توربوماشین ها

[EN-EZEL 13,039]

توربوماشین ها

توربوماشین دستگاهی است که در آن حرکت یک سیال غیر محبوس بنحوی تغییر داده می شود که قدرت را به یک محور انتقال دهد یا از آن قدرت بگیرد و یا به نحوی که باعث ایجاد نیروی جلوبرنده شود.

ماشین هایی را در نظر بگیرید که قدرت را از محور به سیال منتقل می نمایند. این قدرت توسط عضوی به نام روتر. چرخ و یا پروانه که تعدادی پره دارد و روی محور سوار شده است به سیال منتقل می گردد. این ماشین ها به نام های زیر شناخته می شوند:

1- پمپ. توربوماشینی است که سیال آن مایع است.

2- کمپرسور. با انتقال قدرت به گاز. فشار زیاد و سرعت کمی به آن می دهد.

3- فن موجب حرکت گاز می شود و تغییر مختصری در فشار آن ایجاد می کند.

4- دمنده. فشار و سرعت قابل توجهی به گاز می دهد.

به توربوماشین هایی که در آن ها قدرت از سیال به محور انتقال یابد توربین گوییم. توربین ها به دو دسته تقسیم می شوند:

در یک توربین ضربه ای فشار استاتیک سیال در حین گذر از بین پره های چرخ تغییر نمی کند. چرخ پلتون از این نوع است. در توربین های عکس العملی فشار استاتیک سیال در حین جریان بین پره ها مرتبا کاهش می یابد. یعنی در این جریان سیال دچار انبساط می شود و هر جفت پره مجاور بمثابه یک نازل متحرک عمل می کنند.

به توربوماشین های مثل موتور جت که نیروی جلوبرنده ایجاد می کنند موتور جلوبرنده گویند. عموما در این ماشین ها از احتراق سوخت استفاده می شود. اگر هوای لازم جهت احتراق یک دیفیوزر از محیط اطراف گرفته شود یک ماشین تنفس هوایی خواهیم داشت که عینا مانند موتور جت است. از طرف دیگر اگر عامل اکسید کننده توسط ماشین حمل شود تا بتواند در خارج از جو نیز عمل احتراق را انجام دهد آن را راکت گویند. سوخت راکت می تواند جامد یا مایع باشد.

 

نازل وسیله ای است که به ازای کاهش فشار در جهت جریان سرعت سیال را افزایش می دهد.

شیپوره واگرا یا دفیوزر چیست؟

وسیله ای است که به ازای کاهش سرعت فشار جریان را افزایش می دهد.

بعضی از قانون های ترمودینامیک در مورد نازل ها:

 

1- کارمحوری ندارند.

2- با توجه به تغییر کم ارتفاع تغییر انرژی پتانسیل سیال گذرنده از نازل ها ناچیز می باشد.

3- در بسیاری از موارد می توان از انتقال حرارت در آنها صرفه نظر کرد.

 

توربین ها و کمپرسور ها و دمنده ها

 

توربین وسیله ای است که در آن از یک سیا کار محوری تولید می شود.

کمپرسور وسیله ای است که با اعمال کار محوری روی یک سیال باعٍ افزایش فشار در آن می شود.

دمنده وسیله ای است که از آن در حرکت دادن یک سیال از یک محل به محل دیگر استفاده می شودسبب افزایش فشار گاز به میزان کم می شود.

 

بعضی از قوانین جاری برای این وسایل:

 

در این وسایل می توان از انرژی پتانسیل در آنها صرفه نظر کرد.

تغییرات انرژی جنبشی در آنها بسیار کم می باشد.

میزان انتقال حرارت وابسته به میزان عایق بندی در انها دارد.

در توربوماشین های دوار با توجه به زیاد بودن سرعت میزان انتقال حرارت کم می باشد.

در توربوماشین های رفت وبرگشتی تغییرات انتقال حرارت بسیار مهم می باشد.

آنتالپی در این وسایل اگر در جهت جریان در نظر گرفته شود مهم می باشد.

معمولا در توربین ها آنتالپی کاهش یافته و در کمپرسور ها افزایش می یابد.

 

محفظه اختلاط:

 

محفظه اختلاط وسیله ای است که برای مخلوط کردن مستقیم چند جریان ورودی و سرانجام خروج جریان مخلوط شده از یک خروجی مورد استفاده قرارمی گیرد.

در محفظه اختلاط کار جریان محوری وجود ندارد.

هیچ گونه انتقال حرارت در آنها وجود ندارد.

میزان تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز می باشد.

و دربسیاری از موارد در حالت پایا میزان دبی خروجی با ورودی برابر می باشد.

 

فرآیند اختناق:

 

زمانی یک سیال جاری به طور ناگهانی با مانعی در مسیر جریان مواجه شده و در نتیجه فشارش افت پیدا می کند. حال این مانع می تواند یک شیر نیمه باز یا یک صفحه سوراخ دار مانند اورفیس باشد.

کار محوری در آن وجود ندارد.

تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز دارد.

از انتقال حرارت در آن هم می توان صرفه نظر کرد.

در فرآیند اختناق آنتالپی ورودی و خروجی با همدیگر برابر هستند.

 

نازل ها:

 

نازل همگرا:نازلی است که مساحت آن در امتداد جریان کاهش یابد.

حداکثر سرعت در یک نازل همگرا سرعت صوت می باشد. برای شتاب دادن به سیال در سرعت های مادون صوت باید نازل ما همگرا باشد.

نازل واگرا:نازلی است که مساحت آن درامتداد جریان افزایش یابد.

جهت رسیدن به سرعت های مافوق صوت از یک نازل واگرا استفاده می شود.

 

نازل های همگرا-واگرا

نازل های همگرا-واگرا نازل هایی هستند که در انها سطح مقطع در امتداد جریان ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد.

این نوع نازل ها از سه قسمت که متشکل از یک نازل همگرا و گلوگاه و نازل واگرا می باشد تشکیل شده است.

اگر جریان در بخش واگرای نازل مافوق صوت باشد گلوگاه باید دارای عدد ماخ یک باشد.

 

گلوگاه:

محل اتصال نازل همگرا به واگرا می باشد و قسمتی از دستگاه است که کمترین سطح مقطع را دارا می باشد.

 

حالت خفگی:

 

در شرایط سکون معین حداکثر دبی جرمی موقعی که از یک مجرا عبور می کند که گلوگاه در حالت بحرانی قرار داشته باشد یا دارای عدد ماخ یک باشد این حالت رو خفگی گویند.

 

سرعت صوت:

 

سرعت صوت شدت انتشار یک موج فشاری با توان بی نهایت کوچک است که از میان یک سیال ساکن عبور می کند.

 

عدد ماخ:یک عدد بدون بعد می باشد. که برابر است با سرعت واقعی سیال بر روی سرعت صوت.

 

حالت سکون:

 

زمانی که یک سیال از یک سرعت خاص به حالت توقف در آید گوییم به حالت سکون رسیده است.

 

امواج ضربه ای:

نواحی خیلی نازکی هستند که در جریان های مافوق صوت هستند که تغییرات خواص در عرض آنها شدید است. این فرآیند از نوع برگشت ناپذیر بوده و نمی توان آن را آیزونتروپیک فرض کرد.

اگر امواج ضربه ای در صفحه عمود بر امتداد جریان رخ دهد آن موج را ضربه ای قائم می نامیم. و در صورتی که غیر عمود باشد آن را موج ضربه ای مایل می نامیم.

در امواج ضربه ای قائم جریان های بالا دست و پایین دست در امتداد هم واقعند.

جریان در عرض یک موج ضربه ای آدیاباتیک است پس آنتالپی کلی در عرض یک موج ضربه ای ثابت می ماند.

در موج ضربه ای قائم آنتالپی سکون ثابت می ماند ودر نتیجه برای گاز های آیده آل دمای سکون هم ثابت می ماند.

در امواج ضربه ای جریان جلو موج ضربه ای باید مافوق باشد و در پشت موج ضربه ای مایل معمولا جریان مافوق صوت است. برای موج ضربه ای قائم جریان پایین دست همواره مادون صوت است.

مادون صوت بودن سرعت جریان شرط لازم برای ایجاد موج ضربه ای قائم است.

 

ابتدا چند خصوصیت مهم جریان ایزونتروپیک رو بیان کرده. اولا با کاهش سطح مقطع از شرلیط سکون تا مقطعی که عدد ماخ آن برابر یک می باشد انبساط بصورت یک جریان مادون صوت صورت می پذیرد. این مقطع گلوگاه یا مقطع صوتی و خواص سیال در آن خواص بحرانی نامیده می شود. بعد از گلوگاه مساحت افزایش یافته و شرایط جریان مافوق صوت برقرار می شود. این بخش از انبساط در مقایسه با ناحیه بالا دست گلوگاه که بخش همگرا نامیده می شود به بخش واگرا موسوم است. شکل هندسی شیپوره هایی که برای انبساط ایزونتروپیک سیال تا فشار محیط بالاتر از بحرانی طراحی می شوند.

شیپوره هایی که بمنظور انبساط ایزونتروپیک تا فشاری کمتر از فشار بحرانی طرح می شوند یک بخش واگرا نیز خواهند داشت که شیپوره های همگرا-واگرا یا دولاوال نامیده می شوند. از این مبحث می توان نتیجه گرفت که عملکرد شیپوره تبدیل آنتالپی سیال به انرژی جنبشی و به طریقی موثر وبا راندمان است. در مقابل شیپوره دیفیوزر وجود دارد که انرژی جنبشی را به آنتالپی تبدیل می کند.

یک نکته بسیار مهم این است که با انتخاب فواصل بینابینی متفاوت و کاهش فشارهای مختلف می توان به اشکال هندسی مختلفی دست یافت. با این همه برای یک دسته شرایط معلوم سطح گلوگاه و سطح خروجی تمام آنها یکسان خواهد بود.

 

خواص سکون

در بخش های قبلی در بررسی جریان ایزونتروپیک خواص سیالی که دارای سرعت صفر باشد را خواص سکون نامیدیم و بیان کردیم که در جریان یک بعدی آدیاباتیک در هر محلی از جریان به سرعت صفر برسیم آنتالپی یکسانی خواهیم داشت. حال به طور ساده می توان فرض کرد که اگر در هر نقطه از این جریان آدیاباتیک سرعت جریان در یک فرآیند خیالی بطور ایزونتروپیک در همان نقطه به صفر برسد به همان آنتالپی سکون خواهد رسید.از طرف دیگر اگر جریان آدیاباتیک و یک بعدی نباشد احتمالا در هر نقطه پس از از توقف ایزنتوپیک جریان به آنتالپی متفاوتی خواهد رسید. بنابراین با این روش در تمام موارد می توانیم در هر نقطه از جریان آنتالپی سکون یا هر خاصیت سکون ایزونتروپیک محلی نامید.

حال می دانیم که در جریان آدیاباتیک یک بعدی بایستی در تمام نقاط آنتالپی سکون یکسان باشد و برعکس اگر برای یک جریان یک بعدی خاص بدانیم که آنتالپی سکون در تمام نقاط یکسان است می توانیم نتیجه بگیریم که جریان آدیاباتیک می باشد. بطوری که عموما آگاهی از نحوه تغییرات خواص سکون ایزونتروپیک محلی می تواند طبیعت جریان را بسیار روشنتر کند. پی حالا می توانیم بگوییم که خواص سکون" ایزونتروپیک محلی" خواصی هستند که در هر نقطه از یک جریان معین با یک فرآیند فرضی ایزونتروپیک که در انتها سرعت به صفر می رسد به آنها می رسیم. شرایط اولیه این فرآیند فرضی شرایط جریان واقعی در نقطه مورد نظر هستند.

 

موج ضربه ای قائم:

 

همان طور که گفتیم که یک موج ضربه ای مشابه موج صوتی است با این تفاوت که مدت محدودی دارد و خاطرنشان کردیم که در آن تغییرات خواص جریان در فاصله بسیار کوچکی رخ می دهد. در حقیقت ضخامت موج بقدری کم است که در محاسبات می توانیم از آن صرفه نظر کنیم خواص جریان در عرض جبهه موج بطور ناپیوسته تغییر می کند. همچنین بیان کردیم که موج ضربهای نسبت به سیال با سرعتی بیش از سرعت موج صوتی حرکت می کند. اکنون به بحث خودمان در رابطه با امواج ضربه ای می پردازیم.تقریبا در تمام جریان های مافوق صوت می توان انتظار داشت که موج ضربه ای رخ دهد.

 

موج ضربه ای قائم را می توان به عنوان یک سطح مستوی ناپیوستگی در خصوصیات جریان عمود بر جهت جریان تصور کرد. از این رو حجم کنترل به طور بسیار کوچک در نظر گرفته می شودکه موج ضربه ای را شامل می شود. اگر چه ابعاد این حجم کنترل کوچک است ولی قوانین اصلی در مورد آن به صورت دیفرانسیلی نیستند. زیرا در این حالت خصوصیات جریان در گذر از طول بسیار کوچک حجم کنترل تغییرات محدودی دارند. بنابراین در معادلات حاصله کمیات دفرانسیلی که ناشی از عواملی مانند تغییر سطح هستند قابل صرفه نظرند. از این رو جریان داخل سطح کنترل را می توان با سطح مقطع ثابت در نظر گرفته و بعلاوه برای حجم کنترل انتخابی از اصطکاک لایه مرزی و انتقال حرارت صرفنظر نمود.

[EN-EZEL 13,039]

موج ضربه ای مایل:

موج ضربه ای مایل یک موج صفحه ای است که قائم برآن با راستای جریان زاویه ای می سازد. معمولا تغییرات راستای جریان بطرف موج متمتیل است و در امواج ضربه ای مایل دو بعدی همواره چنین است. بعلاوه از آنجا که فقط سرعت متاثر از موج ضربه ای است در امواج ضربه ای ضعیف ممکن است که جریان حاصله از موج ضربه ای هنوز هم مافوق صوت باشد. از این رو پس از امواج ضربه ای مایل هم شرایط مادون صوت و هم شرایط مافوق صوت امکان پذیر است.

در مورد جریان های متقارن سه بعدی مافوق صوت سطوح موج ضربه ای بجای اینکه به شکل صفحات مایل باشند بصورت مخروطی اند که معمولا امواج مخروطی نامیده می شوند. از بررسی قبلی امواج قائم نتیجه می شود که موج ضربه ای انبساطی مایل نمی تواند وجود داشته باشد. با این وجود در جریان های مافوق صوت انبساطهای سریعی یافت می شود که در یک ناحیه باریک به شکل بادبزن بوجود می آید. اینها امواج انساطی مایل یا انبساطهای پرانتل-مایر نامیده می شوند.

 

توضیحی در مورد جت های آزاد:

 

 

جت آزاد به عنوان جریانی از سیال در نظر گرفته می شود که از مجرائی خارج شده و به ناحیه نسبتا بزرگی وارد می شود که محتوی سیالی است که سرعت آن به موازات امتداد جریان جت است. قبل از بررسی کارکرد شیپوره ها و دیفیوزرها بایستی برخی از مشخصه های اصلی جت های آزاد مورد بررسی قراردهیم.

ابتدا وضعیتی را در نظر می گیریم که سیال با جریان مادون صوت از شیپوره به داخل اتمسفر جریان می یابد. نشان می دهیم که در چنین جریان هائی فشارخروجی سیال با فشار اتمسفر محیط برابر است. اگر فشار اتمسفر کمتر از فشار جت می بود یک انبساط جانبی در جت صورت می گرفت. این عمل مطابق تئوری جریان ایزنتروپیک سرعت جت را کاهش می دهد و در نتیجه فشار در جت لزوما افزایش می یابد. در این صورت وضعیت بدتر می شد و بدیهی است که ادامه این عمل یک حادثه است. از طرف دیگر این فرض را در نظر بگیرید که فشار اتمسفر از فشار جت بیشتر باشد. آنگاه باید طبق تئوری جریان ایزنتوپیک جت منقبض شده و سرعت افزایش یابد. این امر باعث بیشتر شدن فشار در جت شده و وضعیت را بدتر می کند. واضح است که هر دو امکان دارد که منجر به ایجاد یک ناپایداری در جریان جت شود. از اینجا معلوم شده که جت آزاد مادون صوت پایدار است که می توانیم نتیجه بگیریم که فشار جت بایستی با فشار محیط برابر باشد. با این وجود اگر جت مافوق صوت باشد لزومی ندارد که فشار محیط با فشار خروجی برابر باشد. فشار خروجی می تواند برای حالات دو بعدی از طریق یک دسته امواج ضربه ای و انبساطی مایل و برای حالات سه بعدی متقارن از طریق امواج مخروطی با فشار محیط برابر شود.

 

کارکرد شیپوره ها(نازل ها(

حال از روی مشاهدات تجربی می توانیم بررسی کنیم که هنگامی که یک شیپوره تحت شرایطی که برای آن طراحی نشده است قراربگیرد چه پیش می آید. ابتدا شیپوره همگرایی شکل که برای فشار خروجی برابر فشار بحرانی و در نتیجه برای عدد ماخ خروجی واحدطراحی شده است را در نظر می گیریم. حال باید توجه کنیم که یک محفظه بزرگ بنام محفظه پلنوم به خروجی شیپوره متصل می باشد. در حالی که شرایط سکون ورودی شیپوره را ثابت نگه می داریم. با یک فشار پلنوم که کمی از فشار سکون کمتر است شروع می کنیم. این امر باعث می شود که سرتاسر آن مادون صوت است. حال سیال بصورت یک جت آزاد مادون صوت به محیط تخلیه می گردد. برای این نوع جریان اثرات غیر ایزنتروپیک خیلی کوچک است. مادامی که فشار پلنوم کاهش داده شود در سراسر جریان عدد ماخ افزایش خواهد یافت. نهایتا در گلوگاه شرایط صوتی ایجاد می شود.

زمانی که فشار پلنوم مربوط به فشار بحرانی است. کاهش بیشتر فشار در محفظه پلنوم اثری بر جریان داخل شیپوره نمی گذارد و گفته می شود که شرایط خفگی کار می کند. یک توضیح فیزیکی ساده از این عمل را می توان بصورت زیر عرضه کرد:

هنگامی که شرایط صوتی در گلوگاه برقرار گردید سیال در این ناحیه با همان سرعتی که اغتشاشات فشاری می توانند به بالا دست بروند که به پاین دست جریان می یابد.

بنابراین تغییرات فشار ناشی از کاهش بیشتر فشار نمی تواند بر بالا دست گلوگاه که بعنوان یک سد عمل می کند تاثیر بگذارند. پس تحت این شرایط در بالادست گلوگاه نمی تواند تغییری رخ دهد. هنگامی که فشار پلنوم بیشتر کاهش داده می شود فشار جت درورود به محفظه پلنوم در فشار بحرانی باقی می ماند. حال اختلاف فشاری بین جت و محیط بوجود می آید و این حالت تنها هنگامی در یک جت آزاد امکان پذیر است که عدد ماخ جریان برابر واحد یا بزرگتر از واحد باشد. سپس همینطور که قبلا بیان شد از طریق یک دسته امواج انبساطی و ضربه ای مایل فشار جت به فشار محیط می رسد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که شیپوره همگرا را می توان به عنوان یک شیر محدود کننده عمل کرده و بازای هر دسته شرایط سکون معین امکان عبور یک دبی حداگثر را بدهد.