مقدمه :
در طراحی کنونی توربو ماشینها، و بخصوص برای کاربردهای مربوط به موتورهای هواپیما، تاکید اساسی بر روی بهبود راندمان موتور صورت گرفته است. شاید بارزترین مثال برای این مورد، «برنامه تکنولوژی موتورهای توربینی پر بازده مجتمع» (IHPTET) باشد که توسط NASA و DOD حمایت مالی شده است.
هدف IHPTET، رسیدن به افزایش بازده دو برابر برای موتورهای توربینی پیشرفته نظامی، در آغاز قرن بیست و یکم می باشد. بر حسب کاربرد، این افزایش بازده از راههای مختلفی شامل افزایش نیروی محوری به وزن، افزایش توان به وزن و کاهش معرف ویژه سوخت (SFC) بدست خواهد آمد.
وقتی که اهداف IHPTET نهایت پیشرفت در کارآیی را ارائه می دهد، طبیعت بسیار رقابتی فضای کاری کنونی، افزایش بازده را برای تمام محصولات توربو ماشینی جدید طلب می کند. به خصوص با قیمتهای سوخت که بخش بزرگی از هزینه های مستقیم بهره برداری خطوط هوایی را به خود اختصاص داده است، SFC، یک فاکتور کارایی مهم برای موتورهای هواپیمایی تجاری می باشد.
اهداف مربوط به کارایی کلی موتور، مستقیما به ملزومات مربوط به بازده آیرودینامیکی مخصوص اجزاء منفرد توربو ماشین تعمیم می یابد. در راستای رسیدن به اهداف مورد نیازی که توسط IHPTET و بازار رقابتی به طور کلی آنها را تنظیم کرده اند، اجزای توربو ماشینها باید به گونه ای طراحی شوند که پاسخگوی نیازهای مربوط به افزایش بازده، افزایش کار به ازای هر طبقه، افزایش نسبت فشار به ازای هر طبقه، و افزایش دمای کاری، باشند.
بهبودهای چشمگیری که در کارایی حاصل خواهد شد، نتیجه ای از بکار بردن اجزایی است که دارای خواص آیرودینامیکی پیشرفته ای هستند. این اجزا دارای پیچیدگی بسیار بیشتری نسبت به انواع قبلی خود هستند که شامل درجه بالاتر سه بعدی بودن، هم در قطعه و هم در شکل مسیر جریان می باشد.
میدان های جریان مربوط به این اجزا نیز به همان اندازه پیچیده و سه بعدی خواهد بود. از آنجایی که درک رفتار پیچیده این جریان، برای طراحی موفق چنین قطعاتی حیاتی است، وجود ابزارهای تحلیلگر کارآتری که از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) بهره می برند، در پروسه طراحی، اساسی می باشد.
در گذشته، طراحی قطعات توربو ماشین ها با استفاده از ابزارهای ساده ای که بر اساس مدلهای جریان غیر لزج دو بعدی بودند کفایت می کرد. اگرچه با روند کنونی به سمت طراحی ها و میدانهای جریان پیچیده تر، ابزارهای پیشین دیگر برای تحلیل و طراحی قطعات با تکنولوژی پیشرفته مناسب نیستند. در حقیقت جریانهایی که با این قطعات برخورد می کنند، به شدت سه بعدی (3D)، ویسکوز، مغشوش و اغلب با سرعت ها ، در حد سرعت صوت می باشند. این جریان های پیچیده، قابل فهم و پیش بینی نیستند، مگر با بکار بردن تکنیک های مدلسازی که به همان اندازه پیچیده هستند. برای پاسخگویی به نیاز طراحی چنین قطعاتی، ابزارهای CFD پیشرفته ای لازم است که قابلیت تحلیل جریانهای سه بعدی، لزج و در محدوده صوتی، مدل سازی اغتشاش و انتقال حرارت و برخورد با پیکربندی های هندسی پیچیده را داشته باشد. علاوه بر این، جریانهای گذرا (ناپایا) و تعامل ردیفهای چندگانه تیغه ها باید مورد ملاحظه قرار گیرد.
هدف این فصل این است که بازنگری مختصری از مشخصات جریان در انواع مختلف قطعات توربوماشینها ارائه داده و نیز خلاصه ای از قابلیتهای تحلیلی CFD که مورد نیاز برای مدل کردن چنین جریانهایی هستند را بیان کند.
این باید به خواننده، درک بهتری در مورد تاثیر جریان بر طراحی چنین اجزایی و میزان کارایی مدل سازی مورد نیاز برای آنالیز اجزاء بدهد. تمرکز بر روی کاربردهای موتورهای هواپیما خواهد بود، ولی دهانه های ورودی، نازلها و محفظه های احتراق مورد توجه خواهند بود. به علاوه یک بررسی از هر دو گرایش طراحی قطعات و ابزارهای تحلیل CFD را شامل می شود. به علت پیچیدگی این موضوعات، تنها یک بحث گذرا ارائه خواهد شد. اگرچه مراجع فراهم شده اند تا به خواننده اجازه دهد این مباحث را با جزئیات بیشتر جستجو کند.
فهرست مطالب :
پیش گفتار
1- بخش اول
1-1 دینامیک سیالات در توربوماشینها
2-1 مقدمه
3-1 ویژگیهای میدانهای جریان در توربوماشینها
4-1 ویژگیهای اساسی جریان
5-1 جریان در دستگاههای تراکمی
6-1 جریان در فن ها و کمپرسورهای محوری
7-1 جریان در کمپسورهای سانتریفیوژ
8-1 جریان در سیستمهای انبساطی
9-1 جریان در توربینهای محوری
10-1 جریان در توربینهای شعاعی
11-1 مدلسازی میدانهای جریان توربوماشینها
12-1 مراحل مختلف مدلسازی مرتبط با فرآیند طراحی
13-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی ابتدائی
14-1 مدلسازی جریان برای پروسس طراحی جز به جز
15-1 قابلیتهای حیاتی برای تجهیزات آنالیز جریان در توربوماشینها
16-1 مدلسازی فیزیک جریان
17-1 معادلات حاکم و شرایط مرزی
18-1 مدلسازی اغتشاش وانتقال
19-1 تحلیل ناپایداری و اثر متقابل ردیف پره ها
20-1 تکنیک های حل عددی
21-1 مدلسازی هندسی
22-1 عملکرد ابزار تحلیلی
23-1 ملاحظات مربوط به قبل و بعد از فرآیند
24-1 انتخاب ابزار تحلیلی
25-1 پیش بینی آینده
26-1 مسیرهای پیش رو در طراحی قطعه
27-1 مسیرهای پیش رو در قابلیتهای مدلسازی
28-1 خلاصه
مراجع
2- بخش دوم
1-2 آزمونهای کارآیی توربو ماشینها
2-2 آزمونهای کارآیی آئرودینامیکی
3-2 اهداف فصل
4-2 طرح کلی بخش
5-2 تست عملکرد اجزا
6-2 تأثیر خصوصیات عملکردی بر روی بازده
7-2 تست عملکرد توربو ماشینها
8-2 روش تحلیل تست
9-2 اطلاعات عملکردی مورد نیاز
10-2 اندازه گیریهای مورد نیاز
11-2 طراحی ابزار و استفاده از آنها
12-2 اندازه گیری فشار کل
13-2 اندازه گیری های فشار استاتیک
14-2 اندازه گیریهای درجه حرارت کل
15-2 بررسی های شعاعی
16-2 Rake های دنباله
17-2 سرعتهای چرخ روتور
18-2 اندازه گیریهای گشتاور
19-2 اندازه گیریهای نرخ جریان جرم
20-2 اندازه گیریهای دینامیکی
21-2 شرایط محیطی
22-2 سخت افزار تست
23-2 ملاحظات طراحی وسایل
24-2 نیازهای وسایل
25-2 ابزارآلات بازده
26-2 اندازه گیریهای فشار
27-2 اندازه گیریهای دما
28-2 اندازه گیریهای زاویه جریان
29-2 روشهای تست و جمع آوری اطلاعات
30-2 پیش آزمون
31-2 فعالیت های روزانه قبل از آزمون
32-2 در طی آزمون
33-2 روشهای آزمون
34-2 ارائه اطلاعات
35-2 تحلیل و کاهش اطلاعات
36-2 دبی اصلاح شده
37-2 سرعت اصلاح شده
38-2 پارامترهای بازده
39-2 ارائه اطلاعات
40-2 نقشه های کارآیی
41-2 مشخص کردن حاشیه استال (stall margin)
مراجع
بررسی دینامیک سیالات و روشهای تست کارایی در توربو ماشینها
