توضیحات

پروژه شبیه سازی پره های روتور کمپرسور گریز از مرکز در نرم افزار انسیس CFX

توربوماشین:

توربوماشین ها وسایلی هستند که از یک یا چند چرخ که به دور محوری می چرخند تشکیل شده اند. در اثر عمل دینامیکی این چرخ با سیالی که در ماشین به طور پیوسته در جریان است، تبادل انرژی صورت می گیرد. توربوماشین هایی که سیال مورد استفاده آنها تراکم پذیر است و قدرت جذب می کنند تا به سیال انرژی داده و فشار سیال را بالا برده، کمپرسورهای دینامیکی هستند. عامل انتقال انرژی بین سیال و کمپرسور دینامیکی حرکت دورانی مجموعه پره ها و محور کمپرسور می باشد. برحسب نوع مسیر جریان در روتور، کمپرسورهای دینامیکی عمدتا بر سه دسته اند: دسته اول کمپرسورهای جریان محوری، که مسیر جریان موازی محور چرخش ماشین می باشد. دسته دوم کمپرسورهای جریان شعاعی، که مسیر جریان در صفحه عمود بر محور چرخش می باشد. در این نوع کمپرسورها جریان به طور محوری وارد شده و با رسیدن به پروانه، به وسیله پره ها لزوما حرکت شعاعی گرفته سپس از قسمت بیرونی خارج می گردد. دسته سوم کمپرسورهای جریان مختلط هستند که در این نوع کمپرسورها، امتداد ورود سیال به روتور و خروج از آن، نسبت به یکدیگر مایل می باشد.یک کمپرسور گریز از مرکز از سه قسمت اصلی پوسته، پروانه و محور تشکیل شده است. پوسته کمپرسور، پره های متحرک را در بر می گیرد و از چهار قسمت لوله ورودی، قسمت دربرگیرنده پره های متحرک، پخش کننده (دیفیوزر) و جمع کننده (حلزونی) تشکیل شده است. در این کمپرسورها گاز به وسیله یک قطعه پروانه ای شکل به حرکت درآورده شده و سرعت آن را بالا می برد. گازی که در اثر برخورد با پره ها انرژی جنبشی کسب کرده وارد مسیری واگرا به نام دیفیوزر می گردد. این مسیر به دلیل واگرا بودن به تدریج سرعت گاز را گرفته و مطابق با قانون برنولی به تدریج سرعت جای خود را به فشار می دهد. به این ترتیب گاز در خروج از دیفیوزر دارای سرعت کم و فشار بالا خواهد بود. در بسیاری موارد فشار مورد نیاز در اثر عبور از یک پره و دیفیوزر تأمین نمی شود. به همین دلیل برای رساندن فشار گاز به فشار مورد نیاز، از چند پره به طور سری استفاده می گردد. به این ترتیب که گاز خروجی از دیفیوزر هر مرحله، وارد پره های مرحله بعد شده و فشار آن به تدریج افزوده می شود.

توربوماشین در تعریفی ساده ماشینی است که در آن یک چرخ دوار(روتور یا پروانه) وظیفه انتقال انرژی با سیال را انجام دهد. در تعریفی علمی تر، توربوماشین دستگاهی است که در آن حرکت یک سیال غیر 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؛ کمپرسوره، که با انتقال قدرت به گاز، فشار زیاد و سرعت کمی به آن می دهد؛ فن، که موجب حرکت گاز شده و تغییر 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 میدهند 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 تغيير 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 مقید نیست و تمامی برهم کنش، از تاثیر دینامیکی روتور روی جریان سیال ناشی می شود.

کمپرسور گریز از مرکز:

در کمپرسورهای گریز از مرکز عمل تراکم سیال در اثر حرکت سیالی که روی آن کار انجام می شود بوجود می آید. این گونه کمپرسورها به علت سادگی ساختمان و کوچک بودن ابعاد هندسی در موتورهای توربوشفت هلیکوپتر و موتورهای توربوجت و هواپیماهای کوچک که قادرند فشارها را تا شش برابر بالا برده و با راندمان بالایی کار کنند استفاده شده و برای جریان های کم در مقایسه با کمپرسورهای محوری با راندمان بهتری کار می کنند. به طور کلی یک کمپرسور گریز از مرکز طول کمتری نسبت به کمپرسور محوری معادل خود اشغال نموده و کارایی خود را در هوای آلوده به علت نشت مواد معلق روی سطوح کانال های هوا از دست نخواهد داد. این گونه کمپرسورها می توانند در هر سرعت مشخص با راندمان بالایی کار کنند. به طور کلی کمپرسورهای گریز از مرکز برای جریان های کم و نسبت افزایش فشار حداکثر تا شش در مقایسه با کمپرسورهای محوری بهتر کار می کند، چرا که در جریان های کم، بازده کمپرسورهای محوری به شدت افت نموده و ساخت آنها نیز مشکل تر می گردد. کاربردهای جدید کمپرسورهای گریز از مرکز که نسبتهای فشار پایین همراه با مقدار جریان کم هوا را با راندمان بالا ایجاد می کند، عبارتند از: توربین های گازی کوچک برای خودروها، طراحی موتورهای هلیکوپتر تجارتی، هوارسانی در کارخانه ها و تأسیسات بزرگ تهویه مطبوع.

طرز کار کمپرسور گریز از مرکز:

این کمپرسور دارای یک پوشش اصلی ثابت و اجزاء اصلی ثابت لوله ورودی، دیسک پره دار موسوم به پروانه که ممکن است یک طرف و یا دو طرف آن پره دار باشد، دیفیوزر که ممکن است پره دار یا بدون پره و یا هر دو نوع باشد، بدنه بیرونی، طرح آب بندی و جمع کننده خروجی.

شکل جریان سیال درون کمپرسور گریز از مرکز

دیسک دوار کمپرسور هوا را با سرعت اولیه و فشار اولیه مخزن به داخل مجراهای واگرای بین پره های خود در جهت محوری مکیده و بعد از شتاب و سرعت دادن زیاد به هوا و چرخش در درون و میان پره ها در جهت شعاع پروانه خارج نموده و فشار استاتیک هوا از چشم تاسر چرخ را مرتبا افزایش می دهد. سیال در خروج از پروانه دارای بیشترین سرعت می باشد. در نتیجه در داخل روتور کمپرسور هم فشار استاتیکی و هم سرعت هوا افزایش می یابد. آنگاه هوا وارد مجراهای واگرای دیفیوزر گردیده بقیه انرژی جنبشی کسب شده در بخش پروانه و دیفیوزر، تبدیل به افزایش فشار می گردد. در بیرون از دیفیوزر مجرای حلزونی شکل قرار دارد که کار آن جمع آوری جریان از دیفیوزر و تحویل آن به مجرای خروجی می باشد. در مجرای حلزونی انرژی جنبشی سیال خروجی از روتور، به انرژی فشاری تبدیل می گردد. اصطکاک در دیفیوزر مقداری افت در فشار سكون هوا ایجاد می کند. پس عبور جریان از حلزونی از طریق مجرای خروجی سیال به طرف محفظه احتراق هدایت می شود. با توجه به واگرا بودن این مجرا، فشار هوا افزایش یافته و سرعت آن کاهش می یابد. کمپرسورهایی که دارای یک دیسک ویک دیفیوزر باشند یک مرحله افزایش فشار ایجاد نموده و یک طبقه نامیده می شوند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی پره های روتور کمپرسور گریز از مرکز در نرم افزار انسیس CFX انجام شده است.

هندسه مسئله:

جهت تولید هندسه از نرم افزار BladeGen ANSYS و Vista CCD استفاده شده است. بدین صورت که با داشتن نقاط چند مقطع از هر روتور، آن پره را مدل کرده و تنظیمات لازم برای جهت نوک پره ها و ریشه آنها و همچنین تعداد پره ها اعمال گردید. در این مدلسازی از مختصات بیزیر(Bezier) جهت هموار نمودن هندسه در مقاطع مختلف مورد استفاده قرار گرفته و با ایجاد لایه های بیشتر در راستای شعاعی، پره ها را دقیق تر مدل کرده و شبکه بندی مناسب تری ایجاد شده است.

مش بندی و شبکه:

مرحله بعد از تولید هندسه، ایجاد شبکه محاسباتی می باشد. 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 گرادیا نهای 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 میدهد.

شبیه سازی و حل مسئله:

به منظور شبیه سازی از نرم افزار ANSYS CFX استفاده شده است. نرم افزار CFX ANSYS 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. تحلیل جریان دارای سه مرحله می باشد.

نمونه نتایج: