نوع فایل: word
قابل ویرایش 115 صفحه
مقدمه:
بی شک امروزه توربین‌های گازی نقش مهمی در تامین انرژی به عنوان یکی از مهمترین نیاز‌های بشر دارند. در کنار آن کاربرد توربین‌گازی در جلوبرندگی موجب تحول عظیمی در دانش هوافضا گردید و صنعت هوانوردی دوران طلایی شکوفایی خود را مدیون جلوبرندگی به کمک موتورهای توربین‌گازی مي‌داند. در این متن برآنیم تا با مروری بر اصول اولیه ترمودینامیک و توربوماشین توربین‌گازی، روشی جهت محاسبات اولیه طراحی این نوع ماشین‌ها ارائه دهیم. همانطور که خواهیم دید این روش، پایه‌اي جهت نگارش یک برنامه کامپیوتری برای طراحی توربین‌گازی قرار مي‌گیرد که این برنامه در پایان متن ارائه‌شده‌است.
ذکر این نکته الزامی است که فرایند طراحی توربین‌گازی در صنعت شامل مراحل متعدد و مفصلی است که تشریح همه آنها موضوع متن حاضر نیست. نمودار مراحل مختلف طراحی در شكل 1.1 آورده‌شده‌است، که به طور خلاصه به آنها اشاره مي‌کنیم. همانطور که در شکل دیده مي‌شود فرآیند طراحی شامل مراحل متعددی از طراحی ترمودینامیکی و سپس آیرودینامیکی گرفته تا سیستم کنترل مي‌باشد. که در این میان طبیعتا بین مراحل مختلف پس خور‌های متعددی جهت اصلاح قبلی و یا تطبیق محصول نهایی با نیاز بازار در نظر گرفته مي‌شود.
نقطه شروع این فرآیند مي‌تواند تحقیق در بازار یا نیاز خاص یک مشتری باشد. اصولا طراحی و ساخت این این ماشین‌ها چنان پرهزینه است که به سرمایه گذاری شرکت‌های بزرگ در قالب کنسرسیوم‌های مشترک نیازمند است و نهایتا محصولی موفق خواهد بود که مجموعه‌اي گوناگون از کاربرد‌های مختلف را پاسخگو باشد. مزیت‌هایی یک توربین‌گازی خوب تنها قدرت و راندمان بالا نیستند. فاکتورهایی مانند وزن نهایی، قیمت تمام‌شده، حجم دستگاه، عمر کاری و میزان سروصدا از جمله عوامل اساسی در موفقیت یک محصول‌اند.
همانطور که در شکل دیده مي‌شود گام مهم اولیه، طراحی ترمودینامیکی است که شامل محاسبات سیکلی با وارد کردن آثاری چون راندمان اجزاء، افت فشارها، تغییر در خواص سیال عامل و... است که در محدوده وسیعی از نسبت‌های فشار و دماهای ورودی انجام مي‌گیرد و در پایان یک نقطه طراحی بهینه معرفی و مقادیر تقریبی برای کار مخصوص سیکل (بر حسب قدرت خروجی بر واحد دبی جرمی سیال عامل) ومصرف ویژه سوخت ارائه مي‌شود. در این متن فرض ما این است که محاسبات اولیه جهت انتخاب سیکل و نقطه طراحی انجام‌شده‌است و ورودی‌های مسئله اعم از دمای ورودی، نسبت فشار و حداکثر دمای سیکل معلومند.
فهرست مطالب:
1 مقدمه
2 سیکل توربین‌گاز
2.1 آشنایی با سیکل
2.1.1 سیکل توربوجت ساده و جلوبرندگی
2.2 افت‌هادر توربین‌گاز و انحراف از سیکل واقعی
2.2.1 راندمان آیزنتروپیک کمپرسور و توربین
2.2.2 افت فشار در محفظه احتراق
2.2.3 افت‌‌های مکانیکی
2.2.4 تغییرات گرمای ویژه
2.3 تعیین راندمان کل، مصرف ویژه سوخت و نرخ حرارتی
2.4 مقایسه میزان تاثیر عوامل مختلف روی عملکرد سیکل واقعی
3 کمپرسور جریان محوری
3.1 آشنایی با عملکرد
3.2 تئوری کمپرسور جریان محوری
3.3 بررسی عوامل موثر بر نسبت فشار مرحله
3.3.1 سرعت زیاد پره در نوک
3.3.2 سرعت محوری جریان
3.3.3 انحراف زیاد سیال در پره‌های متحرک
3.4 گرفتگی در مجرای جریان کمپرسور
3.5 نسبت واکنش
3.6 روشی برای محاسبه راندمان مرحله
4 محفظه احتراق
4.1 عملکرد محفظه احتراق
4.2 تعیین نسبت سوخت به هوا
4.3 ترموشیمی احتراق و محاسبه خواص محصولات احتراق
5 توربین جریان محوری
5.1 تئوری توربین جریان محوری
5.2 ضریب بارگذاری تیغه
5.3 نسبت واکنش
5.4 اثر نسبت واکنش بر راندمان مرحله
5.5 محاسبه راندمان‌های کل به استاتیک و کل به کل توربین
5.6 اثرات تراکم پذیری
6 فرآیند طراحی کمپرسور جریان محوری و محفظه احتراق
6.1 تعیین ابعاد ورودی و خروجی و مشخصات گاز خروجی
6.2 تعیین تعداد مراحل و تخمین افزایش دمای مرحله
6.3 تعیین زوایای پره، نسبت فشار، راندمان و نسبت واکنش مرحله
6.3.1 مرحله اول
6.3.2 مرحله‌های میانی
6.3.3 مرحله آخر
6.4 محاسبه راندمان کمپرسور و قدرت مورد نیاز آن
6.5 محاسبه نسبت سوخت به هوا و مشخصات گازهای خروجی
6.6 فرآیندهای جایگزین
6.6.1 وارد کردن ماخ بحرانی در ورودی و محاسبه سرعت محوری ورودی
6.6.2 فرض ثابت ماندن شعاع خارجی به جای ثابت گرفتن شعاع میانگین
7 فرآیند طراحی توربین جریان محوری
7.1 محاسبه بارگذاری مرحله و راندمان کل به استاتیک
7.2 تعیین سرعت و مشخصات گاز در خروج
7.3 محاسبه راندمان کل به کل
7.4 تعیین هندسه خروجی توربین
7.5 محاسبه زوایای پره‌ها
7.6 محاسبه اعداد ماخ نسبی و مطلق در مرحله آخر
7.7 تعیین هندسه ورودی
7.8 محاسبه رانش برای موتورهای توربوجت
9.7 شرح روش‌های جایگزین
7.9.1 قطر ریشه یا نوک به عنوان وروردی و محاسبه قطر‌های میانگین
2.9.7نسبت شعاع ریشه به نوک به عنوان ورودی و محاسبه زاویه خروجی استاتور
7.9.3 نسبت فشار کل به عنوان ورودی و محاسبه قدرت خروجی توربین
مراجع
پیوست الف: پروژه‌های نمونه
پروژه نمونه 1 : طراحی یک توربین گازی صنعتی
پروژه نمونه 2 : طراحی یک موتور توربوجت
پیوست ب: متن برنامه کامپیوتری
منابع و مأخذ:
[1] http://Aircraftenginedesign.com
[2] H. Cohen, G. F. C. Rogers and H. I. H. Saravanamattoo, Gas Turbine Theory, 4th Edition, Longman, London, 1996.
[3] ای. تی. سه‌يرز، ترجمه فرهانیه ب. و شایسته ا.، توربوماشین‌های هیدرولیکی و جریان تراکم‌پذیر، چاپ اول، موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف، تهران، 1381.
[4] Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th Edition, McGraw-Hill, 2006.
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Gas_turbine
[6] J. Glassman, Computer Program for Preliminary Design Analysis of Axial Flow Turbines, NASA TND-6702, 1972.
[7] W. L. Stewart, A Study of Axial-Flow Turbine Efficiency Characteristics in Terms of Velocity Diagram Parameters, Paper 61-WA-37, ASME, 1961.