بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازي عملکرد حالت گذراي موتور توربوجت در دورهاي بالا
چکیده
در این مقاله هدف شبیه سازي عملکرد گذراي یک موتـور توربوجـت تک محور بدون پـس سـوز در دورهـاي بـالا و اعتبـار سـنجی آن بـا استفاده از نتایج تست موتور میباشد. بر این اساس ابتدا مدل ریاضـی موتور معرفی میگردد. سپس نحوه عملکرد حالت پایاي موتور تشریح شده و در ادامه بر اساس آن، مدل شبیه سازي حالت گـذراي موتـور ارائه میگردد. در نهایت به منظور اعتبارسنجی شـبیه سـازي، نتـایج حاصل از شبیه سازي و تست موتور با یکدیگر مورد مقایسه قرار میگیرند و سپس با انجام مطالعات پارامتري، تاثیر سـناریوهاي مختلـف تغییرات دبی سوخت بر رفتار حالت گذراي موتور مورد بررسـی قـرار میگیرد.
واژه هاي کلیدي
شبیه سازي عملکرد، حالت گـذرا، توربوجـت، عملکـرد خـارج از طرح
مقدمه
امروزه پیشرفتها در حوزه سیستمهاي پیشرانشی هواپیماها به توسعه توانایی پیش بینی عملکرد موتورها وابسته است. از این روي مدل سازي و شبیه سازي موتورهاي جت بعنوان یکی از پیچیدهترین سیستمهاي دینامیکی موجود، همواره بعنوان یکی از موضوعات صنعتی جذاب جهت بهبود پارامترهاي عملکردي و توسعه تکنیک هاي جدید کنترلی، مورد توجه بوده است 1]،2و.[3
در میان موتورهاي جت، مطالعه و بررسی عملکرد موتورهاي توربوجت بعنوان هسته مرکزي کلیه موتورهاي توربینی از اهمیت ویژهاي برخوردار است .[4] یکی از مهمترین آنالیزهاي عملکردي یک موتور توربوجت، شبیه سازي عملکرد حالت گذراي موتور است. این تحلیل خصوصا در موتورهاي توربینی هوایی که شرایط کاري بسیار متغیري دارند بسیار پر اهمیت است. البته در توربینهاي زمینی نیز براي تحلیل استارت، خاموشی و تحلیل سناریويهاي اتفاقات پیش بینی نشده بسیار پر اهمیت است.
در شبیه سازي عملکرد حالت گذراي موتور، هدف بررسی چگونگی تغییرات پارامترهاي عملکردي یک موتور همچون دور، تراست و ... بر حسب زمان در صورت تغییرات پارامترهاي ورودي موتور همچون دبی سوخت موتور میباشد 2]و.[5
مدل ریاضی موتور
موتورهــاي توربوجــت از 5 جــزء اصــلی دیفیــوزر (یــا ورودي هــوا)، کمپرسور، محفظه احتراق، توربین و نازل تشکیل شدهانـد کـه جهـت تحلیل و بررسی آنها در شرایط عملکرد حالت پایا و گذرا باید از یـک سري روابط جبري و معادلـه دیفرانـسیل اسـتفاده کـرد کـه در ایـن قسمت به تشریح آنها پرداخته میشود.
دیفیوزر: با در نظر گرفتن فرض الگوي جریان ایده آل در ورودي دیفیوزر [4]، شرایط جریان در ورودي دیفیوز برابر با شرایط جریان آزاد میباشد ( M1 M 0 ، T1 T0 و .( P1 P0 بنابراین دما و فشار کل جریان در ورودي دیفیوزر از طریق روابط (1) و (2) محاسبه میگردند.
با استفاده از فرض جریان آدیاباتیک در دیفیوزر، میتوان دماي کل و فشار کل خروجی از آن را نیز توسط معادلات (3) و (4) محاسبه کرد.
کمپرسور: دو پارامتر عملکردي مهم کمپرسور عبارتنداز نسبت فشار و رانــدمان کـه مقـادیر ایـن دو پـارامتر در دورهـاي کـاري مختلـف کمپرسور متفاوت بوده و عملکرد موتور را به شدت تحـت تـاثیر قـرار میدهدند. براي تعیین نسبت فشار و راندمان کمپرسور از منحنیهاي عملکردي کمپرسور استفاده میشود. پس از مـشخص شـدن نـسبت فشار و راندمان کمپرسور، میتوان فشار کل و دماي کـل خروجـی از کمپرسور را با استفاده از روابط (5) و (7) بدست آورد .[4]
محفظه احتراق: در محفظه احتراق نیز دو پـارامتر عملکـردي مهـم عبارتنداز نسبت فشار و رانـدمان کـه مقـادیر آنهـا را مـیبایـست بـا استفاده از منحنیهاي عملکردي محفظه احتراق استخراج کرد. پـس از مشخص شدن نسبت فشار و راندمان محفظه احتراق میتوان فشار کل و دماي کـل خروجـی از آن را بـا اسـتفاده از روابـط (8) و (10)،محاسبه نمود .[4]
توربین: در توربین نیز دو پارامتر عملکـردي مهـم عبارتنـداز نـسبت فـشار و رانـدمان کـه مقـادیر آنهـا را نیـز بایـد از روي منحنـیهـاي عملکردي توربین استخراج کـرد. بـا مـشخص شـدن نـسبت فـشار و راندمان توربین، میتوان فشار و دماي کـل خروجـی از تـوربین را بـا استفاده از روابط (11) و (13) بدست آورد .[4]
نازل: در قسمت نازل موتور توربوجت، نسبت انبساط بحرانی و نسبت دماي بحرانی دو پارامتري هستند که با استفاده از روابط زیر قابل محاسبهاند.
زمانیکه نسبت انبساط نازل کمتر از نسبت انبساط بحرانی باشد، فشار صفحه خروجی نازل برابر با فشار محیط میباشد (رابطه ( (16) که بر اساس آن میتوان دماي خروجی از نازل را با استفاده از رابطه (17) محاسبه کرد.
اما در حالتیکه نسبت انبساط نازل بزرگتر از نسبت انبساط بحرانی باشد، فشار و دماي خروجی از موتور با استفاده از روابط (18) و (19) بدست میآید
پس از محاسبه دما و فشار استاتیک خروجی نازل میتوان سرعت جریان خروجی از نازل را توسط رابطه (20) محاسبه نمود.
تراست موتور: تراست یک موتور بعنوان مهمترین پارامتر عملکردي موتور از اهمیت ویژهاي برخوردار است که مقدار آن را میتوان با استفاده از رابطه (21) محاسبه نمود.
تغییرات دور موتور: در صورت وجود کار اضافی بین توربین و کمپرسور موتور که عموما ناشی از تغییرات دبی سوخت و در نتیجه دماي ورودي توربین است (رابطه ((22)، دور موتور نیز دچار تغییر میگردد که میتوان این تغییرات را با حل معادله دیفرانسیل (23)
محاسبه کرد 1]،2و.[5
عملکرد حالت پایاي موتور توربوجت
منظور از عملکرد حالت پایاي یک موتور توربوجت، شرایطی از عملکرد موتور میباشد که در آن 4 شرط زیر بر قرار باشد .[6]
-1 سازگاري بین سرعت دورانی کمپرسور و توربین:
-2سازگاري بین دبی جرمی جریان عبوري از کمپرسور و توربین:
-3 سازگاري بین توان کمپرسور و توربین:
-4 سازگاري بین دبی جرمی خروجی توربین و خروجی نازل:
از این روي با در نظر گرفتن 4 شرط فوق و نیز استفاده از روابط مذکور جهت مدلسازي ریاضی موتور، میتوان شبیه ساز عملکرد حالت پایاي موتور را با استفاده از روش حلقههاي تودرتو[5] 1 ایجاد کرد.
عملکرد حالت گذراي موتور توربوجت
در شرایط عملکردي حالت گذراي یک موتور توربوجت، در صورت بروز اختلاف توان بین توربین و کمپرسور، موتور از شرایط عملکرد حالت پایاي خود خارج میگردد و شرط سازگاري توان کمپرسور و توربین که در قسمت عملکرد حالت پایا بیان شد نقض میگردد. از این روي در اثر وجود توان اضافی در موتور، دور موتور در لحظات بعدي دچار تغییر خواهد شد. مهمترین گام در شبیه سازي عملکرد حالت گذراي موتور تعیین مقدار توان اضافی موجود در موتور در هر لحظه است.روش تعیین مقدار توان اضافی موتور به این صورت است که در هر لحظه ابتدا یک مقدار اولیه براي توان اضافی موتور در نظر گرفته میشود، سپس با استفاده از مدل شبیه ساز حالت پایاي موتور مقدار دبی سوخت موتور بدست میآید. مقدار دبی سوخت باید با مقدار دبی سوخت تعیین شده از سوي سیستم کنترل سوخت چک شود که در صورت مطابق نبودن آنها باید مقدار جدیدي براي توان اضافی موتور در نظر گرفته شود. در نهایت، زمانی که مقدار توان اضافی موتور تعیین شد میتوان مقدار افزایش دور موتور در گام زمانی مد نظر را تعیین کرد 2]و.[5 در شکل (1) الگوریتم شبیه سازي حالت گذراي موتور توربوجت نشان داده شده است.
شکل :1 الگوریتم شبیه سازي عملکرد حالت گذراي موتور توربوجت
نتایج
باتوجه به آنچه که بیان شد، مدل شبیه سازي عملکرد حالت گذرا بـر اساس منحنیهاي عملکردي دور بالاي کمپرسور، محفظـه احتـراق و توربین یک موتور توربوجت نمونه ایجاد گردیده است .[6] به منظـور اعتبار سنجی نتایج حاصل از شبیه سازي، نمودارهاي
