X
تبلیغات
رایتل

Aviation Technology

تکنولوژی هوایی

نگاهی مختصر بر توربین موتور جت و نحوه خنک کاری آن

مقدمه

توربین دستگاهی است که از گازهای خروجی انرژی استخراج کرده و آن را به کار مکانیکی تبدیل میکند و قدرت حاصله را صرف گرداندن موتور کمپرسور-ملخ فن و سایر بخش ها می کند در این مبحث به اختصار در مورد شرایط کاری توربین موتور جت متریال و نحوه خنک کاری توربین شرخ داده خواهد شد.
Environment And Failure Modes

توربین موتور جت در شرایط کاری ویژهایی فعالیت داردکه در این شرایط باید بتواند از Performance خوبی برخوردار باشدعواملی که باعث می شود توربین کارایی مطلوب را نداشته باشد.                                         1 -high temperature                     2-  high stress                 3- high turbine                       مجموع این 3 عامل میتواند باعث صدمه زدن به turbine blade  و حتی موتور بشود از این رو باید turbine blade  و مجموعه توربین طوری طراحی شود که در برابر این شرایط مقاومت مطلوب را داشته باشد. 
Material

با توجه به توصیف شرایط کاری توربین لازم است از متریال هایی استفاده شود که در برابر درجه حرارت زیاد استرس های حاصل از نیرئوهای گریز از مرکز و لرزش مقاومت لازم دا داشته باشد.
Nozzle guide vane جنس این تیغه ها از آلیاژ نیکل بوده در موتورهای مدرن این تیغه ها را با مواد نسوز می پوشانند تا مقاومت آنها در برابر حرارت زیاد شود. 
Tutbine blade جنس تیغه ها از آلیاژ معروف  nimonic میباشد این آلیاژدر گروه سوپر آلیاژ ها و از خانواده نیکل بوده که در مقابل حرارت و   creep مقاومت بالا دارد علاوه بر آن باید آلیاژ Tutbine blade ضد زنگ بوده و در مقابل اکسیداسیون و لرزش مقاوم باشد در بعضی از موتور ها در آلیاژتیغه ها از سرامیک استفاده میکنند تا در برابر حرارت مقاومت بیشتری داشته باشد که این نوع آلیاژها را سرامیت میگویند.
Turbine Disc – turbine Shaft- این دوقطعه اساسی هم از آلیاژ مقاوم فولاد ساخته شده اند.
 
Turbine Cooling

هنگامی که موتور روشن است مقداری از حرارت گازها به قسمت های خارجی و قطعات تاثیر می گذارد به منظور جلوگیری از داغ شدن بیش از حد این قطعات باید آنها را به طریق مناسبی خنک کرد تا به قطعات دراثر حرارت آسیب وارد نشود و توربین از کارایی مطلوب برخوردار باشد. و لذا باید توربین موتور جت  به روش های مختلف که به اختصار معرفی خواهد شد خنک کاری شود خنک کاری توربین میتواند به وسیله هوا (Air) و به روش Liquid Cooling  باشد در نگاه اول Liquid Cooling   میتواند روش موثرتری به نظر آید زیرا دارای ظرفیت گرمایی بالا و خنک کاری بهتری میباشد اما دارای مشکلاتی میتواند باشد از جمله Leakage – corrosion  و ... از این رو به سراغ Air  خواهیم رفت مقدار هوای موردنیاز برای این منظور 1 تا 3 درصد از جریان هوای اصلی میباشد که این جریان هوا میتواند Blade Temperature  را 200 تا 300 درجه سانتیگراد کاهش دهد.روش های زیادی برای خنک کاری  Blade توربین وجود دارد از جمله آنها            Convection Cooling – Film cooling – Cooling effusion – Pin fin cooling transpiration cooling این روش ها به دو روش کلی External cooling  و Internal cooling تقسیم خواهد شد این روش ها در عمل با هم تفاوت هایی دارند اما در همه آن ها عنصر اصلی هوا (Air) می       باشدکه در اغلب آن ها  از هوای کمپرسور پر فشار استفاده می شود .

خنک کاری قسمت های خارجی موتور External cooling

به قسمت خارجی اطلاق می شود مانند پوسته توربین کمپرسور و متعلقات  برای خنک کاری این قسمت ها از هوای اتمسفر استفاده می شود بدین طریق که هوای اتمسفر از طریق سوراخ های که روی   Cowingموتور تعبیه شده جریان یافته و پس از جذب گرما به اتمشفر وارد می شود این روش اولا سبب خنک کاری ثانیا باعث فرستاده شدن بخارات به بخارات به خارج و کاهش خطر آتش سوزی می شود .

خنک کاری قسمت های داخلی موتور Internal cooling

به قسمت های داخلی اطلاق می شود اعم از Nozzle guide vane- Turbine blade- Turbine Disc
و غیره ......روش خنک کاری تیغه های ثابت توربین معمولا بدین شکل است که مقداری از هوای خروجی از کمپرسور به مجاری داخلی تیغه ها هدایت شده این هوا بطور ممتد درون تیغه ها جریان دارد هوا از مجاری بالا و پایین وارد تیغه ها شده و از قسمت لبه فرار آن ها خارج می شود با این روش تیغه ها بطور نسبی خنک شده و اثر حرارت را بر آلیاژ کاهش می دهد .

Turbine blade-تیغ های دوار توربین هم مانند تیغه های ثابت به همان شکل خنک شده بدین گونه که هوای کمپرسور از ریشه وارد تیغه ها وارد مجاری داخلی شده و از نوک آن ها خارج می شود و با گازها مخلوط شده و وارد سیستم اگزوز می شود قابل توجه است که هوا بطور پیوسته درون مجاری داخلی تیغه ها جریان دارد.

Turbine Disc- دار اغلب موتور های جت دسیک ها توسط هوای کمپرسور خنک میشود بدین گونه که که هوا در دو طرف دیسک از مرکز به طرف محیط آن جریان یافته و سپس با گازها مخلوط شده و وارد سیستم اگزوز می شود .

روش های دیگری که در بعضی از موتور ها برای خنک کاری استفاده می شود که عمدتا شبیه موارد توضیح داده شده هستند را به اختصار توضیح خواهیم داد.

Convection Cooling-در این روش هوای کمپرسور از قمست ریشه وارد مجاری تیغه شده و پس از جذب گرما از قسمت نوک وارد جریان هوای اصلی شده در این روش روزنه های داخلی می تواند به دو شکل دایره ای و بیضی شکل باشد برای این روش مساحت سطح داخلی بزرگ مطلوب است .

Film cooling- یکی از روش های اصلی می باشد بدین گونه که به وسیله پمپ کردن هوای خنک به داخل سوراخ های کوچکی در Blade این هوا لایه نازکی از هوای خنک را اطراف Blade ایجاد میکند که از هوای داغ محافظت کند این سوراخ ها میتواند در نقاط مختلفی باشد ولی بیشتر در اطراف لبه حمله هستند.
Cooling effusion- سطح تیغه در این روش از مواد porous material که به معنتی داشتن تعداد نا محدودی سوراخ کوچک روی سطح Blade است ساخته شده هوای خنک وارد این منافظ شده و تشکیل یه لایه از هوای سرد را می دهد که باعث خنک شدن Blade بطور یکنواخت می شود.

Pin fin cooling- در منطقه کم ضخامت   Trilling edge استفاده می شود به منظور افزایش انتقال حرارت از Blade و افزایش Cooling efficiency
 
transpiration cooling-این روش شبیه روش Film cooling است که لایه ای از هوای خنک دور Blade تشکیل می دهد اما تفاوت آن در این است که هوا تزریق میشد داخل سوراخ های پوسته متخلل این نوع cooling موثر تر است در دما های بالا بطوری که کل سطح تیغه بطور یکنواخت با هوای خنک پوشش داده می شود.

Active clearance control sys

این سیستم در بیشتر هواپیماهای جدید برای خنک کردن Turbine case استفاده می شود بطوریکه با استفاده از هوای خنک فن کیس توربین خنک شده و باعث کاهش clearance بین نوک تیغه های توربین و کیس می شود و باعث افزایش efficiency توربین می شود هوای خنک تزریق شده در پوسته توربین باعث Contract(منقبض شدن) کیس می شود چون در حالت عادی که موتور در حال Operation است کیس توربین Expend ( منبسط ) می شود که این منقبض شدن  و باعث کاهش clearance بین نوک تیغه و پوسته می شود و در نتیجه از  فرار گازها جلوگیری می شود که تاثیر بسزایی در  Performanceموتور دارد.
در Airbus-A310  چند Valve برای cooling موتور وجود دارد 
(CCCV ) Compressor core cooling valve یک عدد است و برای خنک کاری کمپرسور و محفظه احتراق بکار گرفته می شود .
(TCCV) Turbine core compartment valve دو عدد هستند و برای خنک کاری توربین استفاده میشود در ارتفاعات بالا باز می شوند و به خنک کاری توربین کمک می کنند.

تاریخ ارسال: سه‌شنبه 19 شهریور‌ماه سال 1392 ساعت 14:02 | نویسنده: امیر سمعیی | چاپ مطلب 1 نظر