توضیحات

پروژه شبیه سازی پره های روتور توربین جریان شعاعی در نرم افزار انسیس ANSYS CFX

Simulation of Radial Turbine Rotor Blades in ANSYS CFX

توربوماشین:

واژه توربوماشین دلالت بر دستگاهی دارد که در آن چند ردیف تیغه ثابت و متحرک با سیالی که به طور پیوسته در حال عبور است، بر اثر کنش دینامیکی تبادل انرژی انجام می دهد. از نقطه نظر لغوی در ریشه لاتین واژه توربو به معنای وسیله ای است که در حال چرخیدن می باشد و توربوماشین ها اساساً به طیف گسترده ای از ماشین های متحرک دوار اطلاق می گردند که آنتالپی و فشار سیال را با انجام کار مثبت یا منفی بسته به انتظاری که می رود، تغییر می دهند.

غالبا توربوماشین ها به معنی خاص به دسته ای از ماشین ها گفته می شود که دارای یک سری تیغه های دوار می باشد(گاهی به همراه تیغه های ثابت ) که با پوشش خارجی احاطه شده و همزمان مقدار معینی از سیال از میان آن عبور می نماید. بر اساس تعریف فوق توربوماشین ها را می توان در دو دسته بندی جامع طبقه بندی نمود. دسته اول ماشین هایی که با جذب قدرت، فشار یا هد سیال را بالا می برند که ماشینهایی نظیر فن، کمپرسور و پمپ در این گروه جای می گیرند. دسته دوم توربوماشین هایی هستند که با منبسط نمودن سیال به فشارهای پایین تر، تولید کار با انرژی می کنند. این دسته شامل انواع توربین ها می باشد. توربوماشین ها براساس طبیعت جریان عبوری نیز می توان تقسیم نمود. هنگامی که سیال گذرا به طور کامل و یا در بخش عمده ای از مسیر به موازات محور دوران حرکت کند، به آن توربوماشین جریان محوری گفته می شود. همچنین توربوماشین هایی که مسیر جریان در گذرگاه های آن کاملا و یا عمدتا در صفحه عمود بر محور دوران قرار گیرد تحت نام جریان شعاعی خوانده می شود. دسته سوم از توربوماشین ها با هر دو مؤلفه های سرعت شعاعی و محوری نیز وجود دارد که علی رغم نام متفاوت خود (جریان مخلوط) غالبا در دسته بندی توربوماشین های جریان شعاعی قرار می گیرد. در این میان توربین گازی نوعی از توربوماشین است که در تولید انرژی نقش زیادی در صنعت دارد. بنابراین شناخت هر چه بیشتر اجزاء آن و نحوه ی عملکرد آنها و همچنین عوامل مؤثر بر کارکرد آن، اعم از عوامل بهبود دهنده و یا عوامل مخرب، تأثیر بسزایی در بهره گیری هر چه بیشتر از قابلیت های توربین گازی و بهینه سازی آن خواهد داشت.

در تعریفی علمی تر، توربوماشین دستگاهی است که در آن حرکت یک سیال غير محبوس به نحوی تغییر داده می شود که قدرت را به یک محور انتقال دهد یا از آن قدرت بگیرد یا به نحوی باعث ایجاد نیروی جلوبرنده شود. با توجه به این تعریف، توربوماشین ها شامل چندین گروه مختلف می شوند. نخست، ماشین هایی که قدرت را از محور به سیال منتقل می نمایند. توربوماشین هایی که در این دسته قرار می گیرند عبارتند از پمپ، توربوماشینی که سیال آن مایع است؛ کمپرسور، که با انتقال قدرت به گاز، فشار زیاد و سرعت کمی به آن می دهد؛ فن، که موجب حرکت گاز شده و تغيير فشار اندکی در آن ایجاد می کند؛ و دمنده که فشار و سرعت قابل توجهی به آن می دهد. گروهی دیگر از توربوماشین ها برای انتقال قدرت از سیال به محور مورد استفاده قرار می گیرند که انواع توربین ها جزو این دسته بندی قرار می گیرند.

در واقع می توان توربوماشین ها را از نوع ماشین های سیالی در نظر گرفت. ماشین های سیالی به وسایلی اتلاق می شود که روی سیال کار انجام می دهند یا از آن کار می گیرند. ماشین های سیالی را می توان به صورت جابجایی مثبت و دینامیکی دسته بندی کرد. در ماشین های جابجایی مثبت، انتقال انرژی بر اثر تغییر حجم روی می دهد و این حرکت حجم نیز ناشی از جابجایی مرز مجرایی است که سیال در آن مقید است. در ماشین های دینامیکی بر خلاف ماشین های جابجایی مثبت، سیال به طور کامل مقيد نیست و تمامی برهم کنش، از تاثیر دینامیکی روتور روی جریان سیال ناشی می شود.

توربین جریان شعاعی:

از میان انواع روش های تولید توان مکانیکی، توربوماشین ها از جنبه های گوناگون رضایت بخش می باشند. عدم وجود اجزای با حرکت رفت و برگشتی و با اصطکاک زیاد، بالانس آسان و قابلیت اطمینان مطلوب از جمله مزایای توربوماشین ها می باشد. امروزه توربوماشین ها به عنوان ابزار تولید توان، راه اندازهای مکانیکی، موتورهای زیردریایی و هواپیماها کاربرد دارند. یکی از انواع توربوماشین های جریان شعاعی، توربین های گاز جریان شعاعی می باشد که کاربردهای گسترده ای در صنایع گوناگون دارد. توربین های جریان شعاعی تاریخچه ای طولانی دارند و قبل از اینکه توربوماشین های جریان محوری اختراع شوند مورد استفاده قرار می گرفتند. در حدود ۱۷۰ سال قبل، اولین نمونه ی توربین شعاعی به منظور تولید توان مورد استفاده قرار گرفت. یک مهندس فرانسوی به نام «فورنیرون» اولین توربین هیدرولیکی تجاری را با موفقیت در سال ۱۸۳۰ میلادی ساخت. نوعی توربین جریان شعاعی هیدرولیکی توسط «فرانسیس» و «بایدن» در سال ۱۸۴۷ در آمریکا طراحی و ساخته شد. این نوع از توربین به «توربین فرانسیس» شهرت یافته است. توربین جریان شعاعی را می توان با معکوس کردن جریان عبوری از کمپرسور گریز از مرکز بدست آورد. یک توربین جریان شعاعی می تواند به ازای دبی های کم، نسبت فشاری در حدود ۴ تولید کند. اولین توربین جریان شعاعی در دهه ی ۱۹۳۰ میلادی در یک موتور جت مورد استفاده قرار گرفت، امروزه موارد استفاده ی این توربین ها بیشتر شده و در صنایع شیمیایی و حمل و نقل کاربرد فراوانی پیدا کرده اند. کاری که توسط یک طبقه از این توربین ها تولید میشود برابر با کاری است که توسط دو یا چند طبقه از یک توربین محوری تولید می شود و این بزرگترین مزیت این توربین ها می باشد.

این موضوع به این دلیل است که سرعت نوک پره ی توربین شعاعی بیشتر از توربين محوری است. از آنجایی که توان خروجی با مجذور سرعت رابطه ی مستقیم دارد لذا به ازای یک دبی مفروض، کار تولید شده توسط یک طبقه ی توربین شعاعی بیشتر از کار تولیدی توسط یک طبقه توربین محوری است. همچنین در توربین های جریان شعاعی تعداد پره های بکار رفته بسیار کمتر از نوع محوری است که می تواند منجر به صرفه جویی بزرگی در وزن و هزینه ها مخصوصا در سیستم های کوچک شود.

شکل روتور توربین جریان شعاعی.

کاربردهای توربین جریان شعاعی

توربین های جریان شعاعی گستره ی وسیعی از توان، دبی و سرعت دورانی را پوشش می دهند. از توربین های فرانسیس بزرگ که در نیروگاه های هیدرولیکی برای تولید توان مورد استفاده قرار می گیرند گرفته تا توربین های کوچکی که برای تولید چند کیلو وات توان کاربرد دارند. توربین های جریان شعاعی به طور اخص برای واحدهای کوچک بکار می روند. این توربین ها کاربرد وسیعی در توربوشارژر اتومبیل ها، توربین های گازی صنعتی کوچک، سیستم های سرمایش هواپیمای واحدهای تولید توان کمکی و توربوپمپ موشک ها دارند. این توربین ها خیلی جمع و جور بوده و ماکزیموم قطر آنها 0.2 متر است. سرعت آنها بسیار زیاد و بین ۴۰۰۰۰ تا ۱۸۰۰۰۰ دور بر دقیقه می باشد.

کاربرد وسیع توربین های گازی در تولید توان الکتریکی و همچنین در صنایع نفت و گاز از یک سو و از سوی دیگر کارایی آنها در هواپیماها و صنایع دریایی موجب شده است که محققان روی روشهای آنالیز، طراحی و بهینه سازی این دسته از توربوماشین ها تمرکز زیادی داشته باشند. به دلیل اهمیت فراوان توربوماشین ها، فعالیت های فراوانی در این زمینه از سالیان دور در کشورهای صنعتی صورت گرفته است و هم اکنون نیز در حال توسعه می باشد. موضوع توربوماشین، زمینه بسیار گسترده ای است که سال ها وقت، انرژی و توان دانشمندان و مهندسان را در سرتاسر جهان به ویژه در ایالات متحده و کشورهای اروپایی به خود اختصاص داده است. حجم سرمایه گذاری ها و فعالیتهای انجام شده و همچنین مقالات و کتب منتشر شده در این زمینه گواه بر این ادعا است. این در حالی است که بسیاری از مستندات منتشر نشده و فعالیت های انجام شده و در حال انجام در این زمینه به دلایل امنیتی نظامی و تجاری، بصورت محرمانه نگهداری میشوند و قابل دسترسی عمومی نمی باشند. این تحقیقات به خصوص از زمان جنگ جهانی دوم برای ساخت موتورهای جت هواپیما بسیار پررنگ تر شده است و تا امروز همچنان به قوت خود باقی است. به عنوان مثال در آمریکا چندین مرکز همچون ناسا و شرکت های بزرگی مثل جنرال الکتریکی پرت اند ویتنی و وستینگ هاوس ، بودجه های کلانی را برای تحقیق در این موضوع هزینه می کنند. از شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا نیز می توان به عنوان بزرگترین مرکز تولید تجهیزات توربوماشینی ( شامل توربین گاز، توربین بخار و کمپرسور) در کشور نام برد.

همچنین کشور ما ایران، از یک سو با دارا بودن حدود ۱۸ درصد کل ذخایر گازی جهان، دومین کشوری است که بیشترین ذخایر گازی جهان را دارد، و از سوی دیگر کشوری در حال توسعه در زمینه ارتقای توربینهای تولید توان و پیشرانش است. بنابراین موضوع استفاده از منابع خدادادی گاز طبیعی و تبدیل آنها به انرژی و تولید توان، نیازی اساسی خواهد بود. از توربین های گازی میتوان به عنوان یکی از اجزای مهم در تولید توان الکتریکی در نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی نام برد. همچنین کاربرد توربوماشین ها در صنایع بسیار با اهمیت و استراتژیک می باشد، مخصوصا در دوران حاضر که با وجود تحریم های سیاسی، نظامی و اقتصادی، این نیاز داخلی به مراتب افزایش یافته است. نیاز ما به دانش فنی در این زمینه به دلایل استراتژیک صنعتی و نظامی، با وجود استعدادهای انسانی و امکانات خدادادی طبیعی این الزام را به وجود می آورد که اقداماتی جدی در جهت دستیابی به دانش فنی تحلیل و طراحی توربوماشین ها انجام شده و سرمایه گذاری ها و برنامه ریزی های لازم صورت گیرد.  تحلیل جریان گذرنده از توربین به دلایل زیادی حائز اهمیت است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود:

امکان طراحی توربین با استفاده از تحلیل جریان

امکان ایجاد تغییرات در جهت بهبود عملکرد توربین

امکان طراحی سیستم های کنترلی برای توربین گاز

امکان طراحی سیستم های عیب یاب

امکان طراحی و ساخت سیمولاتورهای آموزشی مرتبط

امکان بازسازی و استفاده مجدد از توربین های فرسوده و از کار افتاده

به طور کلی پیش بینی عملکرد انواع توربوماشین ها، گامی ضروری در فرآیند طراحی و بهینه سازی آنها است. به علاوه اگر بتوان رفتار سیال و عملکرد توربین را پیش بینی کرد، آنگاه قادر خواهیم بود هزینه و زمان ارتقای مدل های قبلی توربین را بطور چشمگیری کاهش دهیم. به دلیل ماهیت پیچیده جریان در توربوماشین ها، برای پیش بینی عملکرد آنها نیازمند روش های تحلیل جریان هستیم. مدل های کلاسیک ساده جریان، به کمک روابط نیمه تجربی یک ابزار سودمند و ارزان را برای تعداد محدودی از ساختارهای توربین فراهم می کنند. از طرف دیگر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مدرن، اصولا روشی با دقت بالا است که در بسیاری از موارد، کاربرد آن از نظر هزینه و زمان به صرفه نیست.

اجزاء توربین جریان شعاعی

اجزاء اصلی توربین های شعاعی عبارت است از: حلزونی نازل، روتور (ایمپلر) و دیفیوزر. ابتدا جریان گاز وارد حلزونی شده و سپس با عبور از میان پره های نازل سرعت می گیرد. پره های نازل، همگرا هستند تا انرژی جنبشی گاز را افزایش دهند و زاویه گاز را برای ورود به روتور تنظیم کنند. روتور نیز انرژی را از سیال به شفت منتقل می کند و سبب تولید کار می شود. روتور منبع اصلی تلفات در توربین است و به عبارتی اصلی ترین قسمت توربین می باشد.

شکل اجزاء توربین جریان شعاعی.

انتقال انرژی از سیال به محور توربین در روتور صورت می گیرد. جریان در روتور الگوی بسیار پیچیده، غیر دائمی، لزج، سه بعدی و تراکم پذیر دارد. همچنین هندسه ی آن بر بازده و دبی جرمی تأثیر می گذارد. از این رو طراحی روتور مهمترین قسمت طراحی توربین می باشد.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی پره های توربین جریان شعاعی در نرم افزار انسیس ANSYS CFX انجام شده است.

هندسه مسئله:

جهت تولید هندسه از نرم افزار   ANSYS BladeGen و VISTA RTD استفاده شده است.

مش بندی:

دومین گام برای تحلیل توربوماشین به وسیله روش سه بعدی CFD، تولید یک شبکه مناسب است که از طرفی باید آنقدر ریز باشد که قابلیت اطمینان به نتایج وجود داشته باشد و از طرفی باید تعداد المان های شبکه به گونه ای انتخاب شود که زمان محاسباتی منطقی باشد. به طور خلاصه باید در هر تحلیل، کمترین تعداد المان شبکه به گونه ای انتخاب شود که دقت کافی در تحلیل را داشته باشد

بعد از تولید هندسه توسط BladeGen ANSYS  مرحله بعدی واردکردن هندسه به محيط انسیس ANSYS TurboGrid است. مش بندی و شبکه بندی توسط نرم افزار انسیس توربو گرید ANSYS Turbo Grid  صورت گرفته است. شبکه بندی توسط این نرم افزار کاملاً به صورت سازمان یافته می باشد. حسن شبکه سازمان یافته سرعت بالای همگرایی و دقت بالا در جواب ها است. این نرم افزار قابلیت ریزترین کردن شبکه را در نواحی که گرادیان های شدید وجود دارد، دارا می باشد.در نواحی اطراف پره، لقي شعاعی نوک پره روتور و در نزدیکی دیواره ها گرادیان های شدیدی وجود دارد و به همین دلیل شبکه باید در این نواحی ریزتر از سایر نقاط باشد. با ریز شدن از سویی خطای روش عددی کاهش و از سوی دیگر زمان محاسبات به شدت افزایش می یابد. به همین دلیل شبکه بندی با مهارت و دقت خاصی انجام شود یعنی ریز شدن شبکه فقط در نواحی صورت گیرد که در آن بخش تغییرات شدیدی وجود دارد. تولید شبکه در کل، روند سعی و خطا دارد و بیشترین زمان تحلیل سه بعدی را به خود اختصاص می دهد، چرا که کیفیت شبکه بندی، روند همگرایی را به شدت تحت تأثیر قرار می دهد.

شبیه سازی و حل:

به منظور شبیه سازی از نرم افزار ANSYS CFX استفاده شده است. نرم افزار انسیس CFX برای حل عددی معادلات حاکم از روش حجم کنترل استفاده می کند. یعنی ابتدا حوزه حل به حجم های کنترل مجزا با استفاده از شبکه ی محاسباتی تقسیم می شود. سپس از معادلات حاکم بر روی حجم های کنترل برای ساخت معادلات جبری برای متغیرهای مجهول به صورت مجزا انتگرال گیری می کند. پس از آن، معادلات مجزا را خطی ساخته و آنها را تا رسیدن به مقادیر جدید متغیرها حل می کند. در صورتی که باقیمانده معادلات در پایان هر تکرار از حل، معیار همگرایی را برآورده کند، حل متوقف می شود. در غیر این صورت از مقادیر به دست آمده برای مرحله ی بعد استفاده می شود. پس از شبکه بندی، می بایست مدل شبکه بندی شده را وارد محیط نرم افزار ANSYS-CFX نمود و اطلاعات مربوط به پره ها، نوع سیال مورد استفاده و در نهایت شرایط مرزی و مدل توربولانسی را تنظیم نمود.

نمونه نتایج شبیه سازی: