تست عملکرد کمپرسورهای محوری

تست عملکرد بخش کلیدی فرآیند طراحی و توسعه کمپرسورهای محوری پیشرفته است. اینها به طور گسترده در دنیای مدرن مورد استفاده قرار می گیرند و تقریباً در هر صنعتی یافت می شوند و شامل کمپرسور هسته ای برای موتورهای توربوفن پیشرانه هوا و همچنین موتورهای توربین گازی مشتق شده برای تولید برق می شوند. نمونه ای از این موتورهای توربین نشان داده شده در شکل 1 و 2 هستند که دارای یک توربین گاز صنعتی و یک موتور توربوفن با نسبت بای پس بالا با یک کمپرسور هسته فشار بالا چند مرحله ای هستند. زمان توسعه این ماشین‌ها می‌تواند شامل چندین تکرار گران قیمت طراحی-ساخت-آزمایش قبل از تبدیل شدن به محصولی کارآمد و رقابتی باشد. این اهمیت زیادی به دقت داده‌های گرفته‌شده در طول آزمایش‌های عملکرد در طول توسعه کمپرسور می‌دهد، زیرا داده‌های تست گرفته‌شده اغلب برای لنگر انداختن مدل‌های تلفات در ابزار طراحی استفاده می‌شوند. کمپرسورهای محوری مدرن معمولاً بارهای آیرودینامیکی بالایی در هر مرحله برای بهبود بازده سیستم دارند و به تطابق دقیق آیرودینامیکی مراحل برای دستیابی به نسبت فشار مورد نیاز با راندمان بالا نیاز دارند. پره ها و استاتورهای راهنمای ورودی با هندسه متغیر در چند مرحله اول معمولاً برای ارائه عملکرد قابل قبول و در عین حال حفظ راندمان بالا و حاشیه استال کافی مورد نیاز هستند.

تست عملکرد کمپرسورهای محوری

کمپرسورهای محوری همگی تحت یک مرحله طراحی و توسعه کامل هستند که در آن تست عملکرد برای موفقیت نهایی آنها به عنوان یک محصول حیاتی است. تست عملکرد در مرحله توسعه این ماشین‌های با چگالی بالا می‌تواند اطمینان حاصل کند که طراحی با الزامات مشخص‌شده مطابقت دارد یا می‌تواند قطعه‌ای را در داخل توربوماشین شناسایی کند که عملکرد مورد انتظار آن را ندارد و ممکن است نیاز به توسعه بیشتر و طراحی مجدد احتمالی داشته باشد. تست عملکرد همچنین می تواند اطمینان حاصل کند که واحد می تواند تمام شرایط مشخص شده و نه فقط شرایط تضمین شده را برآورده کند. تست عملکرد آیرودینامیکی کمپرسورهای محوری چند مرحله‌ای در مراحل اولیه توسعه اغلب در فازها انجام می‌شود. برنامه آزمایش توسعه با رویکرد طراحی آزمایشی برنامه ریزی و اجرا می شود و شامل تغییر جریان هوا و سرعت چرخش شفت و همچنین برنامه هندسه متغیر به منظور مشخص کردن کامل کمپرسور است. در مرحله اول، بلوک جلویی کمپرسور با نرخ جریان هوا، فشار ورودی، دما و سرعت چرخش شفت اصلاح شده (مرجع) ساخته و آزمایش می شود. ابزار دقیق شامل استفاده از چنگک‌ها و بررسی‌های سنتی در خروجی برای به دست آوردن توزیع گسترده فشار، دما و زوایای جریان است. آزمایش در فازها معمولاً به دو دلیل انجام می شود. اولاً، کمپرسورهای هسته این نوع واحدها، ماشین‌های با چگالی توان بالا هستند و آزمایش کل کمپرسور محوری چند مرحله‌ای در مقیاس کامل هندسی معمولاً ممنوع است زیرا به اسب بخار بسیار زیادی از واحد محرک نیاز دارند. معمولاً مرسوم است که کمپرسورها را در مقیاس هندسی کاهش یافته آزمایش کنند تا در محدوده قدرت موتور محرک یا توربین مرکز آزمایش باقی بمانند. با این حال، به دست آوردن داده های تست دقیق کمپرسور کوچک شده به دلیل عبور پره های کوچک دشوارتر است. علاوه بر این، یک مدل مقیاس کاهش‌یافته ممکن است امکان حفظ فاصله‌های در حال اجرا را نداشته باشد، و ضخامت‌های کوچک‌تر لبه‌های انتهایی و انتهایی تیغه نیز می‌تواند از دیدگاه تولید مشکل‌ساز باشد. دلیل دوم برای آزمایش بلوک های کمپرسور جلو و عقب به طور جداگانه در مراحل اولیه توسعه، این احتمال است که در یک کمپرسور محوری چند مرحله ای، عملکرد واقعی بلوک جلویی ممکن است از هدف طراحی خارج شود و عملکرد کلی منفی باشد. ناشی از عدم تطابق آیرودینامیکی بین مراحل. به این ترتیب طراحان می‌توانند قبل از پرداخت هزینه ساخت تیغه‌های نهایی بلوک عقب، اصلاحی در وسط مسیر انجام دهند و طراحی تیغه‌های بلوک جلو یا عقب را تغییر دهند.

تست این قطعات کمپرسور با ابزار دقیق، کالیبره شده و سیستم های جمع آوری داده با پاسخ بالا انجام می شود. شکل 4 یک مدل جریان کامپیوتری از کمپرسور هسته و همچنین بلوک های جلو و عقب را نشان می دهد که معمولاً عملکرد جداگانه آزمایش می شوند.

نمایه خروجی پارامترهای کلیدی کمپرسور بلوک جلویی.

شکل 5 یک دکل آزمایشی با ابزار دقیق بلوک جلویی یک کمپرسور محوری چند مرحله ای دوار با سرعت بالا را نشان می دهد. ابزار دقیق آزمایشی شامل اندازه گیری های ثابت سنتی فشار ورودی و خروجی و دما و زاویه جریان خروجی و همچنین توزیع شعاعی این پارامترها است.

شکل 6 نمونه ای از داده های پروفیل شعاعی را نشان می دهد که توسط چنگک ها و کاوشگرهای بررسی، در صفحه خروجی کمپرسور بلوک جلو اندازه گیری شده است. مقادیر اندازه گیری شده از آزمایش معمولاً با مقادیر بدست آمده از مدل جریان رایانه ای کمپرسور مقایسه می شود. قبل از نهایی کردن طراحی تیغه کمپرسور بلوک عقب، دانستن شیب های اندازه گیری شده پارامترهای آیرودینامیکی کلیدی در خروجی کمپرسور بلوک جلو بسیار مهم است. به دست آوردن داده های آزمایشی دقیق نیز برای کالیبراسیون مدل های تلفات در طراحی کمپرسور و کد تجزیه و تحلیل جریان مهم است.

توزیع گسترده فشار، دما و نتایج زاویه جریان به‌دست‌آمده از آزمایش بلوک جلویی برای اعتبارسنجی یا بهبود دقت پیش‌بینی کدهای طراحی و تحلیل استفاده می‌شود که در صورت لزوم می‌توان برای طراحی مجدد تیغه‌ها در بلوک جلویی به ترتیب استفاده کرد. برای بهبود عملکرد آن برای طراحی تیغه های کمپرسور بلوک عقب، اندازه گیری دقیق شیب های فشار، دما و جریان در شرایط عملیاتی طراحی ضروری است.

یکی دیگر از اهداف کلیدی تست عملکرد در مرحله توسعه کمپرسورهای محوری، تعیین تجربی برنامه هندسه متغیر بهینه است که منجر به بالاترین سطح بازده کلی برای طیفی از نرخ‌های جریان و سرعت‌های چرخشی شفت در طول خط کار موتور می‌شود. زوایای تنظیم مجدد پره راهنمای ورودی و استاتورهای متغیر متفاوت است و عملکرد آیرودینامیکی حاصل برای طیفی از خطوط سرعت ثابت اندازه‌گیری می‌شود. این داده ها به ویژه برای اعتبار سنجی و کالیبراسیون مدل های زاویه تلفات و انحراف در کدهای طراحی و تجزیه و تحلیل جریان در شرایط عملیاتی طراحی غیرفعال مهم است. داده‌های فشار ناپایدار اندازه‌گیری شده با مبدل‌های پاسخ بالا نیز برای تعیین محدودیت‌های استال، استال چرخشی و نوسان کمپرسور گرفته می‌شود. این همچنین برای نظارت بر سلامت دکل آزمایشی انجام می شود تا از کارکرد در نوسان کامل کمپرسور جلوگیری شود، زیرا کار در آنجا برای مدت طولانی می تواند برای دستگاه تست کمپرسور و تیغه های کمپرسور مضر باشد.

نقشه های عملکرد کلی مشخصه کمپرسور

عملکرد کلی کمپرسورها معمولاً با یک نقشه مشخصه نشان داده می شود، برای مثال، مانند نقشه های نسبت فشار کمپرسور و بازده نشان داده شده در شکل 7. نقشه های مشخصه معمولاً مقایسه داده های آزمایش اندازه گیری شده را با نتایج شبیه سازی پیش بینی شده به دست آمده از جریان نشان می دهند. مدل دستگاه نسبت فشار و نقشه‌های بازده معمولاً بر حسب نرخ جریان اصلاح شده و سرعت چرخش شفت اصلاح شده ترسیم می‌شوند که به شرایط فشار و دمای استاندارد ارجاع داده می‌شوند. خطوط سرعت در شکل 7 بر حسب نسبت سرعت اصلاح شده به سرعت اصلاح شده طراحی شده است. تست عملکرد بلوک کمپرسور عقب به روشی مشابه بلوک جلو انجام می شود. شرایط ورودی فشار و دما در مقادیر محیطی است، اما سرعت جریان هوا و سرعت چرخش شفت اصلاح شده مرحله اول بلوک عقب باید همان مقدار در سیستم کامل موتور باشد.

عملکرد یک تست کمپرسور محوری باید ترکیب هوا، یعنی درصد رطوبت نسبی هوا را در نظر بگیرد. خواص سیال هوا با دمای محلی و همچنین با محتوای بخار آب تغییر می کند. بنابراین، خواص سیال هوای مرطوب باید با دقت زیادی محاسبه شود و کاهش داده های آزمایش باید با استفاده از خواص سیال واقعی هوا با رطوبت انجام شود. این توجه کلیدی هنگام محاسبه بازده کمپرسور مهم است. دقت‌های مرتبط با این اندازه‌گیری‌ها و همچنین محاسبات خواص سیال اغلب کوچک هستند، با این حال، خطاهای کوچک در هر متغیر می‌تواند با خطای بزرگ‌تری در خروجی محاسبه‌شده ترکیب شود.

تست عملکرد موتور هسته

در طول بخش‌های بعدی برنامه توسعه، کمپرسور تمام هسته معمولاً در پیکربندی زیرسیستم موتور هسته آزمایش می‌شود، جایی که کمپرسور فشار بالا، محفظه احتراق و مجموعه توربین فشار بالا با هم آزمایش می‌شوند. هدف از آزمایش موتور هسته تأیید این است که کمپرسور و توربین از نظر آیروترمودینامیکی به درستی مطابقت دارند تا در سطوح عملکرد هدف طراحی خود در یک محیط زیرسیستم کار کنند. موتور هسته نیز معمولاً در فشار ورودی، دما و سرعت چرخش شفت اصلاح شده (مرجع) آزمایش می‌شود، زیرا هوای ورودی در شرایط محیطی است و مانند یک موتور در پشت کمپرسور کم‌فشار دفن نمی‌شود. داده‌های عملکرد آیرودینامیکی که در طول آزمایش‌های موتور اصلی گرفته می‌شود، معمولاً نرخ جریان، سرعت چرخش شفت، نسبت فشار و دمای کلی اجزا و نرخ جریان سوخت است.

با نویسنده ملاقات کنید

این وبلاگ توسط جوزف ورس، کارشناس توربوماشینری نوشته شده است. او بیش از 40 سال تجربه در طراحی کمپرسورهای تجاری و هوافضا، آزمایش توسعه و توسعه کد دارد. او از مرکز تحقیقاتی گلن ناسا در کلیولند، اوهایو، ایالات متحده بازنشسته شد، جایی که در سال‌های 2004 تا 2009 رئیس بخش توربوماشین و انتقال حرارت در ناسا بود. او در ناسا کدهای طراحی و تجزیه و تحلیل را برای کمپرسورها و پمپ های محوری و گریز از مرکز توسعه داد. کدها بر روی نتایج تست عملکرد از سکوهای کمپرسور تحقیقاتی اجزای موتور توربین گازی پیشرفته تایید شدند. پیش از این، او در Dresser-Rand بود و در آنجا کمپرسورهای سانتریفیوژ صنعتی چند مرحله ای را برای پالایشگاه های نفت، تقویت کننده های خط لوله گاز و تزریق مجدد گاز طبیعی با موفقیت طراحی و آزمایش کرد. از سال 1984 تا 1989، او در Teledyne CAE Turbine Engines بود و نقشی کلیدی در گروه طراحی و توسعه پیشرفته ایفا کرد که در آنجا کمپرسورهای گریز از مرکز با کارایی بالا را برای موتورهای توربوجت کوچک، توربوفن و توربوشفت طراحی و آزمایش کرد. جوزف عضو مادام العمر انجمن مهندسین مکانیک آمریکا (ASME) است و بیش از 33 نشریه کنفرانس فنی را تالیف کرده یا در نویسندگی مشترک دارد.

منابع:

1. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1243/0954410971532758?journalCode=piga
2. https://www.ihi.co.jp/var/ezwebin_site/storage/original/application/2b9fb4333c5a3718efbac1c4c99ad3e4.pdf
3. https://assets-turbomachinerymag-com.s3.amazonaws.com/uploads/2018/09/ge-turbine.jpg
4. https://www.calspan.com/services/aerospace-test-equipment-design-fab/turbomachinery-test-rigs/
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Computational-Assessment-of-a-3-Stage-Axial-Which-Kulkarni-Beach/87053c6f42a939e45e807734e7ef5f539b31fee9

منبع: https://blog.softinway.com/performance-testing-of-axial-compressors/