Kompresörlerde dalgalanma - Surge in compressors

Kompresör dalgalanması bir tür aerodinamik kararsızlıktır. eksenel kompresörler veya santrifüj kompresörler. Terim, akışkan hızının eksenel bileşeninin periyodik olarak değiştiğini ve hatta negatif olabileceğini gösteren, bir kompresörün eksenel yönünde salınan şiddetli hava akışını tanımlar. İlk literatürde, kompresör dalgalanması fenomeni, 1 Hertz kadar düşük frekanslarda duyulabilir çarpma ve kornalama, makine boyunca basınç titreşimleri ve şiddetli mekanik titreşim ile tanımlandı.[1]

Açıklama

Kompresör dalgalanması, derin dalgalanma ve hafif dalgalanma olarak sınıflandırılabilir. Negatif kütle akış oranlarına sahip kompresör dalgalanması, derin dalgalanma olarak kabul edilirken, ters akışsız olana genellikle hafif dalgalanma denir.[2] Bir performans haritasında, bir kompresörün kararlı çalışma aralığı dalgalanma hattıyla sınırlıdır. Hat, bir dalgalanmadan sonra adlandırılmasına rağmen, teknik olarak, kompresör dalgalanması veya kompresör dalgalanması gibi fark edilebilir akış kararsızlıklarının başlangıcını gösteren bir kararsızlık sınırıdır. dönen durak.[3] Kütle akış hızı, nominal olarak fark edilebilir akış dengesizliklerinin meydana geldiği kritik bir değere düştüğünde, kritik değer, sabit bir hız hattında bir ani kütle akış hızı olarak belirlenmelidir; ancak pratikte, bir performans haritasındaki dalgalanma çizgisi, fark edilebilir akış kararsızlıklarını belirlemek için benimsenen belirli kriterlerden etkilenir.

.. Tipik bir kompresör performans haritası

Etkileri

Kompresör dalgalanması, kompresör ve tüm makine için bir felakettir. Kompresör dalgalanması meydana geldiğinde, genellikle kütle akış hızı ve basınç oranı çifti ile gösterilen bir kompresörün çalışma noktası, kompresör performans haritasında bir dalgalanma döngüsü boyunca yörüngede döner. Kompresör dalgalanmasının neden olduğu dengesiz performans, havalandırmak veya yoğun hava sağlamak için bir kompresörün monte edildiği makineler için kabul edilemez. Performansı etkilemenin dışında, kompresör dalgalanmasına yüksek sesler eşlik eder. Kompresör dalgalanma frekansları, bir sıkıştırma sisteminin konfigürasyonuna bağlı olarak birkaç ila düzinelerce Hertz arasında değişebilir.[4] olmasına rağmen Helmholtz rezonansı frekans genellikle hafif dalgalanmanın istikrarsızlığını karakterize etmek için kullanılır; Helmholtz salınımının bazı durumlarda kompresör dalgalanmasını tetiklemediği bulundu.[5][6] Kompresör dalgalanmasının bir başka etkisi de katı yapı üzerinedir. Şiddetli kompresör dalgalanmaları kompresördeki bıçaklara defalarca çarparak bıçak yorgunluğuna ve hatta mekanik arızaya neden olur. Tam gelişmiş kompresör dalgalanması eksenel simetrik olsa da, başlangıç ​​aşaması mutlaka eksenel simetrik değildir. Aslında, kompresör dalgalanmasının ciddi hasarı, genellikle ilk geçici durumundaki kanatlar ve gövde üzerindeki çok büyük enine yüklerle ilgilidir.[7] Kompresör dalgalanmasının zincirleme reaksiyonu, kül olmak bir jet motorunun. Kompresör dalgalanması durumunda hava girişinin olmaması nedeniyle, yanma odasında yanmamış yakıt olacak ve bu yanmamış yakıt, oksijenin yeterli olduğu motor çıkışının yakınında yanarak alev sönmesine neden olacaktır.

Nedenleri

Çoğu düşük hızlı ve düşük basınçlı durumda, dönüşteki durma kompresör dalgalanmasından önce gelir;[8][9] ancak, dönen durma ve kompresör dalgalanması arasında genel bir neden-sonuç ilişkisi henüz belirlenmemiştir.[6] Bir kompresörün sabit hız hattında, kompresörün sağladığı basınç yükseldikçe kütle akış hızı azalır. Kompresörün iç akışları çok büyük ters basınç gradyanı akışı istikrarsızlaştırma eğilimindedir ve akış ayrımı. Tam gelişmiş bir kompresör dalgalanması, tipik olarak giriş kanalları, kompresörler, çıkış kanalları, gaz rezervuarı ve gaz kelebeği valfinden oluşan bir sıkıştırma sisteminin tek boyutlu küresel dengesizliği olarak modellenebilir.[10][11] Bir kompresör dalgalanma döngüsü birkaç aşamaya bölünebilir.[12] Gaz kelebeği valfi çok küçük bir açıklığa döndürülürse, gaz haznesi pozitif bir net akıya sahip olacaktır. Rezervuardaki basınç artmaya devam eder ve daha sonra kompresör çıkışındaki basıncı aşar, böylece çıkış kanallarında ters bir basınç değişimine neden olur. Bu ters basınç gradyanı, doğal olarak tüm sistemdeki akışları yavaşlatır ve kütle akış hızını azaltır. Dalgalanma hattının yakınındaki sabit bir hız hattının eğimi genellikle sıfır veya hatta pozitiftir, bu da kompresörün kütle akış hızını düşürürken çok daha yüksek bir basınç sağlayamayacağı anlamına gelir. Bu nedenle, ters basınç gradyanı, kompresör tarafından bastırılamaz ve sistem, hızla, kütle akış oranını önemli ölçüde azaltacak ve hatta akışların tersine dönmesine neden olacak bir ters basınç gradyanının aşılmasına neden olacaktır. Diğer yandan rezervuardaki basınç, kompresör tarafından iletilen daha az akı nedeniyle kademeli olarak düşecek ve böylece çıkış kanallarında uygun bir basınç gradyanı oluşturacaktır. Ve sonra kütle akış hızı geri kazanılacak ve kompresör tekrar sabit bir hız hattı üzerinde çalışmaya başlayacak ve bu da bir sonraki dalgalanma döngüsünü tetikleyecektir. Bu nedenle, kompresör dalgalanması, bir sıkıştırma sisteminin akış yolunu kesip yeniden inşa eden bir süreçtir.[13]. Yukarıdaki yorumdan birkaç pratik kural çıkarılabilir. Küçük bir gaz haznesi olan bir sistemdeki kompresör dalgalanması, yüksek frekanslı ve düşük genlikli iken, büyük bir gaz haznesi, düşük frekanslı ve yüksek genlikli kompresör dalgalanmasına yol açar; Diğer bir pratik kural, kompresör dalgalanmasının büyük bir dış hacme sahip bir kompresörde meydana gelmesi ve kompresör durmasının, kısa bir çıkış kanalına sahip bir sistemde ortaya çıkma eğiliminde olmasıdır. Bir kompresörün dalgalanma hattının, bir test tezgahı veya bir motor gibi farklı sistemlerde küçük varyasyonlara sahip olabileceğini de belirtmek gerekir.[14]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ H. W. Emmons; C. E. Pearson; H.P. Grant (1955). "Kompresör dalgalanması ve durma yayılması". Amerikan İnşaat Mühendisleri Derneği'nin İşlemleri. 77: 455–469.
  2. ^ Fink, D. A .; Cumpsty, N. A .; Greitzer, E.M. (1991-06-03). "Serbest Makaralı Santrifüj Kompresör Sisteminde Dalgalanma Dinamikleri". Cilt 1: Turbomakine. BENİM GİBİ. doi:10.1115 / 91-gt-031. ISBN  9780791878989.
  3. ^ Paduano, JD; Greitzer, EM; Epstein, AH (Ocak 2001). "Sıkıştırma sistemi kararlılığı ve aktif kontrol". Akışkanlar Mekaniğinin Yıllık Değerlendirmesi. 33 (1): 491–517. Bibcode:2001AnRFM..33..491P. doi:10.1146 / annurev.fluid.33.1.491. ISSN  0066-4189.
  4. ^ Hafaifa, Ahmed; Rachid, Belhadef; Mouloud, Guemana (2014-10-31). "Santrifüjlü bir kompresörde aşırı gerilim olaylarının modellenmesi: kontrol için deneysel analiz". Sistem Bilimi ve Kontrol Mühendisliği. 2 (1): 632–641. doi:10.1080/21642583.2014.956269. ISSN  2164-2583.
  5. ^ Day, I. J. (Mayıs 1994). "Dalgalanma sırasında eksenel kompresör performansı". Tahrik ve Güç Dergisi. 10 (3): 329–336. Bibcode:1994JPP .... 10..329D. doi:10.2514/3.23760. ISSN  0748-4658.
  6. ^ a b Gün, I.J. (2015-10-13). "Stall, Surge ve 75 Yıllık Araştırma". Turbomachinery Dergisi. 138 (1): 011001–011001–16. doi:10.1115/1.4031473. ISSN  0889-504X.
  7. ^ A., Cumpsty, N. (2004). Kompresör aerodinamiği. Krieger Pub. ISBN  978-1575242477. OCLC  824819843.
  8. ^ Tan, C.S .; Gün, I .; Morris, S .; Wadia, A. (Ocak 2010). "Spike Tipi Kompresör Stall Başlatma, Algılama ve Kontrol". Akışkanlar Mekaniğinin Yıllık Değerlendirmesi. 42 (1): 275–300. Bibcode:2010AnRFM..42..275T. doi:10.1146 / annurev-sıvı-121108-145603. ISSN  0066-4189.
  9. ^ Sundström, Elias; Semlitsch, Bernhard; Mihăescu, Mihai (23 Kasım 2017). "Santrifüj Kompresörlerde Dönen Durma ve Dalgalanmanın Oluşturma Mekanizmaları". Akış, Türbülans ve Yanma. 100 (3): 705–719. doi:10.1007 / s10494-017-9877-z. PMID  30069143.
  10. ^ Greitzer, E.M. (1976). "Eksenel Akış Kompresörlerinde Dalgalanma ve Dönen Durma - Bölüm I: Teorik Sıkıştırma Sistemi Modeli". Journal of Engineering for Power. 98 (2): 190–198. doi:10.1115/1.3446138. ISSN  0022-0825.
  11. ^ Greitzer, E.M. (1976). "Eksenel Akış Kompresörlerinde Dalgalanma ve Dönen Stall - Bölüm II: Deneysel Sonuçlar ve Teori ile Karşılaştırma". Journal of Engineering for Power. 98 (2): 199–211. doi:10.1115/1.3446139. ISSN  0022-0825.
  12. ^ Shahin, İbrahim; Gadala, Mohamed; Alqaradawi, Mohamed; Bedir, Usame (2015/06/23). "Kanatlı Difüzörlü Yüksek Hızlı Santrifüj Kompresörde Derin Dalgalanma Döngüsü için Büyük Girdap Simülasyonu". Turbomachinery Dergisi. 137 (10): 101007. doi:10.1115/1.4030790. ISSN  0889-504X.
  13. ^ Semlitsch, Bernhard; Mihăescu, Mihai (Mayıs 2016). "Santrifüjlü kompresörde dalgalanmaya neden olan akış fenomeni". Enerji. 103: 572–587. doi:10.1016 / j.energy.2016.03.032.
  14. ^ Baines, N.C (2005). Turboşarjın Temelleri. NREC Kavramları. ISBN  9780933283145.