بخشی از مقاله
چکیده
در صنایع نیروگاهی جهت انتقال قدرت بدون تماس فیزیکی از کوپلینگهای هیدرولیکی استفاده میشود. با این وجود به دلیل محبوس بودن روغن در فضای کوپلینگ در اثر کارکرد مداوم و تولید حرارت، این روغن خواص فیزیکی و شیمیایی خود را از دست داده و باعث ازکارافتادگی زود هنگام کوپلینگ میشود. این مقاله با معرفی کوپلینگ هیدرولیکی به عنوان مهمترین مصرفکننده نیروگاه، به شبیهسازی جریان سیال درون آن با استفاده از نرمافزار فلوئنت میپردازد. در این شبیهسازی، جریان سیال عامل درون کوپلینگ در حالت سهبعدی، دوفازی و مغشوش مورد بررسی قرار میگیرد. با تجزیه و تحلیل صورت گرفته در میدانهای توزیع سرعت، فشار و دمای درون سیال کوپلینگ، نتیجهگیری شده که بیشترین درجه حرارت در محل قطر بیرونی توربین کوپلینگ حادث میشود.
مقدمه
انرژی در حیات اقتصاد صنعتی جوامع، نقش زیربنائی را ایفا میکند، به این معنا که هرگاه انرژی به مقدار کافی و به موقع در دسترس باشد توسعه اقتصادی نیز میسر خواهد بود. نگاهی به معضلات گذشته نشان میدهد که همواره رقابتهای بزرگی در سطح جهانی بر سر تصاحب انرژی وجود داشته است چرا که امنیت ملی و پایداری نظامهای حکومتی تا حد زیادی در گرو دسترسی به این منابع است. در این میان نیروگاهها که نقش حیاتی در تامین انرژی الکتریکی را به عهده دارند باید از پایداری و آمادگی ویژهای برای تأمین انرژی برخوردار باشد. در صنایع نیروگاهی جهت انتقال قدرت الکتروموتور به پمپها و فنهای با توان زیاد غالباً از کوپلینگ های هیدرولیکی به دلیل عدم درگیری فیزیکی در مقایسه با کوپلینگهای مکانیکی استفاده میشود. درصورت انتقال این انرژی مکانیکی
دورانی بدون استفاده از کوپلینگهای هیدرولیکی، به دلیل درگیری مستقیم قطعات مکانیکی، فشار زیادی به الکتروموتور وارد میگردد. شواهد بسیاری در دست است که با انتقال مکانیکی قدرت اولاً تعداد زیادی از الکتروموتورها دچار سوختگی سیمپیچ شدهاند،ثانیاً هر چند ماه یکبار یاتاقانهای انتهایی صدمه دیده و تعویض میگردند. به دلیل مشکلات فوق کوپلینگ هیدرولیکی جایگزینی مطمئن برای کوپلینگهای مکانیکی شد که توان الکتروموتور را از طریق گردش چرخ ورودی کوپلینگ - معروف به پمپ کوپلینگ - داخل روغن به چرخ خروجی کوپلینگ - معروف به توربین کوپلینگ - انتقال داده و این واسطه هیدرولیکی بین الکتروموتور و مصرف کننده، مجموعه را از بروز مشکلات فوق مصون مینماید.
کارهای تجربی و ساده اولیه صورت گرفته در خصوص کوپلینگهای هیدرولیکی مربوط میشود به تحقیقات سینکلایر [1] در سال .1930 بعدها در سالهای -1960 1970 تعدادی از محققان به مدل کردن جریان چرخشی برای پیش بینی عملکرد کوپلینگ هیدرولیکی پرداختند، به عنوان مثال کوالمن و اگبرت >2@، والانس [3] و ویتفیلد .[4] با توسعه حل عددی، محققان به منظور شبیه سازی جریان درون کوپلینگ از دینامیک سیالات محاسباتی استفاده کردند. در این زمینه در سال 1994 بای و همکاران [5] و کاست و همکاران [6] تحقیقات عددی را در مورد جریان سیال عامل درون کوپلینگ انجام دادند. مطالعات تجربی و طراحی پیشرفته روی کوپلینگ ها به طور پیوسته تا امروز ادامه داشته است، از جمله هامپل و همکاران [7] در سال 2005 با بکار بردن اشعه گاما به اندازهگیری پخش جریان درون کوپلینگ پرداختند. در 2008 داسیلوا و همکاران [8] با بکار بردن سنسور با قابلیت هدایت، نحوه پخش جریان درون کوپلینگ را مورد بررسی قرار دادند. در ادامه تحقیقات عددی در سال 2010 سانگ و همکاران [9] با شبیه سازی عددی جریان دو فازی درون کوپلینگ هیدرولیکی در زمان توقف با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداخته که در انتها این نتیجه را منعکس کرده است که شبیهسازی عددی با استفاده از نرم افزار فلوئنت یک روش مناسب به منظور تجزیه و تحلیل جریان های پیچیده داخل کوپلینگ های هیدرولیکی است. آن ها همچنین نحوه پخش فاز مایع، فشار استاتیکی و بردار سرعت را در جریان درون کوپلینگ مورد بررسی قرار دادند و بیان کردند که تغییر نسبت حجم هوا در نحوه پخش فشار استاتیکی و بردار سرعت بی تأثیر ولی در مقدار سرعت، فشار و گشتاور توقف موثر می باشد. محققانی نیز به بررسی میزان انطباق نتایج حل عددی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی پرداختند و از انطباق بسیار خوب نتایج تجربی با نتایج حل عددی صحبت کردهاند که در این زمینه از کارهای تحقیقاتی چای و همکاران [10] در سال 2011 میتوان نام برد.
کوپلینگ هیدرولیکی
کوپلینگ هیدرولیکی تجهیزی برای انتقال گشتاور و توان از محرک به متحرک بدون تماس مکانیکی میباشد. مطابق شکل 1 یک کوپلینگ هیدرولیکی شامل یک چرخ ورودی - پمپ - ، یک چرخ خروجی - توربین - با پرههای شعاعی و یک قاب پوشاننده میباشد؛ که همدیگر را با یک فاصله کم و بدون تماس مکانیکی میپوشانند. این دو چرخ توسط یک قاب، پوشانده شده و بر روی محور دوران نصب میشوند. محفظه درون کوپلینگ توسط سیالی پر میشود - معمولاً روغنی با لزجت کم - و پمپ به وسیله یک موتور الکتریکی یا یک موتور احتراق داخلی میچرخد. حرکت چرخشی در بین پرههای توربین و پمپ کوپلینگ به وجود میآید و باعث چرخش توربین و انتقال گشتاور خواهد شد. لازم به ذکر است که سرعت چرخش پمپ و توربین کوپلینگ متمایز میباشد. پمپ، آسانسور و همچنین در صنایع اتومبیل سازی به عنوان کلاچ هیدرولیکی مورد استفاده قرار میگیرند.
اما در مورد معایب کوپلینگهای هیدرولیکی میتوان گفت که چون سیال همانند جسم مکانیکی قابلیت انتقال کل توان و انرژی محرک - موتور - به متحرک - پمپ - را نداشته، درصدی از انرژی محرک توسط سیال کوپلینگ هیدرولیکی در مسیر انتقال به متحرک تلف میگردد. بازده کوپلینگ هیدرولیکی متناسب با بارگیری از چرخ پمپ بین 85-90 درصد میباشد یعنی به طور متوسط 10-15 درصد توان موتور در انتقال قدرت به مصرف کننده تلف می گردد. به عنوان مثال برای موتور فید-پمپ نیروگاه سیکل بخار با توان مصرفی 1100 کیلووات، میزان تلفات بین 150-100 کیلووات بوده که بسیار قابل توجه می باشد. این تلفات انرژی در کوپلینگ هیدرولیکی صرف افزایش درجه حرارت سیال واسط میگردد و پس از مدتی سیال درون کوپلینگ تبدیل به لجن میشود که باید نسبت به تعویض آن اقدام نمود. در طراحیهای کنونی کوپلینگ هیدرولیکی با به کارگیری فین های حرارتی سعی در کاهش دمای سیال درون کوپلینگ هیدرولیکی داشته اند .[11] در این مقاله جهت تحلیل رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی سیال عامل، یک کوپلینگ هیدرولیکی نیروگاهی با توان ورودی 875 کیلووات انتخاب شده است. چرخ پمپ این کوپلینگ از 45 پره شعاعی و چرخ توربین آن از 43 پره شعاعی تشکیل شده که به ترتیب با سرعت 1000 و 980 دور بر دقیقه دوران مینمایند. در این حالت لغزش که به صورت نسبت سرعت چرخ توربین به چرخ پمپ تعریف می شود برابر 0/98 میباشد. حجم روغن مورد نیاز مجموعه 87/5 لیتر می باشد. از طرفی حجم کل هر کوپلینگ هیدرولیکی 132/25 لیتر می باشد؛ بنابراین حجمی از کوپلینگ که توسط هوا اشغال میشود 43/75 لیتر خواهد بود؛ که نسبت فاز هوا به کل مخلوط %33/3 میباشد. در جدول 1 مشخصات روغن استفاده شده بیان شده است. همچنین ابعاد اصلی کوپلینگ انتخاب شده جهت مدلسازی در جدول 2 آورده شده است.
شکل :1 کوپلینگ هیدرولیکی
در مورد مزایای کوپلینگ هیدرولیکی میتوان به مواردی از جمله صدمه ندیدن الکتروموتورها، ضربه نخوردن ناگهانی پمپها، خراب نشدن زود هنگام یاتاقانها، جلوگیری از سوختن سیم پیچهای استاتور و... اشاره نمود. علاوه بر این کوپلینگها در تجهیزاتی نظیر سیستمهای تسمه نقاله انتقال مواد، سنگ شکن، آسیاب، هواکشهای صنعتی، کمپرسور،
مدل تلاطم
به منظور حل عددی مدل ابتدا باید از بین انواع مدلهای متلاطم مدل مناسب گزینش شود. با بررسی حلهای عددی صورت گرفته در این زمینه - تحقیقات سانگ - [9] مناسبترین مدل متلاطم، مدل k ، Realizable میباشد. در معادلات k و ، جملات سمت چپ، شامل جملات نرخ زمانی موضعی یا گذرا و جمله جابهجایی افقی می باشند که با جملات سمت راست، که شامل عبارت پخشیدگی، تولید و اتلاف یا از بین رفتن تلاطم میباشد، متعادل میگردد -12] .[13
مدل چند فازی
در این مدل، فازها به عنوان یک محیط پیوستهی در هم نفوذکننده در نظر گرفته شده و معادلات ممنتوم برای مخلوط حل و از سرعتهای نسبی جهت تشریح فازهای پراکنده استفاده میشود. مدل مخلوط، یک مدل چند فازی ساده شده است که میتواند برای مدل کردن جریانهای چند فازی که فازها با سرعتهای مختلف حرکت میکنند، مورد استفاده قرار گیرد. در این مدل فرض میشود که فازها دارای تعادل موضعی در مقیاسهای طولی فضایی کوتاه1 هستند. این نکته میتواند تأثیر فازها بر هم دیگر را لحاظ کند.
