ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ"

Πρόκρις Παπανδρέου
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Υπεύθυνος: Επικ. Καθηγητής Δρ. Α. ΦΑΤΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 5 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Χαρακτηριστικά Συμπιεστή Στροβιλοκινητήρων Σελίδα 1 από 8

2 ΑΣΚΗΣΗ 5: Χαρακτηριστικά Συμπιεστών Στροβιλοκινητήρων Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τη μέτρηση χαρακτηριστικών μεγεθών συμπιεστή (β) Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας συμπιεστών στροβιλοκινητήρων (γ) Τους υπολογισμούς βασικών μεγεθών που μετρούν την απόδοση συμπιεστών (δ) Τη σύγκριση θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων που διέπουν τη λειτουργία συμπιεστή αεριοστροβίλου. Α. Θεωρητικό Μέρος 1. Γενικές Αρχές Λειτουργίες Συμπιεστή Σχήμα 1: Αξονικός στροβιλοκινητήρας Η λειτουργία του συμπιεστή είναι το να αναρροφά τον αέρα του περιβάλλοντος στην είσοδο του και να τον συμπιέζει στην έξοδο του. Αυτό σημαίνει ότι κατά μήκος των πτερυγίων του συμπιεστή αυξάνεται η πίεση του αέρα. Υπάρχουν δύο είδη συμπιεστών που συναντώνται σε αεριοστρόβιλους: ο συμπιεστή φυγοκεντρικής ροής και ο συμπιεστής αξονικής ροής. Και οι δύο τύποι παίρνουν κίνηση από τον στρόβιλο μέσω κατάλληλου άξονα. Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής όπως αυτός που φαίνεται στο σχήμα 2, είναι ένα συγκρότημα μίας ή δύο βαθμίδων. Κάθε βαθμίδα χρησιμοποιεί ένα στροφείο ή φτερωτή (impeller) για να επιταχύνει τον αέρα και έναν διαχύτη (diffuser) για να επιτύχει την απαιτούμενη αύξηση της πίεσης. Ο αξονικός συμπιεστής όπως αυτός που φαίνεται στο σχήμα 5 είναι ένα συγκρότημα πολλών βαθμίδων, που χρησιμοποιεί διαδοχικές σειρές περιστρεφόμενων και σταθερών πτερυγίων, για να επιταχύνει και να συμπιέσει διαδοχικά τον αέρα μέχρι την επιθυμητή πίεση. Ο φυγοκεντρικός συμπιεστής είναι γενικά πιο ισχυρής κατασκευής και κατασκευάζεται πιο εύκολα. Ο αξονικός συμπιεστής όμως αναρροφά πολύ μεγαλύτερη μάζα αέρα για δεδομένη μετωπική επιφάνεια και μπορεί να σχεδιασθεί για μεγαλύτερους βαθμούς συμπίεσης. Η δυνατότητα εισαγωγής μεγαλύτερης ποσότητας αέρα σημαίνει ικανότητα παροχής μεγαλύτερης ώσης. Η επίτευξη μεγαλύτερου βαθμού συμπίεσης εξάλλου σημαίνει μεγαλύτερη απόδοση λειτουργίας, δηλαδή μικρότερη ειδική κατανάλωση. Σελίδα 2 από 8

3 Τα κύρια τμήματα του συμπιεστή είναι το σύστημα εισαγωγής αέρα, το στροφείο και οι διαχύτες. Ο άξονας του συμπιεστή περιστρέφεται σε τριβείς κυλίσεως και είναι ολόσωμος μέχρι τον στρόβιλο ή σε δύο τμήματα, που ενώνονται με ειδικό προσαρμογέα, σχεδιασμένο για εύκολη αποσύνδεση. Το στροφείο αποτελείται από ένα σφυρήλατο δίσκο με ολόσωμα ακτινικά πτερύγια στην μία ή και στις δύο πλευρές που σχηματίζουν αποκλίνοντες αγωγούς. Η εκλογή του στροφείου καθορίζεται από τις απαιτήσεις σχεδίασης του κινητήρα, αλλά ισχύει γενικά, ότι η απλή εισαγωγή αέρα επιτρέπει την αναρρόφηση με την καλύτερη απόδοση σε όλες τις συνθήκες. Αυτή η εισαγωγή εκμεταλλεύεται το αποτέλεσμα της ταχύτητας εισαγωγής καλύτερα από την διπλή εισαγωγή και έτσι παρουσιάζει μικρότερο κίνδυνο απώλειας στήριξης σε μεγάλο ύψος. Στην διπλή εισαγωγή επίσης δημιουργείται μία μικρή αύξηση θερμοκρασίας. Παρ όλα αυτά η χρησιμοποίηση διπλού στροφείου επιτρέπει την εισαγωγή δεδομένης μάζας αέρα με μικρότερη διάμετρο απ ότι το απλό στροφείο και αυτό σημαίνει τελικά μεγαλύτερη διάμετρο του όλου κινητήρα. Σχήμα 2: Τυπικά στροφεία φυγοκεντρικού συμπιεστή. Απλής εισόδου (επάνω δεξιά) Διπλής εισόδου (κάτω αριστερά) Ο αξονικός συμπιεστής είναι ένα συγκρότημα με πολλές βαθμίδες επειδή η εργασία (αύξηση της πίεσης) από κάθε μία είναι μικρή. Μία βαθμίδα αποτελείται από μία Σελίδα 3 από 8

4 σειρά περιστρεφόμενων πτερυγίων, που ακολουθείται από μία σειρά σταθερών. Μερικοί συμπιεστές έχουν μία πρόσθετη σειρά σταθερών πτερυγίων που ονομάζονται πτερύγια εισόδου ή οδηγά πτερύγια για να κατευθύνουν τον αέρα προς την πρώτη βαθμίδα. Ένας ανεμιστήρας (fan) μπορεί να προστεθεί στο μπροστινό μέρος ενός απλού ή διπλού συμπιεστή. Τότε ο ανεμιστήρας κινείται στις ίδιες στροφές, με τον συμπιεστή με τον οποίο συνδέεται. Το στροφείο μπορεί να είναι ένα ολόσωμο τύμπανο ή συναρμογή δίσκων ή συνδυασμός των δύο αυτών τύπων. Στην πρώτη περίπτωση το στροφείο αποτελείται από ένα σφυρηλατημένο τύμπανο σε ένα ή δύο τμήματα, πάνω στο οποίο ασφαλίζονται τα κινητά πτερύγια. Στην δεύτερη περίπτωση κάθε σειρά πτερυγίων ασφαλίζεται σε ιδιαίτερο δίσκο, που προσαρμόζεται στον άξονα και ξεχωρίζει από τους άλλους με ανεξάρτητα ή ολόσωμα δακτυλίδια. Στην περίπτωση του τυμπάνου, οι περιοχές του δίπλα στις ρίζες των πτερυγίων πρέπει να παραλαμβάνουν και τα αξονικά και τα ακτινικά φορτία. Στην περίπτωση του στροφείου με δίσκους, το ακτινικό φορτίο παραλαμβάνεται από τους δίσκους και το αξονικό από τους διαστημοδακτυλίους. Η συνολική ώση παραλαμβάνεται από το άκρο του τυμπάνου στην πρώτη περίπτωση ή από τους τελευταίους δίσκους στην δεύτερη. Τα κινητά πτερύγια έχουν σχήμα αεροτομής και συνήθως σχεδιάζονται, ώστε να δίνουν μια κατάλληλη κατανομή πίεσης κατά μήκος τους (ακτινικά), ώστε η ροή του αέρα να έχει ομοιόμορφη αξονική ταχύτητα. Η υψηλότερη πίεση στην περιοχή των ακροπτερυγίων αντισταθμίζει τις φυγοκεντρικές δυνάμεις, που η περιστροφή των πτερυγίων επιβάλλει στον αέρα. Αυτό το αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με την συστροφή των πτερυγίων από την ρίζα προς το ακροπτερύγιο, ώστε να επιτυγχάνεται η κατάλληλη γωνία σφήνωσης σε κάθε σημείο. Το μήκος των πτερυγίων μεταβάλλεται από μπροστά προς τα πίσω. Τα μπροστινά πτερύγια είναι μεγαλύτερα. Σχήμα 3: Ονοματολογία πτερύγωσης στροβιλοκινητήρα Τα πτερύγια του στάτη έχουν επίσης σχήμα αεροτομής, και στηρίζονται ή απ ευθείας στο περίβλημα ή σε ειδικούς συγκρατητικούς δακτύλιους, που στηρίζονται στο Σελίδα 4 από 8

5 περίβλημα. Τα πτερύγια πολλές φορές στηρίζονται σε ομάδες στις πρώτες βαθμίδες ή έχουν ενισχυτικό δακτύλιο στα ακροπτερύγια, για να μειώσουν τους κραδασμούς, που μπορεί να δημιουργηθούν από μεταβολές της ροής (λόγω του μεγάλου μήκους τους). Είναι επίσης απαραίτητη η ασφάλιση των σταθερών πτερυγίων για να αποφευχθεί περιφερειακή μετακίνηση τους στο περίβλημα. Γενικά τα υλικά διαλέγονται από τον κατασκευαστή, ώστε να παρουσιάζουν αντοχή στη γήρανση, που μπορεί να παρουσιασθεί στις πιέσεις και θερμοκρασίες λειτουργίας. Επίσης παίρνονται σοβαρά υπόψη, το μικρό βάρος και η αντοχή σε περίπτωση αναρρόφησης ξένων σωμάτων. Τα σταθερά και κινητά πτερύγια του συμπιεστή κατασκευάζονται από κράμα αλουμινίου, χάλυβα ή τιτάνιο ανάλογα με τη θέση τους και τις θερμοκρασίες λειτουργίας τους. Σε μερικές περιπτώσεις κατασκευάζονται πτερύγια χαμηλών θερμοκρασιών από συνθετικά υλικά που είναι πιο ελαφρά. Σχήμα 4: Βαθμίδα πτερυγίων συμπιεστή Σελίδα 5 από 8

6 Σχήμα 5: Τυπικοί αξονικοί συμπιεστές(μονού και διπλού άξονα) Σελίδα 6 από 8

7 2. Υπολογισμοί Χαρακτηριστικών Συμπιεστή 1. Λόγος συμπίεσης στον συμπιεστή P P 2 r C = (αδιάστατη ποσότητα) 1 1(α) Ισεντροπική Απόδοση Συμπιεστή επί τοις % n C = T 2C T T r γ 1 γ C 1 100%, (αδιάστατη ποσότητα) όπου γ = 1. 4 για τον αέρα. 1(β) Η ισεντροπική (θεωρητική) θερμοκρασία στην έξοδο του συμπιεστή υπολογίζεται από την εξίσωση: T 2is T γ 1 ( r ) γ 2is = C T1 C όπου γ = 1. 4 για τον αέρα. 2. (α) Μαζική Παροχή Αέρα ΔP P1 m a = Kg / s T όπου το 1 Δ P είναι μετρημένο σε mbar, το σε bar και το T σε Κ. P (β) Διορθωμένη μαζική παροχή αέρα (αναγωγή στις συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που έγινε το πείραμα) Ta m ac = m a Kg / s Pa όπου η θερμοκρασία περιβάλλοντος Ta είναι σε Κ και η πίεση περιβάλλοντος Pa σε bar. 3. Θεωρητική ισχύς που προσδίδεται στον συμπιεστή ( T T ) WC mac CPA 2C = Watt όπου C PA = 1000 J / Kg K Σελίδα 7 από 8

8 Β. Πρακτικό Μέρος 1. Για κάθε ένα από τα σετ μετρήσεων που πήρατε: (α) Υπολογίστε τα μεγέθη που παρουσιάζονται στις εξισώσεις (1α) και (1β), (2), (3) της σελίδας 7 της Εργαστηριακής Άσκησης. (β) Να κάνετε το διάγραμμα του λόγου συμπίεσης του συμπιεστή (, εξίσωση (1), m ac T σελ. 7) σε συνάρτηση με την αδιάστατη παροχή μάζας αέρα, που είναι. P 1 (γ) Να κάνετε το διάγραμμα της θεωρητικής ισχύος που προσδίδεται στον συμπιεστή (, εξίσωση (3), σελ. 7) σε συνάρτηση με την αδιάστατη παροχή μάζας αέρα, που W C m ac T είναι. P 1 (δ) Έχοντας δεδομένο από τις πειραματικές μετρήσεις τον λόγο συμπίεσης επιτυγχάνεται στον συμπιεστή και τη θερμοκρασία εισόδου ισεντροπική θερμοκρασία στην έξοδο του συμπιεστή μετρημένη γιατί; T 2C r C που, υπολογίστε την και συγκρίνετε την με τη φτιάχνοντας σχετικό πίνακα. Ποια από τις δύο είναι μεγαλύτερη και T 2is T r C Σχήμα 6: Ισεντροπική και πραγματική διεργασία συμπίεσης Σελίδα 8 από 8

Σχετικά έγγραφα

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ 7 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΡΜΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Υπεύθυνος: Επικ. Καθηγητής Δρ. Α. ΦΑΤΣΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ