ΑΚΤΙΝΙΚΟΣ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ. ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ (5 ο Εξάμηνο Σχολής Μηχ.Μηχ. ΕΜΠ) Κυριάκος Χ. Γιαννάκογλου Kαθηγητής ΕΜΠ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών Μονάδα Παράλληλης ης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ (5 ο Εξάμηνο Σχολής Μηχ.Μηχ. ΕΜΠ) Ο ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΚΟΣ ή ΑΚΤΙΝΙΚΟΣ ΣΥΜΠΙΕΣΤΗΣ Κυριάκος Χ. Γιαννάκογλου Kαθηγητής ΕΜΠ kgianna@central.ntua.gr http://velos0.ltt.mech.ntua.gr/research/

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής 3 Αξονική είσοδος (V α ), ακτινική έξοδος (V r ) της ροής. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 3

Ακτινικός Συμπιεστής Ορολογία Μερών Πτερωτή Impeller Επαγωγός Inducer Καθαρά Ακτινικό Τμήμα Shrouded Impeller??? Διαχωριστικά Πτερύγια (Splitter Vanes) Διαχύτης (Diffuser) (Vaned or Vaneless) Σπειροειδές Κέλυφος (Collector, Volute) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 4

Ακτινικός Συμπιεστής Πως Αυξάνει η Στατική Πίεση Θ. Euler στην Πτερωτή + = + = U W h U W h h h tr tr ( ) ( ) + = R W W U U W W h h + = R R U W W W h h Επιβράδυνση Φυγοκέντριση Επιβράδυνση (De Haller) Φυγοκέντριση «Ένα Σενάριο»(α =0 ο ): «Ένα Σενάριο» (α =0 ): W r U r 5 0. 0.7 sin 45 = = = = W U W U β β ο V r U < 0 β + = 4 R R W h h K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 5

Ακτινικός Συμπιεστής Πως Αυξάνει η Στατική Πίεση «Ένα Σενάριο» (α =0 ο ): W r U r β < 0 r Αν R /R =, τότε: h W = R h + 4 R V (επιβράδυνση/αλλαγή ακτίνας) = /3!!!! Στον ακτινικό συμπιεστή, η ανάκτηση στατικής πίεσης (θυμηθείτε Δh=Δp/ρ, p αν ασυμπίεστη & ισεντροπική) οφείλεται κυρίως στην αλλαγή ακτίνας (φυγοκέντριση, Coriolis), παρά στην επιβράδυνση της ροής. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 6

Ακτινικός Συμπιεστής Σύγκριση με Αξονικό Συμπιεστή Ίδιο περίπου βάρος με τον αντίστοιχο ΑξC. Χειρότερη αεροδυναμική απόδοση από ΑξC. (πιο πολύπλοκο πεδίο ροής) Για την ίδια παροχή αέρα, μεγαλύτερη εμβαδόν εμπρόσθιας όψης, άρα μεγαλύτερη οπισθέλκουσα (σε αεροπορικούς κινητήρες). Πιο ασφαλής/στιβαρή (robust) μηχανή (άντληση φυσικού αερίου, ελικόπτερα, τεχνητές καρδιές). ) Μικρότερο μήκος από ΑξC. Πιο ανθεκτικός σε FOD, μικρότερη απώλεια β. απόδοσης από επικαθήσεις. Πιο εύκολο matching με το στρόβιλο, στον αεριοστρόβιλο. Πολύ μεγάλο μγ π C ανά βαθμίδα (8,, ). Οικονομικοί «καθημερινής χρήσης» ΑκτC με πτερύγια από αλουμίνιο. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 7

Ακτινικός Συμπιεστής Πτερωτή (Impeller) Splitter Vanes Διαχωριστικά Πτερύγια K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 8

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής Vaneless Diffuser Διαχύτης χωρίς πτερύγια 3 R V = R V u 3 u3 K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 9

Διατομές που διαρρέει το ρευστό στις θέσεις & ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΤΕΡΩΤΗΣ () ( ) RT RT πr m A = π = b ΕΞΟΔΟΣ ΠΤΕΡΩΤΗΣ () A πr = b b R K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 0

Τρίγωνα Ταχυτήτων (-) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece

Τρίγωνα Ταχυτήτων (-) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 3

Χρήση Στροβιλοϋπερπληρωτή σε μηχανή Diesel ος πίεσης Λόγο Έτος Ο λόγος πίεσης π c του συμπιεστή των στροβιλοϋπερπληρωτών (turbochargers) της εταιρίας ΑΒΒ (παλιό σχήμα). Η αύξηση αντιστοιχεί στην αύξηση του β. απόδοσης της μηχανής από τη χρήση στροβιλοϋπερπλήρωσης. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 4

Στροβιλοϋπερπληρωτής (ΑΒΒ) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 5

Στροβιλοϋπερπληρωτής (ΑΒΒ) Λόγος πίεσ σης συμπιε εστή Χάρτης του συμπιεστή ενός στροβιλοϋπερπληρωτή (turbocharger) της εταιρίας ΑΒΒ. Παροχή όγκου K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 6

Στροβιλοϋπερπληρωτής (αυτοκινήτου) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 7

Στροβιλοϋπερπληρωτής (αυτοκινήτου) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece

Τρίγωνα Ταχυτήτων στην Είσοδο r U T r W T r W H r U H β β H T V r Προσοχή σε ποιο επίπεδο είναι τα δύο αυτά τρίγωνα!!!! K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 4

Μεταβολές p &V σε Φυγοκεντρικό Συμπιεστή K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 5

Τύποι Πτερωτών (με κριτήριο τη β ) Καθαρά ακτινική έξοδος (radial/straight blades) Εύκολη, φτηνή κατασκευή. Οπισθοκλινή Πτερύγια (Backward leaned) Καλύτερη απόδοση από τα ίσια. Μεγαλύτερο κόστος κατασκευής. Εμπροσθοκλινή ήπτερύγια (Forward dleaned) Όχι συχνή χρήση, λόγω δυναμικής αστάθειας..αποτελεί απόφαση του σχεδιαστή.. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 6

Πτερύγια με καθαρά ακτινική έξοδο U r V r W r β 0 = ω K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 7

Πτερύγια με οπισθόκλιση U r V r W r β 0 < ω K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 8

Πτερύγια με εμπροσθόκλιση U r V r W r β 0 > ω (υπό παραδοχές) λιγότερη επιβράδυνση W W /W η K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 9

Στην πράξη K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 30

Περί κλίσης πτερυγίων στη θέση Ψ β > 0 β = 0 β β < 0 Φ Εμπροσθοκλινή Πτερύγια (Forward leaned) Καθαρά ακτινική έξοδος (radial/straight blades) Οπισθοκλινή Πτερύγια (Backward leaned) Δ h t = U Vu U Vu = U Vu = U ( U + Wu ) = U + U Vr tan β Ο ρυθμός μείωσης του λόγου πίεσης με την αύξηση της παροχής είναι ενδεικτικός παράγοντας ευστάθειας. K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 3

Ερώτηση Ποιος από τους δύο ακτινικούς συμπιεστές έχει οπισθόκλιση;;; Ψ Φ K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 3

Ερώτηση Διαχύτης (-3) με ή όχι πτερύγια; Ποιος ο vaned και ποιος ο vaneless diffuser ;;; (c p = συντελεστής ανάκτησης πίεσης) c p c p p 3 p = pt p «καλές» τιμές: 0.50 ως 0.70 40 o 50 o 60 o 70 o Max. εύρος λειτουργίας vs. a max. ανάκτηση πίεσης στο διαχύτη K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 33

Η Ροή στο Διαχύτη με Πτερύγια Η ροή στο διαχύτη (με πτερύγια) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 34

Η Ροή στην Έξοδο της Πτερωτής (Θέση ) Δέσμη Ομόρρους K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 35

Ολίσθηση (Slip) W u W u r W W r β β U r U V u V u V r r V Τρίγωνο ταχυτήτων για «άπειρα πτερύγια» = διακεκομμένη γραμμή Πραγματικό τρίγωνο ταχυτήτων = συνεχής γραμμή K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 36

Ολίσθηση (Slip) Παράγοντας Ολίσθησης (slip factor): = u V V σ V u Παράγοντας Ολίσθησης (slip velocity): 0 W W V V V 0 > = = u u u u us W W V V V Για αξονική είσοδο της ροής (α =0 ο ): ( ) tan β r u u t V U U W U U V U h + = + = = Δ ή ( ) ( ) tan β σ σ σ + = + = = = Δ r u u u t V U U W U V U V U h K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 37

Ολίσθηση (Slip) Παράγοντας Ολίσθησης Εμπειρική σχέση Stanitz: σ = 0.63 π n + Φ tan β όπου n ο αριθμός των πτερυγίων και Φ = V r U K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 38

Χαρακτηριστικές Λειτουργίας Ακτινικού Συμπιεστή Αδιάστατες χαρακτηριστικές ποσότητες: Φ = V a U Ψ = Δh t U Γενικά: Ευρύτερη περιοχή λειτουργίας από ότι οι ΑξC. Λειτουργία σε μεγαλύτερο εύρος παροχών Πάνω όριο παροχής = ηχητικός στραγγαλισμός (choking) Κάτω όριο παροχής = ασταθής λειτουργία K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 39

Χαρακτηριστικές Λειτουργίας Ακτινικού Συμπιεστή K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 40

Μηχανικές διατάξεις σε αεριοστροβίλους Ελικοφόρος Στροβιλοαντιδραστήρας με διβάθμιο φυγοκεντρικό συμπιεστή απλής εισόδου (του αέρα) ) K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 4