Kompresör haritası - Compressor map

Bir kompresör haritası , bir turbo makine kompresörünün performansını gösteren bir çizelgedir . Bu tip kompresör, gaz türbinli motorlarda, pistonlu motorları aşırı şarj etmek için ve dinamik kompresör olarak bilinen endüstriyel işlemler için kullanılır. Kompresör teçhizat test sonuçlarından veya özel bir bilgisayar programı tarafından tahmin edilen bir harita oluşturulur. Alternatif olarak, benzer bir kompresörün haritası uygun şekilde ölçeklenebilir. Bu makale, kompresör haritalarına ve bunların farklı uygulamalarına genel bir bakıştır ve ayrıca belirli örnekler olarak üç şaftlı bir uçak motorundan bir fan ve orta ve yüksek basınçlı kompresörler için haritaların ayrıntılı açıklamalarını içerir.

Kompresör haritaları, hem tasarım hem de tasarım dışı koşullarda gaz türbini ve turboşarjlı motorların performansını tahmin etmenin ayrılmaz bir parçasıdır. Ayrıca endüstriyel prosesler için doğru kompresörlerin seçilmesinde kritik bir amaca hizmet ederler.

Fanlar ve türbinler de çalışma haritalarına sahiptir, ancak ikincisi görünüş olarak kompresörlerinkinden önemli ölçüde farklıdır.

kompresör tasarımı

Bir kompresör haritası, bir kompresörün çalışma aralığını ve çalışma aralığında ne kadar iyi çalıştığını gösterir. Bir kompresörden akan gaz için iki temel gereksinim, neden tasarım dışı olarak bilinen diğer koşullarda çok iyi değil de tasarım koşulunda en iyi şekilde çalıştığını açıklar. İlk olarak, sıkıştırılmış gazın yoğunluğu daha yüksek olduğu için çıkış alanı giriş alanından daha küçük olmalıdır. Çıkış alanı, tasarım koşulunda belirli hacmi geçecek şekilde boyutlandırılmıştır. İkinci olarak, eksenel bir kompresördeki tüm rotor ve stator kanatları ve bir santrifüj kompresördeki çark indükleyici ve difüzör kanatları, insidans kayıplarını en aza indirmek için tasarım koşulunda yaklaşan havayı karşılamak üzere açılıdır. İnsidans kayıpları, sıkıştırmanın etkinliğini azaltır. Kompresörün tatmin edici çalışması, gazın dönen ve sabit kanatlara yaklaşma açısının kabul edilebilir bir aralıkta kontrol edilmesine bağlıdır. Optimum değerden sapma, önce artan kayıplar/düşük verimlilik, ardından aynı anda eksenel kompresörün karşıt uçlarındaki bıçak geçitlerinde meydana gelen durma veya sonik hız/boğulma ile sonuçlanır. Ayrıca çarka girişte ve difüzörde bir santrifüj kompresörde meydana gelirler.

Kompresör tasarım noktası, kompresörün bir gaz türbini motorunun parçası olup olmadığı veya bir yüksek fırına hava pompalamak için kullanılıp kullanılmadığı, yüksek verimli bir alanda olacaktır. Bununla birlikte kompresör, kendisine dayatılan diğer çalışma koşullarında uygun performansı sağlamalıdır, bu da daha geniş bir çalışma aralığında yüksek verim gerektiği anlamına gelir. Bir gaz türbini motoru durumunda, motorun kolayca çalıştırılmasına ve tasarım hızından daha düşük hızlarda çalışması anlamına gelen tasarım hızına hızla hızlandırılmasına izin vermelidir. Tasarım noktasından uzaktaki hızlarda ve akışlarda kompresör akış alanı azalması, gerçek yoğunluk artışı için uygun değildir. Bir NACA raporu, tasarım koşulunda ve düşük hızda gereken büzülme farkını resimli olarak gösterir. Örneğin, daha düşük hızlarda gaz, kompresörün kanat açılarını olumsuz etkilemeden kompresörden çıkmak için yeterince sıkıştırılmamıştır. Tasarım noktasından uzakta bir eksenel kompresörün orta kademeleri, yaklaşık olarak optimum hücum açısında çalışmaya devam eder, ancak ön kademeler bir yöne, durmaya ve arka kademeler, jikleye doğru ters yönde sapar. Sapma, yaklaşık 5:1'lik bir tasarım basınç oranına kadar kabul edilebilirdi ve sadece verimlilikte bir kayıp üretti. Daha yüksek tasarım basınç oranlarında, düşük hızlarda kısmen kapanan giriş kılavuz kanatlarının eklenmesiyle veya düşük hızlarda kompresör boyunca kısmen havanın çıkarılmasıyla düşük düzeltilmiş hızlarda meydana gelen dönme durmasını ve boğulmayı önleme gerekliydi. Ön kademelerin birbirine göre hızlanmasına ve arka kademelerin yavaşlamasına izin veren değişken stator veya ayrık kompresör sıraları da aynı nedenden dolayı tanıtılacaktı. Basınç oranları yaklaşık 12:1'e ulaştığında, kompresörler bu özelliklerden birden fazlasını bir arada bulunduracaktır.

Dönen durak için düzeltmeler

Ön aşamalarda dönme durmasını hafifletmek için farklı çözümlerin ilk örnekleri arasında değişken giriş kılavuz kanatları ve kademeler arası boşaltmalı Rolls-Royce Avon , değişken giriş kılavuz kanatları ve değişken statorlu General Electric J79 , bölünmüş kompresörlü Bristol Olympus ve Pratt yer alır. & Whitney J57 , split kompresör ve interkompresör hava tahliyesi ile. Bu noktaya kadar kompresör havasının alınması, yalnızca düşük düzeltilmiş hızların ötesindeki kalkış ve hızlanma için gerekliydi, burada denize boşaltmadan itme üretimine olan kaybının önemli olmadığı durumlarda.

Bir başka gelişme de, itmeye katkıda bulunduğu motora geri yönlendirilen kalıcı kompresör kanamasıydı. Rolls-Royce Conway jetpipe için intercompressor kanaması olan bölünmüş kompresör vardı. Bu baypas düzenlemesine sahip ayrık bir kompresör, değişken giriş kılavuz kanatçıklarına veya ara kademe boşaltmaya gerek kalmadan o sırada herhangi bir Rolls-Royce motorunun en yüksek basınç oranına izin verdi. Daha iyi tahrik verimliliği için bir düzenleme, bir baypas motoru olarak biliniyordu. Pratt & Whitney J58 başlayan ve hızları düzeltilmiş düşük boyunca hızlandırılması için ara-kademe denize kanaması kullanılan ama yüksek Mach numarası verilen bu hızlarda dönen çünkü boşaltma tekrar açıldı, ancak bu sefer afterburner ve meme soğutuldu jetpipe yönlendirilir. Bu soğutma, art yakıcıda daha fazla yakıtın yakılmasına izin vererek itmeye dolaylı olarak katkıda bulundu. Benzer bir düzenleme, ancak jet borusuna interkompresör sızdıran bölünmüş bir kompresör kullanarak, daha sonra 'sızdıran' turbojet olarak biliniyordu, yalnızca art yakıcıyı ve nozulu soğutmak için yeterli baypasa sahip bir baypas motoru.

kompresör haritası

Kompresörler, gazın akışını sağlamak için kompresörün karşılaması gereken her birinin kendi akış direncine sahip olan çok çeşitli uygulamalar için gaz pompalar. Bir harita, uygulaması için tüm akış aralığı ve basınç gereksinimleri için pompalama özelliklerini gösterir. Harita, kompresörün, değişken alanlı bir gaz kelebeği valfi kullanılarak yapay olarak seçilen akış direncine sahip bir elektrik motoruyla çalıştırılmasıyla üretilebilir. Kompresör, türbin çıkışında bir valf bulunan bir gaz jeneratörünün parçasıysa da eşlenebilir. Campbell, bu şekilde eşlenmiş bir General Electric J79 kompresörünü gösteriyor .

Boyutlu analiz

Kompresör performansı, ortam basıncı ve sıcaklığındaki değişikliklerle günden güne değişir. Woolenweber, giriş sıcaklığı 70 ila 100 derece F arasında değiştiğinde bir turboşarjlı kompresörün performansındaki değişikliği gösterir. Uçak kompresörleri söz konusu olduğunda, giriş basıncı ve sıcaklığı da yükseklik ve hava hızı ile değişir. Her giriş sıcaklığı ve basıncı kombinasyonu için farklı performansın sunumu yönetilemez olacaktır, ancak hepsini, boyutsal analiz kullanarak çok çeşitli giriş koşullarına uygulanabilen tek bir haritaya daraltmak mümkündür . Boyut analizinde, rotor hızı, kütle akışı ve dağıtım basıncı gibi bireysel niceliklerin her biri, diğer ilgili niceliklerle, grupların boyutları olmayacak ancak yine de fiziksel bir anlamı olacak şekilde gruplandırılır. Örneğin rotor hızı , giriş sıcaklığı , kompresör çapı ve gaz özellikleri ve kanat makine numarasına eşdeğer boyutsuz olarak gruplandırılmıştır . ${\görüntüleme stili N}$${\görüntüleme stili T}$${\görüntüleme stili D}$${\görüntüleme stili \gama }$${\görüntüleme stili R}$${\displaystyle ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}}$

Gaz türbinli motor kompresör haritalarında temel alınan parametre grupları, toplam basınç oranı (P _çıkış /P _giriş ) , ve verimdir. , örneğin, hala mach sayısını temsil ederken aşağıda basitleştirilmiştir. Diğer uygulamalara yönelik haritalar, basma yüksekliği veya boşaltma basıncını ve hacim akışını kullanır. ${\displaystyle w{\sqrt {\gamma \ R\ T}}/{AP}}$${\displaystyle ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}}$${\displaystyle ND/{\sqrt {\gamma \ R\ T}}}$

Belirli bir kompresör ve gaz için akım ve hız grupları, belirli bir kompresör ve uygulama, yani kompresörün boyutları ve gaz özellikleri için sabit olan koşullar silerek, basitleştirilmiş , , ve y . Bunlar sözde boyutsuz parametreler olarak adlandırılır ve . ${\görüntüleme stili D}$${\görüntüleme stili A}$${\görüntüleme stili R}$${\displaystyle w{\sqrt {T}}/{P}}$${\displaystyle N/{\sqrt {T}}}$

Son bir adım, boyutsal analizin bir parçası olarak türetilen basınç ve sıcaklık oranı düzeltme faktörlerini uygulayarak sözde boyutsuz parametrelere kütle akışı ve hız için standart birimler ve daha tanınabilir sayısal değerler vermektir.

Düzeltilen parametreler ve . Orijinal gözlemlenen değerlerle aynı birimlere sahiptirler ve üzerinde anlaşmaya varılan standart koşullara, yani deniz seviyesinde Uluslararası Standart Atmosfere (ISA SL) göre düzeltilirler . Alternatif olarak, tasarım değerinin %100 veya 1.0 olarak belirtildiği tasarım değerine göre gösterilebilirler. ${\displaystyle w{\sqrt {\theta }}/{\delta }}$${\displaystyle N/{\sqrt {\theta }}}$

Bir gaz türbini motorunda yakılan yakıt, kompresörün çalışma hattını ayarlar ve ayrıca motor çalışması üzerindeki etkisini göstermek için 'boyutsuz' biçimde kullanılması gerekir. Kompresör haritasında gösterildiğinde, yanma odası basıncıyla bir oran olarak kullanılır. Düzeltilmiş yakıt akışı olarak gösterilmiştir _yakıt . Hem hava hem de yakıt sıvı akışı olmasına rağmen, boyutsuz parametreleri farklıdır ve boyutsuz hava akışı bir tür akışkan Mach sayısı olduğu için yakıt sıkıştırılamaz bir enerji kaynağının akışıdır. Hava akımı boyutları M / T ve yakıt akış kişilerce ML olan ² / ton ³ M, L ve T kütle, uzunluk ve zaman. ${\görüntüleme stili w}$ ${\görüntüleme stili =}$ ${\displaystyle w/{\sqrt {\theta}}{\delta }}$${\displaystyle w{\sqrt {\theta }}/{\delta }}$${\displaystyle w/{\sqrt {\theta}}{\delta }}$

Yakıt akışı da bir kompresör haritasında gösterilir, ancak bunun etkisi, yani türbin giriş sıcaklığı şeklindedir. Bu etki, yine boyutsuz olarak, türbin giriş sıcaklığının kompresör giriş sıcaklığına oranı olarak gösterilir ve motor sıcaklık oranı olarak bilinir. Grandcoing, bir helikopter kompresörü yüksüzden tam yüke geçerken sabit sıcaklık çizgilerini gösterir. artan yakıt akışı.

Gözlenen veya ölçülen değerlerin standart gün koşullarına göre düzeltilmesi

Akış parametrelerinin iki farklı gün _{gün 1 gün 2} üzerindeki eşitliğinden, bir gündeki ölçülen değerler standart bir günde ölçülecek değerlere göre düzeltilebilir, böylece, ${\displaystyle (w{\sqrt {T}}/{P})}$${\görüntüleme stili =}$ ${\displaystyle (w{\sqrt {T}}/{P})}$

${\görüntüleme stili w}$_corr değerleri ölçüldü ve 519 DEGR ve 14.7lb / metrekare olarak standart gündüz sıcaklığı ve basınç vardır. ${\görüntüleme stili =}$ ${\displaystyle =w{\sqrt {T/519}}/(P/14.7)}$${\görüntüleme stili w,T,P}$

Sıcaklık ve basınç düzeltme faktörleri vardır ve bu yüzden _Düzeltici${\görüntüleme stili\teta }$${\görüntüleme stili \delta }$${\görüntüleme stili w}$ ${\görüntüleme stili =}$ ${\displaystyle w{\sqrt {\theta }}/{\delta }}$

Hız için düzeltilmiş değeri _Corr${\görüntüleme stili N}$ ${\görüntüleme stili =}$ ${\displaystyle N/{\sqrt {\theta }}}$

Örnek : Bir motor %100 hızda çalışıyor ve kompresöre her saniye 107 lb hava giriyor ve gündüz koşulları 14,5 psia ve 30 derece F (490 derece R).

Standart bir günde hava akışı 105.2 lb/sn olacaktır. Hız, %103 olan olacaktır . Bu düzeltilmiş değerler, bu belirli motor için kompresör haritasında görünecek olanlardır. ${\displaystyle =107{\sqrt {490/519}}/(14.5/14.7)}$${\displaystyle =100/{\sqrt {490/519}}}$

Bu örnek, bir kompresörün "soğuk" bir günde aerodinamik olarak daha hızlı çalıştığını ve "sıcak" bir günde daha yavaş olacağını göstermektedir. 'Gündüz' koşulları kompresörün girişindeki koşullar olduğundan, yüksek Mach sayılarında ram sıcaklık artışı ile yapay olarak aşırı 'sıcak' bir gün üretilir. Aerodinamik hız, motorun %100 nominal mekanik hızında çalışmasına rağmen, haritadaki dönen durma bölgesine girmek için yeterince düşüktür, bu nedenle bu Mach sayılarında çalışan bir motor uygun özelliklere ihtiyaç duyar. General Electric J93 değişken giriş kılavuz vanaları ve stators vardı. Pratt & Whitney J58 kompresör ve 2-pozisyonu giriş kılavuz kanatlarına gelen kanamaya arası evre. Tumansky R-15 , hava sıcaklığının azaltılması için soğutma ön kompresör vardı ve önlemek düşük hızla düzeltildi.

Kinematik Benzerlik

Haritada düzeltilmiş parametreleri kullanmanın temeli, mach sayı kinematik benzerliğidir . Düzeltilmiş akış ve hız, kompresör boyunca mach sayılarını ve hız üçgenlerini kullanarak kanatlar üzerindeki akış açılarını tanımlar . Hız üçgenleri, akışların farklı referans çerçeveleri arasında aktarılmasına izin verir. Bu durumda, sabit bir çerçevedeki gaz hızı ve dairesel kanat hızı, dönen bir çerçeve (rotor) geçişinde hıza dönüştürülür. Kanat ve kanat sıralarındaki kayıplar öncelikle geliş açılarına ve makine sayısına bağlıdır. Haritadaki belirli bir çalışma noktası, kompresörün her yerinde makine sayılarını ve akış açılarını belirler.

Yüksek Mach Sayılarında Uçuş

Tarihsel bir örnek olan Pratt & Whitney J58 , düzeltilmiş değerlerin kullanılmasının önemini göstermektedir. Dönen durma, düşük düzeltilmiş hızlarda meydana gelir, bu nedenle çalıştırma sırasında ve ayrıca rölantide de meydana gelir. Hava akışını artırmak için bir boşaltma valfi açılarak giderilebilir. Çok yüksek uçuş hızlarında kompresör bu düşük düzeltilmiş hız alanına geri dönecektir, böylece aynı çalışma noktası yerdeki düşük dönüş hızında ve yüksek irtifada mach 3'te maksimum dönüş hızında gerçekleşir. Yerde düşük düzeltilmiş hızlara musallat olan tekleme, düşük verimlilik, bıçak titreşimi ve arıza, mach 3'te %100 rotor rpm'de geri döndü. Haritadaki aynı çalışma noktası aynı eksenel ve çevresel mach sayılarına, aynı hız üçgenlerine, aynı gerçek rotor hızına ve kompresör giriş sıcaklığının yerde 4750 RPM/60degF ve Mach 3'te 7,000RPM/600 degF üzerinde olmasına rağmen verimlilik. 4. kompresör aşaması.

Çalışma Sınırları

Kompresör, farklı olayların neden olduğu belirli bir hız için aşırı akışlarda çalışma sınırlarına sahiptir. Sabit hızlı bir hattın yüksek akış bölümünün dikliği, sıkıştırılabilirliğin etkilerinden kaynaklanmaktadır. Hattın diğer ucunun konumu, bıçak veya geçit akışı ayrımı ile belirlenir. Haritada durma veya dalgalanma çizgisi olarak işaretlenmiş, iyi tanımlanmış, düşük akış sınırı vardır ve bu sınırda, pozitif geliş farkı nedeniyle bıçak kayması meydana gelir. Turboşarjlar ve gaz türbini motorları için haritalarda bu şekilde işaretlenmemiş, gaz hızı ses hızına ulaştığında geçitlerin tıkandığı, daha yavaş yaklaşan, yüksek akış sınırıdır. Bu sınır, endüstriyel kompresörler için aşırı yük, jikle, sonik veya taş duvar olarak tanımlanır. Bu akış sınırına yaklaşma, hız çizgilerinin daha dikey hale gelmesiyle gösterilir. Haritanın diğer alanları, dalgalı kanat durmasının, başarısızlığa yol açan kanat yapısal modları ile etkileşime girebileceği, yani metal yorgunluğuna neden olan döner durmanın olduğu bölgelerdir .

Farklı uygulamalar için çalışma aralıkları

Farklı uygulamalar kendi haritaları üzerinde farklı yollar boyunca hareket eder. Çalışma çizgisi olmayan örnek bir harita, solda durma/dalgalanma çizgisi ve sağda jikle ve aşırı yüke doğru dikleşme hızı çizgileri ile resimli bir referans olarak gösterilmiştir.

Haritalar benzer özelliklere ve genel şekle sahiptir, çünkü hepsi sıkıştırılabilir bir sıvıyı pompalamak için benzer prensipleri kullanan dönen kanatlı makinelere uygulanır. Tüm makinelerde sabit kanatlar yoktur (santrifüj kompresörler kanatlı veya kanatsız difüzörlere sahip olabilir). Bununla birlikte, bir gaz türbini veya turboşarjlı motorun bir parçası olarak çalışan bir kompresör, endüstriyel bir kompresörden farklı davranır çünkü akış ve basınç özellikleri, tahrik türbini ve bir gaz türbini için güç türbini veya jet nozulu gibi diğer motor bileşenlerininkilerle eşleşmelidir, ve bir turboşarj için motor hızına ve şarj basıncına bağlı olan motor hava akışı. Bir gaz türbini kompresörü ile onun motoru arasındaki bir bağlantı, sabit motor sıcaklık oranı çizgileri ile gösterilebilir, yani sıcaklık oranı arttıkça çalışma hattını yükselten yakıt doldurma/arttırılmış türbin sıcaklığının etkisi.

Bir haritanın sağ tarafındaki jikle bölgesinde farklı davranışların bir tezahürü görünür. Bir gaz türbininde, turboşarjda veya endüstriyel eksenel kompresörde yüksüz bir durumdur, ancak endüstriyel santrifüj kompresörde aşırı yüktür. Hiereth et al. bir turboşarj kompresörü tam yük veya maksimum yakıt ikmali eğrisi, dalgalanma hattına yakın çalışır. Bir gaz türbini kompresörü tam yük hattı da aşırı gerilim hattına yakın çalışır. Endüstriyel kompresör aşırı yükü bir kapasite sınırıdır ve gereken yüksek akış hızlarını geçmek için yüksek güç seviyeleri gerektirir. Bir gaz türbini tarafından çalıştırılıyorsa, soğuk günlerde kompresörü yanlışlıkla aşırı yük sınırının ötesine tehlikeli bir duruma getirmek için fazla güç mevcuttur.

gaz türbini kompresörü

Kompresör, tahrik türbini ile aynı hızda (veya sabit dişli oranı) çalışmalı ve tahrik türbini ile eşit güce sahip olmalı ve aynı akışı geçmelidir. Bu, gaz gücü üreten bir gaz jeneratörü oluşturur. Kompresör ayrıca gaz gücünü ne kullanırsa kullansın aynı akışı, yani tek şaftlı bir motor veya ayrı güç türbinleri veya bir jet nozulu için ek türbin aşamaları ile aynı akışı geçirmelidir. Bu eşit akış gereksinimi, genel sıkıştırma ve genleşme oranları arasında eşit bir basınç oranı gereksiniminin yanındadır ve birlikte, kararlı durum çalışması için çalışma hattını konumlandırırlar.

Bir elektrik jeneratörünü veya helikopter rotorunu/uçak pervanesini çalıştıran tek şaftlı motorlar, çalışma hızına hızlanırken kompresör ile yüksüz olarak çalışır. Yüksüz, jeneratörü elektrik yükü olmadan veya minimum rotor/pervane hatvesi olmadan çalıştırmak için gereken minimum yakıt ikmali anlamına gelir ve boğulmaya yakın bir yerde gerçekleşir. Cohen et al. elektrik jeneratörlerinin yüksüz olarak gerekli hıza ulaştığını gösterin. Yakıt akışını artırarak elektrik yükünde bir artış elde edilir. Barkey et al. Yük devreye girdikçe yakıtı artırmadan önce jeneratör türbinini yüksüz tasarım hızına veya şebeke frekansına getiren olaylar dizisinin ayrıntılı bir tanımını verin. Grandcoing, Turbomeca Artouste helikopter motorunun yüksüz rölantiden maksimum güce kadar sabit hızda çalışmasını gösterir . Yüksüz, minimum rotor hatvesi ve boşta yakıt akışıdır. Yakıt akışındaki artış, bir kompresör haritasında sabit motor sıcaklık oranı, Türbin giriş sıcaklığı/Kompresör giriş sıcaklığı çizgileri olarak gösterilir. Grandcoing ayrıca, hızın gerekli ayarı geri kazanmadan önce düştüğü durumlarda hızlı bir yük artışının etkisini de gösterir.

Sabit alan nozulu jet motoru

Sabit bir egzoz nozulu alanına sahip uçak motorları, yakıt akışı ile rölantiden maksimum hıza sabitlenen tek bir sabit durum çalışma veya çalışma hattına sahiptir. Kompresördeki değişken kanat açıları ve akış alanları (boşaltma valfleri), belirli bir çalışma noktasında çalışma hattını değiştirmez, çünkü açılar ve valf konumları düzeltilmiş bir hız için benzersizdir, yani düzeltilmiş hıza karşı bir programa göre kontrol edilirler. . Sabit hızda çalışma için gereken yakıt akışına kıyasla fazla veya az yakıt, motor hızı yeni bir gereksinime değiştirirken hattı yukarı veya aşağı hareket ettirir.

Ayarlanabilir alan nozulu jet motoru

Campbell, farklı nozül alanlarının etkisini kararlı durum çalışma hattı üzerinde gösterir. Bu inceleme için alanın otomatik kontrolü devre dışı bırakıldı. Hizmette alan rölantide açıktır ve alan planlamasında gösterildiği gibi motor hızlandıkça kademeli olarak kapanır. Bu özel amaç için ayarlanabilir bir nozul eklenmez, ancak bir art yakıcı takılıysa, rölanti itişini azaltmak ve art brülörün faaliyete geçtiği itmeye kadar hızlanma sürelerini hızlandırmak için kullanılabilir. Güçlendirilmiş bir turbofan üzerindeki ideal fan çalışma hattı, yeterli fan durma marjını korurken, fan performansını ve itişini optimize etmek için fan basınç oranını mümkün olduğu kadar yüksek ayarlar. Fan çalışma hattı, kısma valfi gibi davranan meme alanı değiştirilerek kontrol edilir. Kısma, yanan yakıttan gelen termal ile ayarlanabilir meme alanından gelen geometrikin birleşimidir.

Kabul edilemez davranışların meydana gelebileceği alanlar

Düşük hızlı arka kademe türbini, birden düşük bir basınç oranına ve kompresör kademesinin hava akışından gücü emmesine yol açan aşırı negatif insidansla oluşur. Rolls-Royce Avon ve IAE V2500'ün ilk tasarımlarında dalgalanma hattını geçmenin yüksek hıza çıkmayı engellediği iki örnek meydana geldi ve büyük kompresör yeniden tasarımlarını gerektirdi. Düşük düzeltilmiş hızlarda dönen durma, erken eksenel kompresörlerde bıçak arızalarına neden oldu.

Dizel ve benzinli motorlar için turboşarjlar

Kompresör akışı ve basınç aralığı, harita üzerinde üst üste bindirilmiş motor sabit rpm ve sabit tork çizgilerinin bir halı grafiği ile gösterilir . OpenCourseWare materyali, 4 zamanlı kamyon motorunun hava akışı gereksinimleri için motor hızı ve yükünün bir halı grafiğini gösterir. Shahed, ağır hizmet dizel motoru için sabit motor devri ve motor BMEP çizgilerini göstermektedir. Woollenweber, farklı motor devirlerinde ve yük/yakıt/torktaki motor hava akışı gereksinimlerini gösterir. Hiereth et al. bir binek otomobil motoru için tam yük işletim hattı, kontrolsüz bir turboşarjın bir kamyon dizel motoru üzerindeki etkisi ve yolcu dizel ve benzinli motorlar üzerinde atık kapağı kontrolü ve rakımın çalışan bir kompresör üzerindeki etkisi gibi çeşitli uygulamalar için işletim hatlarını gösterir. hat.

Petrol ve gaz endüstrisindeki kompresörler

Proses gereksinimleri, kompresör koşullarının değişmesine neden olarak değişebilir. Kompresör, değişken hızlı veya sabit hızlı bir makine tarafından çalıştırılabilir. Sabit hızlı bir elektrik motoru tarafından tahrik ediliyorsa, değişken giriş kılavuz kanatları veya emme ve tahliye kısma ile kontrol edilebilir. Welch, bir santrifüj kompresör için değişken kanat açısının akış üzerindeki etkisini gösterir.

Bir uçak motoru yüksek basınçlı kompresör için harita

Akış ekseni

X ekseni, gerçek akışın aksine, genellikle kompresör giriş kütle akışının bir işlevidir, genellikle düzeltilmiş akış veya boyutsuz akış. Bu eksen, cihazdan geçen akışın eksenel Mach sayısının kaba bir ölçüsü olarak kabul edilebilir.

Basınç oranı ekseni

Normalde y ekseni basınç oranıdır (P _çıkış /P _girişi ), burada P durgunluk (veya toplam yük) basıncıdır.

ΔT/T (veya benzeri), burada T durgunluk (veya toplam yük) sıcaklığıdır, ayrıca kullanılır.

Dalgalanma hattı

Haritanın ana kısmındaki hafif bükülmüş çapraz çizgi, dalgalanma (veya durma) çizgisi olarak bilinir. Bu çizginin üzerinde, kaçınılması gereken bir alan olan kararsız akış bölgesi bulunur.

Bir kompresör dalgalanma veya kompresörün durma kompresör hava akımının ani bir ters çevrilmesine neden olmaktadır. Kompresör kanatları, kanat profili olarak çalışarak bir pompalama hareketi yaratır . Bir dalgalanma veya duraklamada, kanatlar aerodinamik bir duraklama yaşar (bir uçak kanadının durmasına benzer) ve akış yönündeki yüksek basıncı geri tutamaz hale gelir ve bunun sonucunda şiddetli bir akış tersine döner. Normalde yanma odasının içinde bulunan alev, egzoz memesinden olduğu gibi motor girişinden de çıkabilir.

dalgalanma marjı

Adından da anlaşılacağı gibi, dalgalanma marjı, bir çalışma noktasının dalgalanmaya ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsünü sağlar. Ne yazık ki, bir dizi farklı dalgalanma marjı tanımı vardır. Kullanımda olan bir popüler şu şekilde tanımlanır:

${\displaystyle SM=100\%\cdot {\frac {{\dot {m_{w}}}-{\dot {m_{s}}}}{\dot {m_{w}}}}}$

nerede:

${\displaystyle {\dot {m_{w}}}}$ sabit durum veya geçici durum olsun, çalışma noktasındaki kütle akışıdır

${\displaystyle {\dot {m_{s}}}}$ ile aynı düzeltilmiş hızda dalgalanmadaki kütle akışıdır. ${\displaystyle {\dot {m_{w}}}}$

Hız çizgileri

Haritanın ana kısmındaki hafif eğimli, dikeye yakın çizgiler (sürekli dönüşlü) düzeltilmiş hız çizgileridir. Bunlar rotor kanat ucu Mach sayısının bir ölçüsüdür .

Hız çizgilerinin akışla doğrusal olarak dağılmadığına dair çizime dikkat edin. Bunun nedeni, bu özel kompresörün, hız arttıkça kademeli olarak açılan ve orta ila yüksek hız bölgesinde akışta abartılı bir artışa neden olan değişken statorlarla donatılmış olmasıdır . Düşük hızda, değişken statorlar kilitlenir ve hız ile akış arasında daha doğrusal bir ilişkiye neden olur.

Ayrıca %100 akışın ötesinde hız çizgilerinin boğulma nedeniyle hızla kapandığını unutmayın. Boğulmanın ötesinde, hızdaki herhangi bir artış, hava akışında daha fazla artışa neden olmaz.

verimlilik ekseni

Bir alt grafik, sabit hızda akışla izentropik (yani adyabatik ) verimliliğin değişimini gösterir . Bazı haritalar politropik verimlilik kullanır. Alternatif olarak, açıklama amacıyla, verimlilik konturları bazen ana harita üzerinde çapraz çizilir .

Zirve verimlilik odağının, yükseliş eğiliminde hafif bir bükülme sergilediğine dikkat edin. Bunun nedeni, değişken statorlar kapalıyken hız arttıkça kompresörün tıkanmasıdır. Değişkenler açılmaya başladığında trend çizgisi devam eder.

çalışma hattı

Haritada ayrıca tipik bir kararlı durumda çalışan (veya çalışan/çalışan) bir çizgi de gösterilmektedir. Bu, kısıldığı için motorun çalışma noktalarının bir konumudur.

Yüksek basınç oranlı bir cihaz olduğundan, çalışma hattı nispeten sığdır. Ünitenin değişken geometrisi yoksa, taşma hattı çok dik olacağından ve kısmi akışta çalışma hattını keseceğinden taşıma sorunları olacaktır.

Orta gaz ayarından bir çarpma ivmesi sırasında, kompresör çalışma hattı hızlı bir şekilde dalgalanmaya doğru hareket edecek ve ardından haritanın daha yukarısındaki kararlı durum çalışma noktasına yavaşça yaklaşacaktır. Ters etki, bir çarpma yavaşlaması sırasında meydana gelir. Bu etkilere, motor yakıt akışındaki hızlı değişikliklere makaranın yavaş tepkisi (yani atalet etkileri) neden olur. Kompresör dalgalanması, çarpma hızlanmaları sırasında özel bir problemdir ve yakıt doldurma programında uygun ayarlamalar ve/veya blöf kullanımı (kullanım amaçları için kompresörden havanın alınması) ile üstesinden gelinebilir.

Gösterilen özel örnekte, zemin rölantisinden kaynaklanan bir çarpma ivmesi, yüksek basınçlı bir kompresör dalgalanmasına neden olacaktır. Blöfün açılması yardımcı olacaktır, ancak değişken stator programında bazı değişiklikler de gerekli olabilir.

Yüksek basınçlı bir kompresör, yüksek basınçlı türbinin tıkalı akış kapasitesini 'gördüğünden', kompresör çalışma hattı uçuş koşullarından pek etkilenmez. Çalışma hattının eğimi, sabit bir düzeltilmiş çıkış akışına yaklaşır.

Tek kademeli bir uçak motoru fanı için harita

Düşük basınç oranlı bir fan (yüksek baypas oranlı bir turbofanda kullanılan gibi ) bir dizi çalışma hattına sahiptir. Yüksek uçuş hızlarında, ram basınç oranı, soğuk meme basınç oranını artırarak memenin boğulmasına neden olur. Boğulma koşulunun üzerinde, çalışma hatları benzersiz bir dik düz çizgide birleşme eğilimindedir. Nozul açıldığı zaman, çalışma hattı, nozul karakteristiğinin eğriliğini yansıtacak şekilde daha kavisli hale gelmeye başlar. Düşen uçuş Mach sayısı ile soğuk meme basınç oranı azalır. Başlangıçta bunun, daha uzun hale gelen kavisli (boğmamış) kuyruk dışında, çalışma hattının konumu üzerinde hiçbir etkisi yoktur. Sonunda, soğuk meme, tam gazda bile daha düşük uçuş Mach sayılarında boğulmayacaktır. Çalışma hatları artık kavisli hale gelecek ve uçuş Mach sayısı azaldıkça kademeli olarak dalgalanmaya doğru hareket edecektir. En düşük dalgalanma marjı çalışma hattı statik koşullarda gerçekleşir.

İlgili kısıtlamaların doğası gereği, karma bir turbofanın fan çalışma hatları, eşdeğer karıştırılmamış motora göre biraz daha diktir.

Bir fanın iki haritası olabilir, biri baypas (yani dış) bölümü için, diğeri ise tipik olarak daha uzun, daha düz, hız çizgilerine sahip olan iç bölüm için.

Askeri turbofanlar, sivil motorlardan çok daha yüksek tasarım fan basınç oranına sahip olma eğilimindedir. Sonuç olarak, nihai (karışık) meme, gaz kelebeği aralığının çoğunda, tüm uçuş hızlarında boğulur. Bununla birlikte, düşük gaz ayarlarında, özellikle düşük uçuş hızlarında, çalışma hatlarının alt ucunun kısa kavisli bir kuyruğa sahip olmasına neden olacak şekilde nozül boğulacaktır.

Bununla birlikte, ultra yüksek baypas oranlı turbofanlar, çok düşük bir tasarım fan basınç oranına sahiptir (örneğin, baypas bölümünde 1.2). Sonuç olarak, seyir uçuş hızlarında bile, soğuk (veya karışık nihai) sevk memesi yalnızca yüksek gaz ayarlarında boğulabilir. Fan çalışma hatları daha kavisli hale gelir ve uçuş Mach sayısı azaldıkça hızla dalgalanmaya doğru hareket eder. Sonuç olarak, özellikle düşük gaz ayarlarında statik çalışma hattında aşırı gerilim olabilir.

Bir çözüm, değişken alanlı soğuk (veya karışık) bir nozüle sahip olmaktır. Nozul alanının düşük uçuş hızlarında arttırılması, fan çalışma hattını dalgalanmadan uzaklaştırır.

Alternatif bir çözüm, değişken hatveli bir fan takmaktır. Fan kanatlarının eğimini programlamanın fan çalışma hatlarının konumu üzerinde hiçbir etkisi yoktur, ancak fan dalgalanma marjını iyileştirmek için dalgalanma hattını yukarı doğru hareket ettirmek için kullanılabilir.

Bir uçak motoru IP kompresörü için harita

Bazı turbofanlarda, genel basınç oranını artırmak için fan ile yüksek basınçlı (HP) kompresör arasına yerleştirilmiş bir ara basınç (IP) kompresör bulunur. ABD sivil motorları IP kompresörü doğrudan fanın arkasına, LP şaftına monte etme eğilimindeyken, Rolls-Royce normalde IP kompresörünü bir IP türbini tarafından tahrik edilen ayrı bir (yani IP) şafta monte eder. Her iki durumda da, eşleştirme sorunları ortaya çıkabilir.

IP kompresör çıkışı düzeltilmiş akışı, motor geri kısıldıkça azalan HP kompresörün giriş düzeltilmiş akışıyla eşleşmelidir. Belirli bir IP kompresör çalışma hattı eğiminde, IP kompresör çıkışı düzeltilmiş akış sabit kalır. Ancak, daha sığ bir çalışma hattı benimseyerek, belirli bir IP kompresör girişi düzeltilmiş akışındaki ekstra IP kompresör basınç oranı, IP kompresör çıkışı düzeltilmiş akışının düşmesini ve düşen HP kompresör girişi düzeltilmiş akışıyla eşleşmesini sağlar. Ne yazık ki bu, parça akışında zayıf bir IP kompresör dalgalanma marjına yol açabilir.

IP kompresöre değişken statorlar eklenerek ve/veya IP ve HP kompresörler arasına bir blöf vanası eklenerek dalgalanma marjı iyileştirilebilir . İlki, IP kompresör aşırı gerilim hattını sığ çalışma hattından uzaklaştırarak daha sığ hale getirir ve böylece IP kompresör dalgalanma marjını iyileştirir.

Belirli bir IP kompresör basınç oranında, blöf valfinin açılması, IP kompresör giriş düzeltilmiş akışını, IP kompresör dalgalanma marjının daha iyi olma eğiliminde olduğu bir noktaya kadar yükselmeye zorlar. Etkili bir şekilde, blöf vanasının açılması IP kompresör çalışma hattını düşürür. HP kompresör tarafından talep edilen akış fazlası, blöf valfinden baypas kanalına geçer. Boşaltma valfi normalde sadece kısılmış koşullarda açılır, çünkü enerji israfına neden olur.

Referanslar

Dış bağlantılar

• Speed-Wiz Turbocharger Kompresör Haritası Hesaplama
• SoftInWay Inc. Santrifüj Kompresör Performans ve Verimlilik Haritaları
• Tasarım Dışı Durumda Ctrend Santrifüj Kompresör Haritası Tahmini ve Performans Analizi