیح سه مرحله‌ای هستند که مستقیماً به یک مدل بسیار دقیق با مقدار زیادی ترمودینامیک و دینامیک سیالات که باعث چرخش سر من می‌شود، می‌رود. آیا سیستم ایده آلی با متغیرهای کمتری وجود دارد که بتوانم خودم را متقاعد کنم که در اینجا چیزی بیهوده دریافت نمی کنیم (به عنوان مثال، ممکن است سیال کار تراکم ناپذیر یا بدون جرم باشد، یا ظرفیت گرمایی بی نهایت یا هر چیز دیگری داشته باشد) وجود دارد؟
کلید احتراق سوخت در محفظه احتراق است. این انرژی را به جریان می افزاید، بنابراین مقدار زیادی در دسترس برای توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور وجود دارد.
بسته به سرعت پرواز، ورودی از قبل با کاهش سرعت جریان به 0.4 - 0.5 ماخ، فشرده سازی مناسبی انجام می دهد. بیشتر به معنای سرعت مافوق صوت در پره‌های کمپرسور است و ورودی هوا تامین ثابت هوا را با سرعت مناسب تضمین می‌کند.
با این حال، این سرعت برای احتراق بسیار زیاد است. سوخت مقداری زمان نیاز دارد تا با هوای فشرده مخلوط شود و اگر سرعت جریان بالا باشد، محفظه احتراق شما بسیار طولانی می شود و موتور سنگین تر از حد لازم می شود. بنابراین، مقطعی که از کمپرسور به محفظه احتراق منتهی می‌شود، به دقت گشاد می‌شود تا جریان هوا بدون جداسازی کند شود (بخشی را در نمودار زیر با نام "Diffusor" مشاهده کنید). در اطراف انژکتورهای سوخت کمترین سرعت گاز را در کل موتور خواهید دید. اکنون احتراق گاز را گرم می کند و باعث انبساط آن می شود. بالاترین فشار در کل موتور درست در آخرین مرحله کمپرسور است - از آنجا به بعد هر چه جلوتر بروید فشار کاهش می یابد. این تضمین می کند که هیچ جریان برگشتی به کمپرسور امکان پذیر نیست. با این حال، زمانی که کمپرسور متوقف می‌شود (این کاملاً شبیه بال زدن است - پره‌های کمپرسور بال‌های کوچکی هستند و محدودیت‌های یکسانی دارند)، نمی‌تواند فشار بالا را حفظ کند و جریان معکوس دریافت می‌کنید. به این می گویند موج.
قسمت عقب موتور باید جریان گاز در حال انبساط را کمتر از قسمت جلو مسدود کند تا مطمئن شود که در جهت درست به جریان خود ادامه می دهد. طراح موتور با ثابت نگه داشتن مقطع احتراق اطمینان می دهد که گاز در حال انبساط شتاب می گیرد و انرژی حرارتی را بدون از دست دادن فشار به انرژی جنبشی تبدیل می کند (افت فشار اندک در محفظه احتراق ناشی از اصطکاک است). حال جریان شتاب‌دار به توربین برخورد می‌کند و فشار گاز در هر یک از مراحل آن کاهش می‌یابد که باز هم اطمینان حاصل می‌کند که جریان برگشتی رخ نمی‌دهد. توربین باید به اندازه‌ای که برای راه‌اندازی کمپرسور و لوازم جانبی موتور (عمدتاً پمپ‌ها و ژنراتورها) بدون مسدود کردن جریان بیش از حد لازم است، از جریان انرژی بگیرد. بدون گرمایش، سرعت گاز در توربین به صفر می‌رسد، اما گاز گرم شده و شتاب‌دار انرژی زیادی برای راه‌اندازی توربین و خروج از آن با فشار نزدیک به محیط دارد، اما با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت پرواز. بنابراین یک رانش خالص ایجاد می شود.
فشار باقی مانده دوباره در نازل به سرعت تبدیل می شود. اکنون گاز هنوز بسیار گرمتر از هوای محیط است، و حتی اگر جریان انتهای نازل در موتورهای هواپیماهای مدرن مافوق صوت است، سرعت جریان واقعی بسیار بیشتر از سرعت پرواز است. تفاوت سرعت بین
سرعت پرواز و سرعت خروج گاز در نازل چیزی است که نیروی رانش تولید می کند.
موتورهای جنگنده معمولاً دارای جریان مافوق صوت در انتهای نازل هستند که نیاز به شکل دهی و تنظیم دقیق کانتور نازل دارد. همه چیز در مورد آن را اینجا بخوانید.برای سادگی بسیار، بیایید فرض کنیم که سیال کار تراکم ناپذیر و به طور موثر بدون جرم است (فشار دارد، اما اینرسی آن در مقایسه با فشار ناچیز است). علاوه بر این فرض کنید که احتراق واقعی به قدری دقیق تنظیم شده است که فشار در طول احتراق ثابت می ماند -- گاز به سادگی در فشار ثابت منبسط می شود و در حین انجام کار برخلاف فشار خود عمل می کند.
سپس کمپرسور و توربین واقعاً در یک اختلاف فشار کار می کنند، یعنی تفاوت فشار محیط و فشار داخل محفظه احتراق.
در هر دو انتهای موتور، توانی که به شفت محرک تحویل می‌شود (یا از آن گرفته می‌شود) اختلاف فشار (معمول) ضربدر حجم جریان از کمپرسور/توربین است. در این سطح ایده آل، هر دو یک نوع هستند، با این تفاوت که یکی از آنها برعکس عمل می کند.
با این حال، گشتاور لزوما یکسان نیست. توربین به گونه ای ساخته شده است که یک چرخش محور محرک اجازه می دهد تا حجم معینی از هوا از محفظه احتراق خارج شود. (فکر می کنم این موضوع مربوط به این است که پره های توربین در زاویه ای متفاوت از پره های کمپرسور نصب می شوند). در انتهای دیگر شفت، یک چرخش شفت، حجم معینی کمتری از هوا را به داخل محفظه احتراق فشار می‌دهد. این باید باشد زیرا گاز در حین احتراق منبسط می شود.
این تفاوت در حجم در هر دور به این معنی است که اختلاف فشار یکسان به گشتاورهای متفاوت در دو سر موتور تبدیل می شود.
به عنوان یک نمونه اسباب‌بازی کاملاً ایده‌آل، می‌توان تصور کرد که کمپرسور و توربین هر دو از یک نوع مجموعه فن‌های برگشت‌پذیر ایده‌آل ساخته شده‌اند - برای هر واحد، یک میل دسته، حجم معینی از مکان‌های تعویض هوا را ایجاد می‌کند، و چگونه سخت بودن دسته به اختلاف فشار بستگی دارد.
واحدهایی که کمپرسور را تشکیل می دهند به گونه ای نصب شده اند که چرخش محور محرک در جهت عقربه های ساعت مطابق با حرکت هوا به داخل موتور باشد. آنهایی که توربین را تشکیل می دهند در مقابل نصب می شوند. از آنجایی که اختلاف فشار در همه جا یکسان است، گشتاور خروجی از یک واحد توربین می تواند دقیقاً یک واحد کمپرسور را هدایت کند. اما تعداد واحدهای توربین بیشتر از واحدهای کمپرسور است و واحدهای اضافی گشتاور اضافی تولید می کنند که می توانند کار کنند.
این مربوط به این واقعیت است که یک جریان خالص هوا از محفظه احتراق وجود دارد، زیرا حجم جدیدی از گاز با سوختن سوخت به وجود می آید.
اولین چیزی که باید در مورد موتورهای احتراقی بدانید این است که برای هیچ موتور ایده آلی (حتی موتور ماشین شما) غیرممکن است که نیروی رانش ناخالص تولید کند. در پایان چرخه ترمودینامیکی، فشار سکون و دمای سکون سیال عامل همیشه بیشتر از محیط است و بنابراین جریان همیشه به سرعتی بیشتر از جریان آزاد منبسط می‌شود. این رانش در کاربردهای غیر پیشرانه به دلیل طراحی اگزوز ناچیز است (و در واقع نیروی رانش خالص زمانی که اثرات اصطکاکی لحاظ شود می تواند منفی باشد)، اما مشخصات آن موضوع با این بحث مرتبط نیست.
ثانیاً باید در زبان خود دقیق تر باشیم. به طور خاص، ما باید تمایز بسیار مهم بین خواص سیال استاتیک و راکد را برجسته کنیم (خواص استاتیک مستقل از چارچوب مرجع هستند، در حالی که خواص سکون مستقل نیستند). این بسیار مهم است زیرا فقط شیب فشار ساکن است که باعث تغییر در سرعت جریان محلی می شود. با طراحی، فشار استاتیک در هر تیغه کمپرسور افزایش می‌یابد، اما فشار سکون فقط در تیغه‌های دوار افزایش می‌یابد. فشار استاتیک در هر پره توربین کاهش می یابد، اما فشار سکون فقط در پره های چرخان کاهش می یابد. شما درست می گویید که جریان بر خلاف عملکرد کمپرسور فشار می آورد. این به این دلیل است که جریان به طور مداوم با یک گرادیان فشار نامطلوب مبارزه می کند. جریان بر خلاف تمایل طبیعی خود به سمت فشارهای کمتر به سمت سربالایی رانده می شود. از سوی دیگر، توربین صرفاً از نظر جریان یک مانع است و از انبساط فوری آن به پایین‌ترین فشار موجود (محیط) جلوگیری می‌کند. جریان بدش نمی‌آید که برای ما کاری انجام دهد، زیرا به آن اجازه داده می‌شود تا فشارهای ایستا و رکود کمتری گسترش یابد. بنابراین، یک توربین واقعاً نمی‌تواند «ایست» شود و جهت جریان را به روشی که یک کمپرسور می‌تواند معکوس کند. ما می‌توانیم از افزایش فشار در کمپرسور خلاص شویم، فقط به این دلیل که نسبتاً تدریجی اتفاق می‌افتد (توجه کنید که چرخش جریان کمی در پره کمپرسور (<20 درجه) در مقایسه با توربین (> 100 درجه)) انجام می‌شود). جریان از جلوی موتور خارج نمی‌شود (به طور معمول) زیرا تیغه‌ها به دقت طراحی شده‌اند تا قبل از این اتفاق به حداکثر فشرده‌سازی ممکن دست یابند
بیشتر مربوط به سوال شما این است که افت فشار رکود در سراسر توربین مطلقاً با افزایش فشار در کمپرسوری که با آن جفت شده است یکسان نیست. همیشه کمتر است چرا؟ زیرا برای یک نسبت فشار معین، تغییر در آنتالپی رکود سیال با دمای اولیه آن افزایش می یابد. یا در عوض، افت فشار مورد نیاز برای یک تغییر معین در آنتالپی با افزایش دمای اولیه کاهش می‌یابد. توربین کمپرسور را تغذیه می کند، بنابراین نیروی تولید شده توسط توربین توسط کمپرسور مصرف می شود (به علاوه درایوهای جانبی). با این حال، دمای ورودی توربین به طور قابل ملاحظه ای بیشتر از دمای ورودی کمپرسور است، بنابراین فشار راکد خروجی توربین لزوماً بیشتر از فشار ورودی کمپرسور خواهد بود که اساساً برابر با محیط است.
کار (ورودی) خاص برای کمپرسور و کار (خروجی) خاص توربین [kJ/kg] عبارتند از:
$w_c=\frac{C_{p_c} T_{0_2}}{\eta _c}\left[\left(\frac{P_{0_3}}{P_{0_2}}\right)^\frac{\gamma_c-1}{\gamma_c}-1\right]$
که در آن زیرنویس های "c" و "h" به ترتیب به مقادیر سرد و گرم اشاره دارند و η بازده ایزنتروپیک کمپرسور یا توربین است. یک موتور پیستونی اعمال "مخذ، فشرده سازی، انبساط، اگزوز" را در یک مکان و در زمان های مختلف انجام می دهد، در حالی که موتور توربین گاز این عملکردهای یکسان را به طور همزمان در مکان های مختلف انجام می دهد. امیدوارم این کمک کند.hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
تصویر

ارسال پست