هامینگ یا ناپایداری احتراق Humming

[spow 44197]

Humming ( ناپایداری احتراق)

در فرایند احتراق سوخت با هوا مخلوط شده و می سوزد

به طور کلی احتراق به دو دسته تقسیم می شود:

سوخت و هوا ابتدا مخلوط می شوند سپس می سوزند

احتراق و مخلوط شدن همزمان رخ می دهند.

در سیستمهای احتراق قدیم و هوا بطور جداگانه وارد قسمت احتراق شده و در آنجا مخلوط و مشتعل می شوند.( احتراق دیفیوژن) در چنین وضعیتی ، دمای شعله به طور قابل ملاحظه ای بالا بوده و می تواند ازC 1150 ° فراتر رود. این نوع احتراق به علت دمای بالای شعله و همچنین عدم امکان آمیزش کامل و یکنواخت سوخت و هوا ،NOX بالایی تولید می کند، همچنین مصرف سوخت بالایی به دنبال دارد.

سیستمهای پیشرفته امروزی که میزان آلاینده های کمتری دارند، به صورت کاملا متفاوتی عمل می کنند. بدین صورت که سوخت و هوا در بالا دست محفظه ی احتراق با هم پیش مخلوط (پریمیکس) می شوند.

در این روش حجم بسیار بالاتری از هوا (بیشتر از آنچه برای واکنش با سوخت لازم است) در مجاورت سوخت قرار گرفته یا اصطلاحا مخلوط بسیار رقیقی از سوخت و هوا در احتراق شرکت می کنند.در این وضعیت انرژی آزاد شده حاصل از احتراق ، به حجم هوای بیشتری منتقل می شود.لذا دمای محصولات احتراق ، به میزان قابل ملاحظه ای کمتر و در نتیجه میزان NOX کمتری نیز تولید می شود.

هرچند در این روش NOXکمتری تولید می شود ، اما این روش خود باعث به وجود آمدن مشکلات جدیدی می شود.

ایجاد یک مخلوط قابل اشتعال در ناحیه بالا دست محفظه ی احتراق، بنابراین باید توجه ویژه ای به طراحی محفظه ی احتراق داشت ،تا از انتقال شعله به بالا دست (flash Back) جلوگیری شود.

ثانیا در برخی موارد ممکن است شعله پایلوت برای پایداری شعله استفاده شود.

به دلایلی که بطور کامل علت آن مشخص نیست ، این سیستم هاتمایل زیادی به بروز ناپایداری در احتراق دارند. این ناپایداری ها با نوسانات فشار در محفظه احتراق ، نوسانات گرمایی ایجاد كرده و نوسانات د بی جریان آشکار می گردد و با نامهای مختلفی چون screech, buzz , rumble-haming شناخته می شوند و بصورت یک پدیده مخرب محسوب می شود، که تا به حال به تعداد زیادی از توربین های گازي آسیب رسانده است.

این نوسانات فشار، چند صد بار در ثانیه رخ می دهد و باعث تسریع در فرسوده شدن ، آسیب و ایجاد ترک در قطعات می گردد.

مکانیزم عملکرد این ناپایداری ها، مانند رفتار یک سیستم صوتی است که میکرفن آن در مقابل بلندگوی خود قرار گرفته است. با بروز اغتشاش در بلند گو ، میکرفن آنرا دریافت نموده و پس از تقویت ، اغتشاش ایجاد شده با دامنه بیشتری از بلندگو خارج می شود . به همین ترتیب دامنه اغتشاشات به سرعت و به شدت افزایش می یابد.

مشابه چنین وضعیتی در محفظه ی احتراق نیز اتفاق می افتد.

هرگونه اغتشاش و نوسان در فشار یا ترکیب سوخت ، باعث ایجاد نوسان در شعله و انرژی آزاد شده آن می شود.كه تولید امواج صوتی را به همراه دارد.این امواج که از مرکز شعله دور می شوند، پس از برخورد به دیواره محفظه احتراق ، این فرایند بصورت حلقه بسته و خود تحریک به سرعت تکرار می شود و دامنه ارتعاشات آن به شدت افزایش می یابد تا به حد اشباع خود برسد.

کمتر از 0.01 درصد از انرژی ازاد شده در فرایند احتراق در صورتیکه در میدان صوتی محفظه ی احتراق و به عبارت دیگر در سیکل بسته فوق قرار گیرد، می تواند نوسانات فشاری معادل 1 PSI ایجاد نماید.

این نوسانات مخرب ، مشابه سیستمهای ارتعاشی در یک فرکانس مشخص اتفاق می افتد که تابعی از هندسه محفظه احتراق و دمای گازهای آن می باشد.

[spow 44197]

بررسی علل وقوع پدیده هامینگ و حذف آن:

از دیدگاه یك طراح محفظه احتراق با سه مشخصه زیر تعیین می شود

1.فرکانس نوسانات فشار

2.شرایط رخداد

3.دامنه نوسانات فشار درون محفظه

شاید پیشگویی نیاز به شناخت از مشخصات هندسی سیستم و متوسط توزیع دما در محفظه احتراق دارد، و علاوه بر این به فهم اثر متقابل جریان درون محفظه و توزیع سوخت احتیاج می باشد.

اما به دلیل روشن نبودن عامل اصلی به وجود آورنده نوسانات ، چنین هدفی به سادگی دست یافتنی نخواهد بود.

چون اولا: درک روشنی از احتراق و جریانهای گردابی آن وجود ندارد.

ثانیا : به علت حالت انعکاس و تشدید پذیری ناپایداری های محفظه ، تشخیص اینکه کدام عامل پدید آورنده ارتعاشات است امکان پذیر نیست . یعنی مشخص نیست اگر نسبت سوخت به هوا با زمان تغییر کند ، شاهد نوسانات در حرارت تولید شده و در نتیجه آشفتگی جریان و فشار خواهیم بود يا نه. دانستن این موضوع به طراحان کمک زیادی کرده تا سیستمهايی طراحی کنند که از پایداری بیشتری برخوردار است.

یکی دیگر از این مکانیزم ها که مهم تشخیص داده شده است، اغتشاش شعله در اثر نوسانات جریان می باشد.

اما هر گونه نوسان جریان ، سبب تغییر و جابجایی محل شعله می شود که نتیجه آن تغییر حرارت آزاد شده توسط شعله و در نهایت بروز ناپایداری هاي احتراق می باشد.

علاوه بر موارد ذکر شده فوق پدیده هامینگ بصورت ذاتی از دما و رطوبت هوای محیط و همچنین میزان سوخت تاثیرپذیر می باشد.

از آنجایی که هدایت الکتریکی شعله وابسته به نسبت سوخت به هواست ، الکترودهای نزدیک به شعله می تواند سیگنالی که تابعی از نسبت کلی سوخت به هواست را گزارش نماید که بیانگر دینامیک جریان و همچنین بازگشت شعله است.

[spow 44197]

روشهای کنترل ناپایداری احتراق – هامینگ

بطور کلی پایداری دینامیک احتراق به جزئیات هندسه محفظه احتراق ، ترانسهای ساخت آن ، پاشش سوخت و نیز ترکیبات سوخت مصرفی وابسته می باشند.

یکی از روشهای متداول انجام اقدامات در جهت از بین بردن تقارن در پاسخ شعله به نوسانات ایجاد شده می باشد.

در همین راستا می توان به غیر یکنواخت بودن هندسه سوراخهای تزریق سوخت از یک مشعل به مشعل دیگر و درون یک محفظه احتراق اشاره کرد.در بسیاری موارد این عدم تقارن با لحاظ نمودن یک شعله پایلوت در کنار شعله اصلی ایجاد می شود. بطوریکه دینامیک شعله اصلی می تواند توسط تنظیم مقدار شعله پایلوت کنترل شود.

این شعله پایلوت ممکن است خود یک شعله دیفیوژن باشد.

از آنجایی که شعله های دیفیوژن پایداری دینامیکی بیشتری نسبت به نوع پرمیکس دارند، عمدتا با استفاده از شعله دیفیوژن می توان به راحتی پایداری را بهبود بخشید.

البته باید توجه داشت که در حالتهای مختلف احتراق تنظیم جریان پایلوت نیز لازم است.

ضمنا شعله پایلوت دیفیوژن بطور قابل ملاحظه ای NOX تولید می کند.

در جهت حذف تقارن در محفظه احتراق و اجرای آن ، شیوه های ابداع شده مه در آن تبدیل سوخت به شعله با تاخیر زمانی اتفاق می افتد. که می توان به وصل کردن اجزای اضافی روی مشعل یا تغییر دادن مشخصه های هندسی آن اشاره کرد.

روش استفاده از تزریق کننده های مخصوص جهت پاشش سوخت به درون محفظه احتراق استفاده می شود. این پاشنده ها با دریافت و حس کردن وضعیت آنی فشار در محفظه، سوخت را بصورت پاس بطوری پاشش می کند که باعث خنثی شدن نوسانات فشار در محفظه می گردد.

روشهای تشخیص ناپایداری احتراق – هامینگ:

مشابه بسیاری از پدیده ها و فرایندها ،آنچه به تشخیص و شناسایی صحیح یک پدیده کمک می کند ، اندازه گیری شاخصهایی است که به نوعی آن پدیده را معرفی می نماید.

اما متاسفانه در این زمینه انجام اندازه گیری های ساده از مشخصه های دینامیکی محفظه ی احتراق با چالشهایی مواجه است.

همانطور که اشاره شد نوسانات فشار یکی از مشخصه ها و نتایج بروز پدیده هامینگ است.

اخیرا برای اندازه گیری این نوسانات روشها و وسایل جدیدی معرفی شده است.

سنسورهای فشار دینامیکی جدید(Dynamic pressure transducers) با قابلیت کارکرد در دماهای بالا به بازار عرضه شده است . سازندگان این نوع تجهیزات معتقدند که این نوع وسایل برای مانیتور کردن در محیط های دمای بالا مناسب بوده و توانایی کارکرد در دمای بیش از 540 c را دارا هستند.

در بیشتر این سنسورها از کریستال پيزوالکتریک استفاده می شود که این مواد معمولا در دمای بالا خواص پيزوالکتریک و قطبیت خود را از دست می دهند

اگر چنین شود ، بدون اینکه دامنه دینامیکی نوسانات فشار تغییر کرده باشد، این سنسورها به تدریج دامنه دینامیکی کمتری را نمایش خواهند داد.

البته در مواقعی برای اندازه گیری فشار دینامیکی ، بدون نیاز به سنسورهایی با قابلیت کارکرد در دمای بالا ، از لوله کشی استفاده می شود ، بدین ترتیب که سیال موجود در محفظه احتراق را به لوله ای که انتهای آن مسدود است هدایت کرده و ...... جهت اندازه گیری نوسانات فشار در انتهای مسیر نصب می نمایند.

البته در چنین روشی می بایست از عواقب بکار گیری سیستمهای غیر کالیبره (نصب سنسور در انتهای یک مسیر لوله کشی مسدود و نسبتا طولانی ) که ممکن است سبب ارائه نتایجی با خطاهای بالا شود ، آگاه بود.

آخرین روش برای اندازه گیری ها، استفاده از یک سنسور الکتروستاتیک بصورت یکپارچه با نازل سوخت می باشد. که در حال حاضر به صورت آزمایشی وارد بازار شده است.

اصول این روش مبتنی بر اندازه گیری تعیین هدایت الکتریکی شعله می باشد که توسط دو الکترود در محل تزریق سوخت بر روی مشعل نصب می گردد.

[spow 44197]

کنترل و مانیتورینگ پدیده هامینگ در توربین های v94-2

در محفظه احتراق توربین های v94-2 از همان سنسورهای پيزو الکتریک برای مانیتور کردن نوسانات فشار محفظه استفاده می شود.

این نوع سنسورها قابلیت تحمل دما تا 400c رادارا می باشند.

سیگنالهای تولید شده در این نوع سنسورهای دینامیکی فشار ، پس از تقویت توسط signal conditioner به یک کارت کنترلی هدایت شده و پس از حذف فرکانسهای خارج از محدوده ، مقدار دامنه موثر نوسانات فشار محاسبه می گردد.

با انجام این محاسبات ، سیگنالی جهت کنترل ناپایداری احتراق (هامینگ) در توربین های v94.2 با این فلسفه انجام می شود که در صورت بروز نوسانات فشار ، توان خروجی توربین و در نتیجه میزان سوخت تزریقی تغییر یافته تا از تشدید نا پایداری ها و اشباع شدن نوسانات جلوگیری به عمل آید.

در این ..... کنترلی جهت حذف ناپایداری های احتراق ، در حد مجاز برای دامنه نوسانات فشار تعریف شده است که برابر 20mbar و 30mbar می باشد.

زمانی که توربین با سوخت گاز کار می کند در صورتی که مقدار دامنه موثر نوسانات فشار از 20mbar بیشتر می شود سیستم کنترل ، توان خروجی را به تدریج کاهش می دهد تا از مقدار دامنه نوسانات کاسته شود و در صورتی که این اقدام موثر باشد و دامنه نوسانات به بالای30mbar برسد ناگهان توان خروجی توربین به 50mw کاهش داده می شود تا از آسیب رسیدن به توربین و محفظه احتراق جلوگیری شود .

وضعیت مشابهی برای کارکرد توربین با گازوئیل وجود دارد با این تفاوت که محدوده 30mbar مورد استفاده قرار نگرفته و به محض اینکه دامنه نوسانات از 20mbarبیشتر شود، فقط توان خروجی توربین با آسیب استاندارد شروع به کاهش می کند.