Turbomachinery توربو ماشینها

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: 1875

سپاس: 3351

جنسیت:

تماس:

Turbomachinery توربو ماشینها

پست توسط rohamjpl »

Turbomachinery

توربوماشین در مهندسی مکانیک ماشین‌هایی را توصیف می‌کند که انرژی را بین یک روتور و یک سیال، از جمله توربین‌ها و کمپرسورها، انتقال می‌دهند. در حالی که یک توربین انرژی را از یک سیال به یک روتور منتقل می کند، یک کمپرسور انرژی را از یک روتور به یک سیال منتقل می کند.Turbomachinery, in mechanical engineering, describes machines that transfer energy between a rotor and a fluid, including both turbines and compressors. While a turbine transfers energy from a fluid to a rotor, a compressor transfers energy from a rotor to a fluid.
انتقال انرژی در توربوماشین‌ها از طریق تغییر در آنتالپی سیال کاری توربوماشین صورت می‌گیرد. در نهایت این انرژی در مسائل مکانیک سیالات به عنوان کار شفت شناخته می‌شود که یا مانند کمپرسورها به سیال کاری، داده و یا مانند توربین‌ها از سیال کاری، دریافت می‌شود. توربوماشین‌ها را از نظر انتقال انرژی بین سیال کاری و ماشین به دو دسته انرژی دهنده و انرژی گیرنده تقسیم‌بندی کرد.
وربو ماشین ها را می توان از دیدگاه های مختلفی تقسیم بندی کرد. در زیر به چهار نوع از تقسیم بندی های رایج برای توربو ماشین ها اشاره می شود:تصویر
الف) مسیر حرکت سیال در چرخ
ب) تراکم پذیری سیال
ج) طرز تغذیه چرخ
د) جهت تبادل انرژی
انواع توربوماشین‌ از نظر سیال کاری
دو دسته اصلی از توربوماشین ها شناسایی می شوند: اول، آنهایی که برای افزایش فشار یا هد سیال نیرو جذب می کنند (پنکه ها، کمپرسورها و پمپ ها). دوم، آنهایی که با انبساط سیال به فشار یا سر کمتر نیرو تولید می کنند (توربین های بادی، هیدرولیک، بخار و گاز).
https://blog.faradars.org/turbomachinery/
فرض کنید که سیال کاری در یک توربوماشین‌، مایع باشد. در این حالت یکی از ملاحظات بسیار مهم در طراحی این توربوماشین‌ بررسی پدیده «کاویتاسون» (Cavitation) است. کاویتاسیون در توربوماشین‌ها زمانی رخ می‌دهد که فشار مایع کاهش پیدا کند و به فشار بخار خود برسد. فشار بخار فشاری است که در آن مایع شروع به جوشیدن می‌کند و با بخار خود به تعادل می‌رسد.
پمپ‌ها و توربین‌های نیروگاه‌های آبی از جمله توربوماشین‌هایی هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است. شکل زیر توربین‌هایی را نشان می‌دهد که از آن‌ها برای گرفتن انرژی از آب و تبدیل آن به انرژی مکانیکی استفاه می‌شود.
پمپ‌ها نیز انواع دیگری از توربوماشین‌ها هستند که سیال کاری در آن‌ها مایع است و انرژی مکانیکی از ماشین به مایع منتقل می‌شود و در نتیجه آنتالپی سیال کاری افزایش می‌یابد. در شکل‌های زیر برخی از انواع این پمپ‌ها به تصویر کشیده شده است.
پمپ پیستونی محوری
پمپ پره‌ای (Vane Pump)
پمپ پیستونی شعاعی
سیال کاری در نوع دیگری از توربوماشین‌ها گاز است. در این شرایط، مسئله تراکم‌پذیری اهمیت پیدا می‌کند و در نتیجه، حتما باید ملاحظات خاصی در طراحی توربوماشین‌ها برای اعداد ماخ مختلف لحاظ شوند. عدد ماخ نسبت سرعت سیال در یک دمای خاص به سرعت صوت در آن دما را نشان می‌دهد. در صورتی که عدد ماخ بزرگتر از 0.3 باشد جریان تراکم‌پذیر در نظر گرفته می‌شود و در صورتی که عدد ماخ کوچکتر از 0.3 باشد جریان تراکم‌ناپذیر است.
کمپرسورها و توربین‌هایی که در نیروگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند مانند توربین گاز و توربین بخار، از انواع توربوماشین‌هایی هستند که سیال کاری در آن‌ها گاز است. همچنین توربین‌های باد و فن‌ها نیز در این نوع تقسیم‌بندی جای می‌گیرند. سیال کاری در آن‌ها گاز است.
پروانه‌ها (Fans)
توربین باد
انواع توربوماشین‌ از نظر ساختار
بسیاری از توربوماشین‌ها شامل یک پوشش و «غلاف» (Casing) هستند که اطراف پره‌های چرخان و یا روتورهای این ماشین‌ها را می‌پوشانند. هدف از قرار دادن این غلاف‌ها این است که حجم دلخواهی از سیال در مسیر پره‌های توربوماشین قرار بگیرد و مسیر سیال نیز تعیین شود. این توربوماشین‌ها را «توربوماشین‌های بسته» (Closed Turbomachines) می‌گویند.
کمپرسور گریز از مرکزتصویربه عنوان مثال دیگری از توربوماشین‌هایی که دارای غلاف هستند می‌توان به توربین‌های بادی اشاره کرد که در یک «اینْوِلاکس» (Invelox) قرار می‌گیرند. شکل زیر یک اینْوِلاکس را نشان می‌دهد. نام این ابزار از دو بخش «افزایش» (Increase) و «سرعت» (Velocity) تشکیل شده و از آن برای افزایش سرعت و هدایت بخش دلخواهی از جریان به سمت توربین‌های باد استفاده می‌شود. توربین باد در مکانی از اینْوِلاکس قرار می‌گیرد که سرعت باد به سرعت بهینه مد نظر طراحان می‌رسد.
«اینْوِلاکس» (Invelox)
اما نوع دیگری از توربوماشین‌ها مانند «ملخ» (Propeller) هواپیما و بال‌گردها، آسیاب‌های بادی و برخی از توربین‌های بادی نیز وجود دارند که فاقد محفظه هستند و روی حجم نامحدودی از سیال، عمل می‌کنند. به این نوع توربوماشین‌ها «توربوماشین‌های باز» (Open Turbomachines) گفته می‌شود. در شکل زیر یک ملخ هواپیما به تصویر کشیده شده است.
نکته دیگری که در بررسی ساختار توربوماشین‌ها باید به آن توجه کرد این است که آن‌ها شامل «پره‌های ساکن» (Stationary Blades) هستند. علاوه بر این، توربوماشین‌ها شامل «پره‌های چرخان» (Rotor Blades) نیز هستند. در توربوماشین به «پره» (Blade)، «وِین» (Vane) نیز گفته می‌شود. به قسمت دوار یک توربوماشین‌ «روتور» (Rotor)، «رانِر» (Runner) یا «ایمپِلِر» (Impeller) گفته می‌شود.
وِین‌ها می‌توانند طوری در مسیر سیال کاری قرار بگیرند که به آن شتاب دهند. در این حالت می‌توان آن‌ها را به عنوان «نازل» (Nozzles) در نظر گرفت. علاوه بر این، جهت قرارگیری وین‌ها در مسیر سیال کاری می‌تواند طوری باشد که سیال با عبور از آن‌ها پخش شود. در این حالت، وین‌ها به عنوان یک «دیفیوزر» (diffuser) در مسیر جریان عمل می‌کنند.
انواع توربوماشین‌ از نظر جهت حرکت سیال
توربوماشین‌ها از نظر جهت غالب حرکت سیال نسبت به محور روتور به سه دسته «جریان محوری» (Axial-Flow)، «جریان شعاعی» (Radial-Flow) و یا «جریان مخلوط» (Mixed-Flow) تقسیم می‌شوند.
معادله توربوماشین اویلر، یا گاهی معادله پمپ اویلر نامیده می‌شود، نقش مرکزی را در توربوماشین‌ها بازی می‌کند زیرا کار خاص Y و هندسه و سرعت‌های پروانه را به هم متصل می‌کند. این معادله بر اساس مفاهیم بقای تکانه زاویه ای و بقای انرژی است.
$W=\dot{m}(V_{w1}U_1\pm V_{w2}U_2)$
مثلث سرعت در توربوماشینتصویر
در مسائل توربوماشین، فرض می‌شود که سیال در ورودی و خروجی پمپ، در امتداد پره حرکت می‌کند. بنابراین جهت سرعت نسبی (W)، در نقطه‌ ۱ و ۲ به ترتیب موازی «لبه‌ حمله» (Leading Edge) و «لبه فرار» (Trailing Edge) است
فرض دیگر در این مسائل این است که سیال در فاصله یکسانی از محور دوران، به پره وارد و از آن خارج می‌شود. بنابراین سرعت پره در ورودی و خروجی برابر با مقدار ثابت زیر در نظر گرفته می‌شود.
در توربوماشین‌های واقعی، مسیر ورود و خروج سیال ممکن است موازی با پره‌ها نباشد و سیال کاری می‌تواند در شعاع‌های متفاوتی به فن وارد و از آن خارج شود. اما ساده سازی‌هایی که در بالا به آن‌ها اشاره شد در اکثر مسائل توربوماشین مورد استفاده قرار می‌گیرد و با استفاده از این ساده سازی‌ها مثلث سرعت قابل رسم است.
در مثلث سرعت فن ، فرض شده است که سیال در ورودی، موازی با محور دوران به فن وارد می‌شود. که هندسه و سرعت دوران پره‌ فن باعث شده است که سیال تغییر جهت بدهد و جهت سرعت مطلق سیال در ورودی و خروجی (V1 و V2) متفاوت باشد.
در این مسائل، جهت دوران را با نماد θ («جهت مماسی» (Tangential Direction)) نمایش می‌دهند. بنابراین همانطور که مشاهده می‌شود، سرعت مطلق سیال در ورودی (V1)، هیچ ترمی در راستای مماسی ندارد ولی ترم مماسی سرعت مطلق در خروجی (V2) مخالف صفر است.تصویر، سرعت مطلق در خروجی در جهت سرعت دورانی پره منحرف شده است. از همین رو پره، نیرویی در راستای مماسی به سیال وارده کرده که جهت یکسانی با جهت حرکت دورانی پره‌ها دارد. با توجه به موارد ذکر شده می‌توان نتیجه گرفت که در این توربوماشین انرژی مکانیکی به سیال داده شده و این توربوماشین یک پمپ است (سیال کاری این توربوماشین آب در نظر گرفته شده است).
توجه کنید که جهت انحراف سرعت مطلق سیال با جهت حرکت پره‌ها مخالف است. در واقع در این مثال، انرژی مکانیکی از پره توربین به سیال وارد نشده است و این سیال است که نیرویی به سمت پایین به پره وارد می‌کند و نیروی عکس‌العمل آن از جانب پره به سیال در جهت بالا وارد می‌شود. بنابراین با توجه به توضیحات ارائه شده، در این توربوماشین، انرژی از سیال به پره توربوماشین وارد می‌شود.
در توربوماشین، مثلث سرعت یا نمودار سرعت، مثلثی است که اجزای مختلف سرعت سیال کار در یک توربوماشین را نشان می دهد. مثلث های سرعت ممکن است برای هر دو بخش ورودی و خروجی هر توربوماشین ترسیم شود.بردار سرعت نسبی بین ذره سیال و چرخ توربوماشین و بردار سرعت مطلق ذره سیال در نقطه مورد بررسی تشکیل شده‌است. با استفاده از مثلث سرعتها می‌توان معادلات اصلی مکانیک سیالات مانند معادله پیوستگی سیال، معادله مقدار حرکت خطی و لنگر زاویه ای سیال و همینطور قوانین ترمودینامیکی مانند قانون قانون اول و دوم ترمودینامیک را در عبور سیال از چرخ توربوماشین در حین تبادل انرژی و قدرت بین سیال و چرخ بر اساس مؤلفه‌های سرعت سیال و سرعت محیطی چرخ در ورودی و خروجی چرخ توربوماشین، بیان نمود ${\displaystyle \iint _{cs}^{}\rho {\overrightarrow {C}}.d{\overrightarrow {A}}=0}$و زاویه ها بین بردار ها ${\displaystyle {\overrightarrow {C}}}{\displaystyle {\overrightarrow {C}}}$پس ${\displaystyle {\dot {m}}=\iint _{A}^{}\rho C\sin(\alpha )dA=\iint _{A}^{}\rho W\sin(\beta )dA=cte}$
فرض کنید که مشخصات جریان سیال در هر مقطع از توربوماشین یکنواخت باشد(فرض جریان یک بعدی در توربوماشینها)، در این صورت، با استفاده از سرعتهای متوسط بین دو مقطع ورودی و خروجی توربوماشین (با اندیسهای ١ و ٢) می‌توان نوشت
${\displaystyle {\dot {m}}=\rho _{1}C_{m1}A_{1}=\rho _{2}C_{m2}A_{2}}$
معادله مقدار حرکت خطی برای جریان دائمی سیال به صورت زیر بیان میگردد${\displaystyle {\overrightarrow {F}}=\iint _{c.s}^{}{\overrightarrow {C}}(\rho {\overrightarrow {C}}.d{\overrightarrow {A}})}$M، گشتاور متبادله بین چرخ و سیال است. با تقسیم انتگرال سطحِ بالا بر روی دوسطح ورودی چرخ توربوماشین و خروجی چرخ توربوماشین ، خواهیم داشت${\displaystyle M=\iint _{A_{2}}^{}R_{2}C_{2}\cos \alpha _{2}(\rho _{2}C_{m2}.dA_{2})-\iint _{A_{1}}^{}R_{1}C_{1}\cos \alpha _{1}(\rho _{1}C_{m1}.dA_{1})}$با کمک گرفتن از مثلث سرعتها و استفاده از قانون کسینوس‌ها در مثلث، می‌توان معادله اولر را به شرح زیر ساده سازی کرد${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}W^{2}=U^{2}+C^{2}-2UC\cos \alpha \\UC\cos \alpha ={\frac {1}{2}}(C^{2}+U^{2}-W^{2})\\E=U_{2}C_{2}\cos \alpha _{2}-U_{1}C_{1}\cos \alpha _{1}\end{matrix}}\right.\Rightarrow E={\frac {C_{2}^{2}-C_{1}^{2}}{2}}+{\frac {U_{2}^{2}-U_{1}^{2}}{2}}+{\frac {W_{1}^{2}-W_{2}^{2}}{2}}}$
hope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth
semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضاتصویر
smile260 smile016 :?:
تصویر

ارسال پست