بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله ابتدا توربین فراصوت با پذیرش جزئی و دلایل استفاده از آن تشریح میشود. هدف اصلی مقاله بررسی اثر پروفیل قسمت همگرای نازل روی عملکرد توربین فراصوت با پذیرش جزئی میباشد. برای این کار با استفاده از یکی از روشهای پروفیل کردن نازل، چند مدل مختلف ساخته میشود. جریان در توربین با دینامیک سیالات محاسباتی شبیهسازی شده است. عملکرد توربین با بررسی راندمان قانون اول و راندمان قانون دوم و همچنین آنالیز اگزرژی و تخریب اگزرژی بررسی میگردد. نتایج با نتایج مدل اصلی مقایسه شده و ملاحظه می شود که پروفیل نازل نقش موثری در افزایش راندمان توربین و پیشگیری از هدر رفتن انرژی دارد.
.1 مقدمه
در توربینهای فراصوتی که دبی جرمی جریان در آنها کم است، برای جلوگیری از افزایش اتلافات گازدینامیکی در اثر ارتفاع کم پرهها و پدیدههای جریانی - جریانهای نعل اسبی و ثانویه - ، از پذیرش جزئی استفاده میشود. در این شرایط، از خطر انسداد جریان کاسته خواهد شدامّا،. بهدلیل کاهش سطح مؤثر تابش جریان به روتور، راندمان توربین به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. ممکن است چنین توربینی در برخی از نقاط کاری، نتواند توان مورد نظر را فراهم کند. برای بررسی عملکرد توربین در شرایط مختلف کاری، بایستی منحنیهایی ساخته شود که بتوان با استفاده از آنها پارامترهای عملکردی توربین را در نقاط غیر طرح ارزیابی نمود. به این منحنیها که میتوانند تغییرات راندمان توربین برحسب نسبت سرعت آیزنتروپیک یا نسبت فشار را نشان دهند، منحنیهای مشخصه توربین میگویند.تحلیل عددی جریان در توربینهای ضربهای دارای پذیرش جزیی از پیچیدهترین شبیهسازیهای عددی در توربوماشینها به شمار میرود. علت آن، علاوه بر ماهیت ناپایای جریان توربوماشینی، به پذیرش جزیی بودن ورودی جریان روتور بر میگردد. برای شبیهسازی جریان در توربین با پذیرش جزیی امکان استفاده از مرز تناوبی وجود ندارد. بنابراین، مدلسازی بایستی به صورت سهبعدی انجام شود. از اینرو هزینهی محاسبات قابل توجه خواهد بود. از سوی دیگر به دلیل وجود انحناهای فراوان و سطوح زاویهدار در هندسه توربین، فرآیند تولید شبکهی محاسباتی پیچیدهتر و زمانبرتر خواهد بود. همانطور که میدانیم تولید شبکه مناسب یکی از اساسیترین مراحل تحلیل عددی است.
در دهههای گذشته مطالعات زیادی در زمینهی توربینهای دارای پذیرش جزئی صورت گرفته است. این مطالعات درپی دستیابی به دادههای دقیق از الگوی جریان و برآورد عملکرد این توربینها در شرایط کاری مختلف بوده است. برخی از پژوهشگران، با استفاده از روشهای تحلیل عددی و تجربی رفتار جریان در این توربینها را ارزیابی کردهاندکه در ادامه به صورت خلاصه ارائه شدهاند. رشید و همکاران[1]، تداخل جریان در خروجی نازل و ورودی روتور یک نوع توربین ضربهای سوپرسونیک را با استفاده از آزمایشهای تجربی و تحلیلهای عددی مورد بررسی قرار دادند. رشید در این کار، نشان داد تداخل جریان در فضای بین نازل و روتور الگوی بسیار پیچیدهای دارد که برای کار شبیهسازی عددی نیز دشواریهایی ایجاد میکند. با این وجود، میتوان جدایش جریان از سطح مکش و تأثیر آن بر سطح فشار پرهی مجاور و تشکیل موج شوک در لبهی ورودی روتور را به خوبی تشخیص داد. کیکوچی و همکاران [2]، عملکرد آیرودینامیکی و رفتار جریان ناپایای یک مرحله توربین محوری با پذیرش جزیی را با فاصلههای محوری مختلف روتور- استاتور مورد بررسی قرار دادند. هدف از این کار، بررسی تأثیر فاصلهی محوری بر عملکرد و الگوی جریان اعلام شده است.
جئونگ و همکاران [3] و [4]، تأثیر فاصلهی محوری نازل روتور و فاصلهی شعاعی روتور و پوسته را بر عملکرد یک توربین فراصوت با پذیرش جزیی دارای شرود مورد بررسی قرار دادند. آنان برای کاهش زمان محاسبات، از شرط مرزی تناوبی در تحلیل عددی استفاده کرده و تنها به بررسی تأثیر فاصلههای شعاعی و محوری پرداختهاند. اگرچه در توربین با پذیرش جزئی استفاده از مرز تناوبی صحیح نمیباشد، اما ایشان مطالعه مقایسهای برای بررسی اثر فاصله محوری نازل و روتور انجام دادهاند. آقایی و طوسی [5]، [6] و [7]، مطالعهی جریان در یک توربین سوپرسانیک خاص را که در پذیرش جزیی کار میکند، بهصورت دوبعدی و سهبعدی انجام داده و تأثیر پارامترهای هندسی مختلف بر عملکرد توربین مذکور را بررسی کردهاند . علاوه بر این ایشان در سال 2017، [8] اثر زوایای چینش نازلها روی عملکرد توربین فراصوت با پذیرش جزئی را بررسی نمودند. مورد مطالعه ایشان یک توربین کوچک با نسبت فشار بالا که توان بالایی را تامین میکند، بوده است. همچنین در سال 1396، [9] منحنی مشخصه توربین فراصوت با پذیرش جزئی را با استفاده از روشهای تجربی ارزیابی کردهاند.
باقرزادهی هوشمندی [10]، پذیرش جزیی در یک توربین محوری دومرحلهای با ضریب عکسالعملی پایین را بهطور عددی مدل کرد. نتایج عددی وی نشان میدهند که دیسک توربین دارای توزیع فشار غیریکنواختی است؛ بهویژه، در مرحلهی اول که با پذیرش جزیی کار میکند. در توربینهای ضربهای از نازلهای همگرا-واگرا برای ایجاد جریان فراصوت استفاده میشود. این نازلها در واقع استاتور توربین گاز فراصوت میباشند. همانطور که اشاره شد، در توربینهای ضربهای دبی جریان عبوری پایین میباشد. به دلایل پدیدههای جریانی، ارتفاع پرههای روتور را نمیتوان از یک مقدار معین کوچکتر در نظر گرفت. بنابراین برای دبی پایین با ارتفاع پره روتور مشخص، جریان از بخشی از روتور عبور داده میشود. به این نوع توربین، توربین با پذیرش جزئی گفته میشود. مدل مورد مطالعه در این مقاله، یک توربین فراصوت تکمرحلهای با نازلهای مخروطی همگرا- واگرا در ورودی به عنوان استاتور است. در شکل 1 توربین فراصوت با پذیرش جزئی مدل اصلی نشان داده شده است. استاتور این نوع توربین یک نازل همگرا-واگرا میباشد. قسمت واگرای این نازلها عموماً مخروطی و بدون طراحی پروفیل خاصی ساخته میشوند. در این تحقیق قسمت واگرای یک نازل مخروطی مشخص، با توجه به روشهای طراحی پروفیل، باز طراحی میشود. پروفیل قسمت همگرا، طول کلی نازل و قطر گلوگاه نیز ثابت نگه داشته میشود. برای زوایای مختلف Bm پروفیلهای مختلفی استخراج میگردد. پروفیل های بدست آمده با نرم افزار سالید ورک ساخته شده و روی روتور توربین موجود و به جای استاتور اصلی مونتاژ میشود. توجه شود که فقط پروفیل قسمت واگرای نازل توربین در هر مورد تغییر میکند و بقیه بخشهای توربین بدون تغییر باقی میماند. در این کار آنالیز اگزرژی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی رو توربین انجام شده و اثر تغییر پروفیل با استفاده از روابط اگزرژی تحلیل شده است.
.2 طراحی پروفیل قسمت واگرا
سادهترین روش طراحی بخش واگرای نازل استفاده از یک مخروط با زاویه واگرایی ثابت است، که طرح اصلی نازل موجود نیز یک نازل با زاویه واگرایی 5/7 درجه است. در این تحقیق یک معادله درجه دوم - 2 c x bx a - r با شرایطی که در ادامه گفته خواهد شد، به عنوان پروفیل بخش واگرا فیت میشود. از آنجاییکه هدف تحقیق بررسی اثر پروفیل نازل است، طول کلی نازل و زاویه انتهایی نازل ثابت در نظر گرفته می شود. قطر و طول گلوگاه نیز ثابت نگه داشته می شود. به ازای زوایای واگرایی نازل در شروع - Bm - ، 7 پروفیل مختلف برای نازل طراحی میگردد. زاویه واگرایی به عنوان متغیر مستقل در نظر گرفته شده و پارامترهای دیگر از روابط هندسی محاسبه میشوند. در شکل طرح شماتیک قسمت واگرای نازل ارائه شده و پارامترهای هندسی روی آن نشان داده شده است.
