بخشی از مقاله
چکیده
کمپرسورهای دینامیکی به علت ماهیت آنها در معرض ناپایداری های جریان از نوع استال دورانی و یا سرج می باشند. دراین مقاله به روش گریتزر به ارزیابی پایداری کمپرسورها پرداخته شده است. به طور خاص و با طرح نوآوری، پایداری یک کمپرسور گریز از مرکز و نیز پیش بینی رخ داد سرج در آن با استفاده از روش ماتریس ژاکوبین و نمای فاز مورد ارزیابی قرار گرفته است. نواحی عملکرد پایدار و ناپایدار کمپرسور گریز از مرکز مورد نظر مشخص شده اند. در بررسی سیستم کمپرسور وجود نوسانات در ناحیه ناپایدار و بروز پدیده سرج با استفاده ازروابط ریاضی مدل سازی شده اند. با استفاده از شیر آنتی سرج که باعث برگشت جریان جرمی خروجی به ورودی کمپرسور و بازیافت فشار در حد مطلوب میگردد، نقطه کار کمپرسور کنترل میشود. در طراحی کنترل کننده وتهیه ابزار دقیق تعیین نواحی کمپرسور اهمیت فراوان دارد.
.1 مقدمه
کمپرسور گریز ازمرکز یا جریان شعاعی نوعی خاص از کمپرسورهای صنعتی میباشد که بازده بالای آن در دبیهای پایین باعث مزیت این نوع کمپرسور شده است. هر کمپرسور، گاز ورودی خود را با افزایش فشارخارج میکند، که نسبت فشار خروجی به ورودی به عنوان خروجی کمپرسور معرفی میشود. منحنی مشخصه کمپرسور، تغییرات نسبت فشار بر حسب دبی ورودی کمپرسور است و نقطه کار کمپرسور را مشخص میکند. هر منحنی مشخصه، در سرعت ثابت چرخش پروانه های رتورکمپرسور رسم میشود، و با افزایش سرعت، تقریباً همان منحنی به بالا شیفت داده میشود. زمانی که کمپرسور در حالت عادی خود کارمیکند، با کاهش دبی سیال ورودی، خروجی - نسبت فشار - کمپرسور افزایش می یابد تا جایی که این نسبت فشار به نقطه بیشینه خود میرسد. یعنی فشار خروجی بیشترین نسبت را به فشار ورودی دارد. این نسبت بیشینه در عین بیشترین بازدهی، نقطه بحرانی عملکرد کمپرسور است.
اگر دبی ورودی در این نقطه کمتر شود کمپرسور حالت عادی خود را ندارد، چون فشار زیاد خروجی به فشار ورودی غلبه میکند و باعث برگشت جریان سیال میشود و فشار خروجی کمپرسور را به ابتدای آن برمیگرداند و دوباره فشار افزایش یافته در ورودی، باعث جریان رو به جلو و به سمت خروجی کمپرسور می شود و به همین صورت نوسان تکرار می شود. به این پدیده، سرج گفته میشود. سرج در لغت به حرکت سریع همراه با قدرت زیاد و به سمت جلو و یا ضربان شدید اطلاق میشود و به جهت تشابه برای ضربه قوچ نیز استفاده می شود. در آیرودینامیک منظور از سرج پدیده ای است که در اثر افزایش آنی و زود گذر در فشار خروجی کمپرسور، جریان عبوری ناپایدار، تناوبی و با جهت معکوس شونده خواهد بود.
نسبت فشار
شکل-1 منحنیهای مشخصه و سیکل پدیده سرج
همان گونه که در شکل1ملاحظه می شود در پدیده سرج حلقه ای تشکیل میشود که کمپرسور در اثر ناپایداری وارد این حلقه شده و تحت شرایط آن کار می کند. سرج علاوه بر ناپایداری کمپرسور و عدم خروجی به بالا دست، باعث آسیب تجهیزات کمپرسور نیز می شود .
.2 نواحی پایدار و ناپایدار
در مقدمه به مفهوم سرج و چگونگی ایجاد ناپایداری در کمپرسور گریز از مرکز به طور انتزاعی و با توجه به اصول کیفی آیرودینامیکی حاکم به طور خیلی اجمالی پرداخت شد. در این بخش با توجه به معادلات آیرودینامیکی حاکم بر کمپرسور - فضای حالت - سیستم غیر خطی کمپرسور با تشکیل ماتریس ژاکوبین و نمای فاز - صفحه فاز - تحلیل شده و نواحی و نقاط پایداروناپایدار آن را مشخص و پدیده سرج نیز تشریح میشود. همانطور که قبلاً گفته شد منحنی مشخصه کمپرسور در سرعتهای مختلف ترسیم شده و رابطه بین ورودی و خروجی کمپرسور می باشد. شکل2 نمونه ای از منحنی مشخصه یک کمپرسور را نشان می دهد
شکل2 منحنی های مشخصه کمپرسور در سرعتهای متفاوت
با توجه به تعریف سرج بیشترین بازدهی یا خروجی کمپرسور در نزدیکی نقطه بحرانی عملکرد آن است. نقطه سرج در هر سرعت، نقطه ماکزیمم بوده و از روی نقاط سرج، خط سرج تعریف میشود. هر منحنی مشخصه کمپرسور را میتوان به طور تقریبی یک تابع درجه3 به فرم معادله 1در نظر گرفت، بهطوریکه نسبت فشار با و دبی جرمی با نشان داده میشود.
نقطه طرح کمپرسور مورد نظر دارای مشخصات , W=0.25 ,H=0.18 میباشد.[4] از آنجایی که منحنی مشخصه کمپرسور به فیزیک آن بستگی دارد یک منحنی تجربی می باشد، به طوری که از اعمال دبی ورودی در مقادیر مختلف، نسبت فشارکمپرسور پس از حالت گذرا و در حالت پایدار آیرودینامیکی که مدت زمانی طول می کشد به دست می آید. پس از روی نقاط استاتیک به دست آمده منحنی مشخصه تقریب زده میشود. همانطور که ذکر شد سیال در کمپرسور طبق قواعد آیرودینامیکی، حالت گذرا یا دینامیک را طی کرده و به حالت پایدار خود رسیده و از کمپرسور خارج می شود. معادلات دیفرانسیل مرتبه اول زیر که به معادلات گریتزر معروف هستند دینامیک دبی جرمی و نسبت فشار را نشان داده وحالت گذرا را توصیف می کنند. در روابط گریتزر دو پارامتر - نسبتفشار پلنیوم - و - دبی جرمی - ظاهر می شوند.
B پارامتر ثابتی بوده که مبین سرعت مجموعه گردنده است. به این صورت که با افزایش سرعت این ثابت نیز افزایش می یابد. منحنی مشخصه کمپرسور یا منحنی استاتیک وg پارامترثابتی بوده که به میزان باز شدگی شیر تراتل ودر نتیجه به میزان دبی کمپرسور وابسته است
