بخشی از مقاله
چکیده
در این جا به تحلیل تنش و مودال پره ی کامپوزیتی نیروگاه شهید مدحج - زرگان - شهرستان اهواز پرداخته شده است. اندازه گیری هندسه مجموعه پره، هاب و تنوره فن برج خنک کننده به کمک روشهای مختلف تجربی از جمله قالب گیری با گچ انجام شده است. بعد از بررسی های انجام شده، مشخص شد که جنس پره پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه1 از نوع کوتاه است .
نیروی های وارد بر پره شامل وزن پره، نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش پره و توزیع فشار حاصل از برخورد هوا به پره فن می باشند. جهت بدست آوردن توزیع فشار ناشی از برخورد هوا به پره، شبیه سازی جریان درون تنوره فن برج خنک کننده با استفاده از نرم افزار انسیس سی اف ایکس2 انجام شده و نتایج آن به نرم افزار انسیس انتقال یافته و سپس تحلیل تنش انجام گرفته است.
نتایج نشان می دهد که بیشترین تنش مربوط به نیروهای وزن و گریز از مرکز می باشد و تنش ناشی از برخورد هوا به پره قابل توجه نیست. جهت بدست آوردن فرکانس های طبیعی پره، آنالیز مودال انجام گرفته است. نتایج آنالیز مودال نشان می دهد که فرکانس های پره در محدوده ی امنی از فرکانس چرخش فن، فرکانس گذر پره3 و همچنین فرکانس گذر ستون4 قرار دارند و امکان وقوع پدیده تشدید وجود ندارد. این مطالعه مبنای خوبی جهت تلاش در جهت ساخت پره هایی سبکتر، با دوام تر و نیز کارایی آیرودینامیکی بهتر برای جایگزینی پره های موجود می باشد.
مقدمه
امروزه طراحی، بهینه سازی و ساخت انواع پره های فن از جمله پره های فن برج خنک کننده و همچنین پره های توربین بادی از هدف های مهم شرکتهای صنعتی به شمار می رود. از آنجا که انجام تحقیقات علمی در این زمینه جنبه تجاری داشته و مستلزم صرف هزینه و زمان زیادی است، پژوهش های صورت گرفته کمتر در دسترس علاقمندان قرار می گیرد. بیشتر مطالعات صورت گرفته در خصوص پره طویل، مربوط به توربین های بادی بوده و اطلاعات چندانی در مورد پژوهشهای مرتبط با فن های برج خنک کننده در دسترس نمی باشد.
قلی خانی و دیگران [1] به شبیه سازی جریان اطراف فن برج خنک کننده نیروگاه رامین اهواز با هدف بهینه سازی زاویه حمله پره پرداختند. در این مطالعه شبیه سازی جریان توسط نرم افزار فلوئنت5 انجام گرفته است. شبیه سازی در سه مرحله با زوایای مختلف برای قرار گیری نوک پره انجام گرفته و ثابت شده که با افزایش زاویه حمله پره، دبی جریان افزایش می یابد. همچنین توزیع فشار ناشی از برخورد سیال هوا به پره در این مطالعه بدست آمده است. در این مطالعه تحلیل تنشی صورت نگرفته و نتایج حاصل از شبیه سازی درون فن برج خنک کننده بررسی شده است.
ابراهیمی و همکاران [2] به بررسی اثر تعداد پره فن در ارتعاشات آن پرداختند. بعد از مدلسازی و حل عددی جریان درون فن، مقادیر نیروهای ارتعاشی و نیز مشخصه های عملکردی فن محاسبه شدند. در این جا ثابت شده که تعداد پره به طور مستقیم بر ارتعاشات پره تاثیر نداشته و در عوض تاثیر قابل ملاحظه ای در مشخصه های عملکردی فن ایجاد می کند.
ریحانیان و همکاران [3] به بررسی شکست ناشی از خستگی در پیچ نگهدارنده پره فن برج خنک کننده به هاب فن پرداختند. عکس برداری از شکستگی های سطحی، خصوصیات مربوط به شکستگی سطحی را آشکار کرد. در این مقاله یک مدل المان محدود برای آنالیز تنش ایجاد شده است. نیروهای وزن، گریز از مرکز و همچنین نیروهای ناشی از برخورد باد با پره توسط چهار فرمول ارائه شده توسط شرکت سازنده پره محاسبه شده اند و به صورت متمرکز بر روی پره اعمال شده اند. آنالیز اجزا محدود نشان می دهد که گره هایی که در نزدیکی مهره ها و در زیر منطقه تماس با صفحه هاب هستند، دارای بیشترین مقادیر تنش هستند.
در اینجاهیچگونه تحلیل سیالاتی صورت نگرفته است. انجمن نفت آمریکا6 دارای استانداردی در مورد مبدل های گرمایی خنک شونده با هوا می باشد .[4] بر اساس این استاندارد فرکانس طبیعی پره و یا اجزای دیگر فن نباید در محدوده 10 درصد فرکانس گذر پره باشد.
شکریه و رفیعی [5] به پیشگویی عمر یک پره توربین بادی محور افقی پرداختند. در این مطالعه آنالیز استاتیکی روی یک مدل اجزاء محدود سه بعدی انجام شده و نقاط بحرانی در خرابی های ناشی از خستگی شناسایی شده است. جهت بررسی نیروهای حاصل از برخورد باد به پره، یک کد کامپیوتری نوشته شده است. بارهای وارد بر پره ی توربین بادی شامل نیروهای آیرودینامیکی، نیروی وزن پره، نیروهای ناشی از وزش تند باد ها، نیروی حاصل از تغییر جهت باد، نیروی گریز از مرکز، نیروی حاصل از تغییر شتاب زاویه ای در هنگام روشن و خاموش شدن توربین، نیروهای ژیروسکوپیک7 ناشی از حرکت توربین حول محور قائم خود، اثرات دمایی و شکست های مکانیکی داخلی پره هستند که اثرات بعضی از آنها بررسی شده است.
در این جا به تحلیل تنش پره ی کامپوزیتی نیروگاه شهید مدحج شهرستان اهواز پرداخته شده است و اثرات نیروهای مختلف استاتیکی، دینامیکی، سیالاتی و ارتعاشی روی پره فن بررسی شده است. پس از اندازه گیری هندسه مجموعه پره، هاب و تنوره فن برج خنک کننده به کمک روشهای مختلف تجربی از جمله قالب گیری با گچ، مجموعه فن با استفاده از نرم افزار سالید ورکس8 مدلسازی شده است. پس از بررسی تکه های جدا شده از پره های معیوب و بررسی مستندات نیروگاه، جنس پره تعیین شده است.
نیروی های وارد بر پره شامل وزن پره، نیروی گریز از مرکز ناشی از چرخش پره و توزیع فشار حاصل از برخورد هوا به پره فن می باشند. جهت بدست آوردن توزیع فشار ناشی از برخورد هوا به پره، شبیه سازی جریان درون تنوره فن برج خنک کننده با استفاده از نرم افزار انسیس سی اف ایکس انجام است. با استفاده از نرم افزار انسیس، تحلیل تنش ناشی از نیروهای مختلف بر روی پره فن انجام گرفته است.
همچنین جهت بدست آوردن فرکانس های طبیعی پره، آنالیز مودال انجام گرفته است. در این مطالعه یک روش جهت بررسی ویژگی های مختلف یک فن از جمله اندازه گیری هندسی، مدلسازی، شبیه سازی جریان، تحلیل تنش استاتیکی و دینامیکی پره ارائه شده است. همچنین در اینجا مباحث مختلف ارتعاشی پره و فن نیز بررسی شده است. این مطالعه می تواند مبنای خوبی در جهت ساخت پره هایی سبکتر، با دوام تر و نیز کارایی آیرودینامیکی بهتر برای جایگزینی پره های موجود باشد.
اندازه گیری هندسه پره، هاب و تنوره فن
جهت انجام تحلیل های مختلف سیالاتی، استاتیکی و دینامیکی در اختیار داشتن هندسه جهت مدلسازی ضروری خواهد بود. به دلیل عدم وجود نقشه ساخت و هندسه اجزای فن برج خنک کننده نیروگاه شهید مدحج، جهت اندازه گیری پره، هاب و تنوره فن برج خنک کننده از روش های تجربی استفاده شده است. روش اندازه گیری ترکیبی از روشهای مختلف اندازه گیری از جمله قالب گیری سطوح مختلف پره با گچ بوده است.
پس از تهیه قالب های مقاطع مختلف عرضی و طولی پره و انتقال شکل قالب ها به کاغذ مدرج نقطه یابی انجام شده است و در ادامه مدلسازی در نرم افزار سالید ورکس انجام گرفته است. طویل بودن پره و زاویه پیچش زیاد آن در راستای طولی، عمل اندازه گیری را بسیار دشوار، زمان بر و متفاوت ساخته است. در شکل 1 نمایی از مراحل مختلف قالب گیری با گچ نشان داده شده است. در شکل 2 تصاویری از اجزای مختلف فن برج خنک کننده نیروگاه شهید مدحج و در شکل 3 نمایی از مدل نهایی فن برج در نرم افزار سالید ورکس نمایش داده شده است.
شکل :1 مراحل مختلف قالب گیری سطوح پره به کمک گچ.
شکل :2 اجزای مختلف فن برج خنک کننده نیروگاه شهید مدحج.
شکل :3 مدل نهایی فن برج خنک کننده در نرم افزار .Solid Works
بدست آوردن جنس و مشخصات پره فن
همانطور که در بخش های قبل نیز بیان شد اطلاعات چندانی در مورد هندسه و ابعاد فن و جنس دقیق اجزای آن در دسترس نبود و تنها در مدارک فنی برج خنک کننده جنس پره فن، پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه ذکر شده و هیچگونه اطلاعاتی در مورد نوع الیاف شیشه و نیز نسبت الیاف به رزین ذکر نشده است. با انجام عمل اندازه گیری ابعادی پره و مدلسازی آن در نرم افزار سالید ورکس حجم پره مشخص گردید. سپس با استفاده از ترازو مقدار جرم پره اندازه گیری شد که در حدود 72 کیلوگرم بوده است. در نتیجه چگالی پره در حدود 1430 کیلوگرم بر متر مکعب محاسبه شده است. در جدول 1 اطلاعاتی در مورد پره فن برج خنک کننده نیروگاه مدحج آورده شده است.
جدول :1 مشخصات کلی پره فن برج خنک کننده.
پس از بررسی های صورت گرفته و با مشاهده شکل پره و قطعات جدا شده از پره های معیوب دیگر نیروگاه، مشخص گردید، الیاف بکار رفته از نوع کوتاه با قرار گیری به صورت تصادفی9 در رزین می باشند. بنابراین می توان ماده تشکیل دهنده پره را به صورت ایزوتروپیک10 در نظر گرفت .[6] البته باید به این نکته توجه داشت که نحوه قالب گیری، نسبت الیاف به رزین و شرایط مختلف دیگر در استحکام نهایی ماده کامپوزیتی موثرند. در جدول 2 مشخصات مکانیکی جنس پره به نمایش در آمده است.
جدول :2 مشخصات مکانیکی پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه - الیاف کوتاه با نحوه قرار گیری تصادفی -
نیروهای وارد بر پره فن برج خنک کننده
بسته به شرایط خاص بهره برداری فن و یا شرایط خارجی دیگر، بارهای وارد بر پره فن برج خنک کننده محاسبه می شوند. این نیروها شامل وزن پره، بارهای آیرودینامیکی روی پره، نیروی گریز از مرکز، نیروی های ژیروسکوپیک و اثرات گرمایی هستند. شرایط دمایی مسئله دمای محیط و در حدود 22 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. همچنین از نیروهای ژیروسکوپیک نسبت به نیروهای دیگر می توان صرفه نظر کرد .[5] در اینجا از بعضی از نیروهای گذرا مانند تند باد های سالیانه 11، تغییرات در جهت ورود جریان ورودی، نیروهای ناشی از افزایش شتاب زاویه ای در هنگام استارت و توقف حرکت که بیشتر مربوط به توربین های بادی هستند، صرفه نظر شده است.
شبیه سازی جریان درون فن برج خنک کننده
جهت بدست آوردن نیروهای آیرودینامیکی وارد به پره، شبیه سازی جریان اطراف پره فن با استفاده از نرم افزار انسیس سی اف ایکس انجام شده است. کلیه ی شرایط مانند ویژگی سیال، سرعت چرخش پره، ابعاد هندسی مجموعه فن برج خنک کننده، زاویه قرار گیری نوک پره به مانند شرایط موجود در برج خنک کننده نیروگاه شهید مدحج - زرگان - شهر اهواز می باشد. در جدول 3 می توان ویژگی های فن برج خنک کننده را مشاهده کرد.
جهت بررسی اغتشاش جریان، عدد رینولدز در مقاطع مختلف پره از جمله نوک و ریشه پره محاسبه شده است. همانطور که در جدول 4 نشان داده شده است عدد رینولدز بالاتر از 500000 است که نشانگر جریان مغشوش است و مدل توربولانسی انتقال تنش برشی12 انتخاب شده است.
جدول :3 شرایط کلی فن برج خنک کننده نیروگاه شهید مدحج اهواز.
جدول :4 ویژگی های پروفیل های ریشه و نوک پره.
به دلیل تکرار پذیری مسئله یک قطاع 45 درجه از مدل ساخته شده و به منظور شبیه سازی حرکت چرخشی پره ناحیه محاسباتی به سه ناحیه تقسیم شده که ناحیه وسط دارای سرعت چرخشی در جهت حرکت فن می باشد. همچنین ارتباط میان دو ناحیه ی ثابت و ناحیه چرخان میانی توسط صفحات تداخلی مناسبی که در نرم افزار موجود است برقرار می شود. شرط مرزی سرعت در ورودی 6/5 متر بر ثانیه و شرط مرزی فشار استاتیک در خروجی دامنه محاسباتی در نظر گرفته شده است
