بخشی از مقاله
چکیده
توزیع دمای محفظه احتراق نقش مهمی در طراحی و عملکرد موتورهای توربین گازی دارد. در فرآیند طراحی محفظه احتراق توربین گازی لازم است تا کمترین افت فشار و کاملترین فرآیند احتراق ایجاد شود تا بهترین عملکرد محفظه بدست آید لذا توزیع دمای درون محفظه از اهمیت بسیاری برخوردار است. در تحقیق پیشرو توزیع دمای محفظه احتراق توربین گاز نمونه به صورت تجربی در شرایط اتمسفریک بررسی شده است. محفظه احتراق استفاده شده لولهای شکل بوده و سوخت استفاده شده کروسین میباشد. در این مطالعه محفظه احتراق در 4 نقطه کاری مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین مشخص شد که با افزایش دبی هوای ورودی دمای خروجی محفظه کاهش مییابد و توزیع دمای درون محفظه کاهش می یابد و از طرفی هندسه محفظه احتراق نقش بسزایی در توزیع دما دارد. نتایح نشان میدهد که بیشترین دمای محفظه در نزدیکی دیواره میباشد و از همین رو خنک کاری محفظه در بلند مدت امری اجتناب ناپذیر است.
کلید واژه: توربین گاز – محفظه احتراق – دمای درون محفظه – تست تجربی – تست اتمسفریک
مقدمه
توربینهای گازی کاربردهای بسیار زیادی در هواپیماها، کشتی ها، ژنراتورهای الکتریکی، خطوط لوله گاز و ایستگاه های پمپ نفت دارند. تلاشهای اولیه مبنی بر ساخت موتورهای توربین گازی در مقیاس بزرگ در اواخر قرن 19 و اوایل قرن 20 در فرانسه صورت گرفته است. برای ساخت موتورهای توربینی، طراحی محفظه احتراق از قسمت های بسیار مهم موتور است و پیچیدگی های بسیاری دارد. امروزه بیشترین بازار توربینهای گازی در موتورهای هوایی است و در سالهای اخیر در موتورهای زمینی نیز استفاده میشود. افزایش کاربردهای توربینهای گازی دلیلی بر افزایش نیاز به طراحی محفظههای احتراق است. بسیاری از نیازمندیهایی که برای طراحی محفظه احتراق مورد توجه قرار میگیرد بعضا با هم در تناقض هستند و معمولا با تغییرات منحصر به فرد در طراحی میتوان به این نیازها دست پیدا کرد.
با این اوصاف تمامی محفظههای احتراق باید دارای یک سری ملزومات اساسی و پایهای نظیر حداکثر پایداری شعله ، بازده بالای احتراق ، حداقل آلودگی ایجاد شده در تمامی شرایط و توزیع دمای خروجی رضایت بخش برای ورود به توربین باشند. طراح محفظهی احتراق مسئول حل کردن مشکلات مربوط به پایداری، اشتعال، دوام محفظه و توزیع دمای خروجی است. محفظه های احتراق به طور کلی به سه دسته تقسیم میشوند، محفظه های استوانه ای شکل، استوانه-حلقوی و حلقوی که هر کدام دارای ویژگیهای منحصر به فرد هستند و طراح با توجه به نیازمندی-های خود یکی آن ها را انتخاب میکند.
بطور کلی برای رسیدن به احتراق مناسب و با کیفیت سوختهای مایع، میبایست بطور کلی آنها را با نسبت استوکیومتری با هوا مخلوط کرد و از طرفی قبل از اختلاط و احتراق، سوخت باید تبخیر شده باشد. در یک نمونه از سوختپاشها سوخت با مقدار کمی از هوا قبل از انتشار ترکیب شده و قبل [1]از اضافه شدن به محفظهی احتراق تبخیر میشود. در نوع دیگر سوختپاشها، سوخت به قطرهای بزرگ و کوچک اتمیزه شده و منجر به اسپری مایع با نسبت سطح به حجم بالا میشود و درنهایت نرخ تبخیر بالا میرود .[2]نتایج تجربی نشان میدهد که برای محفظه احتراقهای معمول اسپری سوخت باید شامل قطراتی با اندازهی زیر 50 میکرون باشد. بورگوین و کوهن [1] با تغییر قطر قطرات سوخت به این نتیجه رسیدند که نسبت سوخت به هوا با قطرات کوچک تر از 20 میکرون مخلوط بسیار یکنواخت و خوبی ایجاد میکند .انژکتورهای استفاده شده در توربینهای گاز معمولا از نوع فشار چرخشی 1میباشد که در آن سوخت وارد محفظهی چرخاننده شده و از آن به صورت مخروطی خارج میشود. امروزه نیز با استفاده از انژکتورهای simplex در توربینهای گازی هوایی احتراق پایدار فقط در محدوده ی کمی برقرار است.
برای غلبه بر محدودیتهای این نوع از انژکتورها میتوان از انژکتورهای توسعه یافتهای نظیر dual-orifice, duplex استفاده کرد. با توجه به توضیحات آورده شده میتوان به تاثیر بسزای انژکتور بر روی عملکرد محفظه احتراق پی برد . برای تحلیل و طراحی محفظه احتراق توربین گاز احتیاج به بررسی قسمت های مختلف محفظه اعم از پخشکن، توزیع جریان هوا، انتقال حرارت محفظه است. قسمت های نام برده شده هرکدام دارای زیر شاخه های زیادی میباشند و معادلات خاصی بر آنها حاکم است که با کمی فرضیات ساده سازی میتوان تحلیل منطقی و مطلوبی داشت . محفظهها درچند سال اخیر تکامل بیشتری یافتند و بدست آوردن پارامترهای هر محفظه اهمیت ویژه ای دارد.
مشخصات محفظه احتراق
محفظهی مورد استفاده در این پژوهش مطابق شکل 1، محفظهای لولهای شکل بوده که برای طراحی آن از محفظه احتراق مرجع [3] الهام گرفته شده است. این محفظه دارای طول 210mm و عرض 75mm در بیشترین عرض خود میباشد. انتهای این محفظه از حالت دایرهای شکل به مستطیلی تغییر شکل داده که طول این مستطیل 110mm و عرض آن 25mm می-باشد. هوای عبوری از این محفظه از یک چرخانندهی هوا عبور میکند که دارای 8 پره با عدد چرخش 0,7 میباشد. قطر داخلی این چرخاننده 10,81mm و قطر خارجی آن 16,15mmو دارای طول 40mm میباشد. قطر پوستهای که محفظه درون آن قرار گرفته 169mm بوده و خط مرکزی پوسته و محفظه در یک راستا قرار گرفته اند. بر روی این محفظه دو ردیف سوراخ وجود دارد که ردیف اول آن دارای 6 سوراخ و ردیف دوم دارای 12 سوراخ میباشد. قطر تمام سوراخهای ذکر شده 10mm میباشد و نمای کلی محفظه احتراق در شکل 2 مشخص است. سوخت پاش مورد استفاده در تست تجربی این پژوهش از نوع simplex بوده و مشخصات آن در جدول 1 آمده است
به منظور انجام آزمایش های تجربی از آزمونگر محفظه احتراق توربین گاز دانشگاه صنعتی امیرکبیر استفاده شده اس .[2] نقشه کلی آزمونگر محفظه احتراق توربین گازی مطابق شکل 3 میباشد. دبی هوای خروجی از این دمنده توسط یک شیر برقی که وظیقه کنترل دبی عبوری را دارد تنظیم میشود. سیستم سوخت مایع به صورت گاز فشارگذار با نیتروژن طراحی شده و قابلیت افزایش فشار پشت سوخت پاش تا 30 بار را دارد. حجم مخزن تحت فشار، 5 لیتر بوده وحداکثر دبی آن 20 لیتر بر ساعت است. استفاده از گاز فشارگذار زوشی بسیار رایج در تامین سوخت آزمونگر محفظه احتراق است. سامانه خروجی گاز و یا دودکش نیز وظیقه خنک کاری و انتقال گازهای سوخته به خارج از آزمایشگاه را برعهده دارد. دیوارههای این قسمت با استفاده از آب خنک کاری میشوند. آب مورد نیاز توسط یک پمپ متصل به یک منبع تامین و درون لولههایی که در اطراف جداره دودکش قرار گرفتهاند فرستاده میشود و این باعث کاهش دمای گازهای خروجی و همچنین، افزایش عمر قطعات قرار گرفته در مسیر آنها میشود.
سیستم آغاز کننده احتراق در این تحقیق از طریق تورچ صورت میگیرد، بدین صورت که یک کپسول کوچک سوخت، شیر برقی، کلید کنترل و لولههای مربوطه تشکیل شده است. سامانه داده بردار مورد استفاده در این تحقیق عبارتند از: ترموکوپل، فشارسنج، روتامتر، لوله پیتوت. ترموکوپلهای مورد استفاده در این آزمونگر از نوع K بوده که محدوده اندازهگیری آن از -200 تا +1350 درجه سانتیگراد و دارای دقت 2 درجه است. با توجه به تعداد زیاد ترموکوپلهای مورد استفاده، 3 عدد دستگاه ADAM 4017+ و یک عدد دستگاه ADAM 4520 به کار برده شده است که در مجموع قابلیت ارسال داده از 24 ترموکوپل به رایانه است که در شکل 4 مشخص است.
برای بدست آوردن دما در این تحقیق از ترموکوپل نوع k استفاده شده است که در شکل 6 محل قرارگیری توموکوپلها بر روی محفظه احتراق مشخص است. دادههای به دست آمده از ترموکوپل با استفاده از سامانه داده برداری بر خط ثبت و ذخیره می شود. همچنین برای بالا رفتن دقت اندازه گیری و صحت دادههای گرفته شده در هر آزمایش، پس از پایا شدن جریان، به مدت 60 ثانیه داده برداری صورت گرفته و میانگین این دادهها، نتایج مورد استفاده در این تحقیق هستند. برای مشاهده شعله درون محفظه احتراق همانگونه که در شکل 5 از دو چشمی استفاده میشود. برای تامین هوای ورودی به محفظه احتراق، از یک دمنده سانتریفیوژ با حداکثر دبی 800 مترمکعب بر ساعت و فشار 1,1 بار استفاده شده است.
یک فشارسنج نیز قبل از انژکتور برای بدست آوردن فشار پشت انژکتور نصب شده تا اثر افت فشار درون لولهها نیز تا قبل از رسیدن جریان به پشت انژکتور مشاهده شود و در صورت نیاز فشار نیتروژن افزایش داده شود. همانگونه که در شکل دیده میشود، از دو ردیف ترموکوپل برای داده برداری استفاده شده که ردیف اول دمای محفظه را در صفحه عمود بر مرکز محفظه داده برداری میکند و ردیف دوم دمای سطح محفظه احتراق را داده برداری میکند. برای به دست آوردن توزیع دمای درون محفظه احتراق از شش ترموکوپل با فواصل یکسان نسبت به یکدیگر استفاده شده و همچنین دمای خروجی با استفاده از یک ترموکوپل که در طول خروجی محفظه حرکت میکند به دست آمده است. برای بدست آوردن توزیع دمای درون محفظه احتراق، ترموکوپلها با فاصلهی 5 میلی متر در عمق حرکت کرده و شکل 7 موقعیت نقاط ترموکوپلها برای بدست آوردن توزیع دمای درون محفظه را نشان میدهد. همچنین دمای خروجی مطابق شکل 8 دمای خروجی محفظه با استفاده از یک ترموکوپل که در طول مرکز خروجی محفظه حرکت میکند به دست آمده است.
برای بدست آوردن دمای لاینر از ترموکوپل نوع K استفاده شده است. مطابق شکل 2 ترموکوپلها بر روی محلهای مشخص شده پیچ شده و ترموکوپل تماس مناسبی با سطح محفظه دارد. نقاط اندازهگیری شده در شکل مشخص است و همزمان با داده برداری از توزیع دمای درون محفظه، دمای لاینر نیز داده برداری شده و نقاط اندازهگیری شده در جدول 2 آورده شده است.
نتایج تجربی
در ابتدا، عملکرد محفظه احتراق با استفاده از دمای گاز ها و در دبی های مختلف هوا بررسی شده است. در همین راستا، 2 فشار پشت انژکتور 6 و 7 بار انتخاب شده است. دماهای اندازه گیری شده، شامل دما در وسط خروجی محفظه احتراق و دمای بر روی خط مرکزی محفظه احتراق است.شکل 9 دمای خروجی محفظه را در دو فشار مختلف سوخت پاش را نشان میدهد و همانطور که مشخص است با افزایش دبی هوای ورودی دمای خروجی محفظه احتراق روند کاهشی داشته و در نهایت محفظه خاموش میشود. همانگونه که در شکل 10 و شکل 11 مشخص است، دمای مرکز محفظه در ردیف سوراخ اول با افزایش هوا ابتدا روند کاهشی پیدا کرده ولی در شکل 10 دچار یک افزایش دما میشود، دلیل آن افزایش سرعت هوای ورودی به نناحیه اول و در نتیجه افزایش عمق نفوذ می باشد که در نتیجه آن باعث میشود شعله در مرکز محفظه دارای دمای بیشتری باشد.
