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 ΑΣΚΗΣΗ 7 ΣΤΡΟΒΙΛΟΚΙΝΗΤΗΡΩΝ Χαρακτηριστικά Στροβίλων Στροβιλοκινητήρων Σελίδα 1 από 12

ΑΣΚΗΣΗ 7: Χαρακτηριστικά Στροβίλων Στροβιλοκινητήρων Σκοπός της Άσκησης: Το να μάθει ο σπουδαστής: (α) Τη μέτρηση χαρακτηριστικών μεγεθών στροβίλου. (β) Τα χαρακτηριστικά λειτουργίας στροβίλων στροβιλοκινητήρων (γ) Τη σύγκριση θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων που διέπουν τη λειτουργία στροβίλου αεριοστροβίλου. Α. Θεωρητικό Μέρος 1. Γενικές Αρχές Λειτουργίες Στροβίλων Στροβιλοκινητήρων Ο πρωταρχικός σκοπός του στροβίλου (turbine) σε έναν αεριωθούµενο κινητήρα είναι να παρέχει την απαιτούµενη ισχύ για την περιστροφή του συµπιεστή. Συµπληρωµατικά, ο στρόβιλος εξασφαλίζει την κίνηση των παρελκοµένων (accessories). Στον ελικοστρόβιλο και τον αξονοστρόβιλο κινητήρα, ο στρόβιλος δίνει κίνηση και στον έλικα. Η ισχύς που παρέχει ο στρόβιλος κατά τη λειτουργία του µπορεί να πάρει τιµές της τάξης των 50.000 ΗP. Η ισχύς αυτή λαµβάνεται από την ενέργεια των εξερχόµενων, από το θάλαµο καύσης, καυσαερίων ένα και µόνο πτερύγιο του στροβίλου µπορεί να παράγει ισχύ έως και 250 HP. Σχήμα 1: Ακτινικός στρόβιλος Σελίδα 2 από 12

Σχήμα 2: Αξονικός στρόβιλος και πτερύγια στροβίλου Ο στρόβιλος έχει σαν σκοπό να παρέχει την ισχύ που χρειάζεται ο συμπιεστής και τα παρελκόμενα για την κίνηση τους. Ο στρόβιλος παραλαμβάνει αυτό το έργο από τα καυσαέρια που εξέρχονται από τον θάλαμο καύσης, κατά την εκτόνωση τους μέσα του. Έτσι από υψηλή πίεση και θερμοκρασία που έχουν τα καυσαέρια καθώς εξέρχονται από τον θάλαμο καύσης, περνώντας μέσα από τον στρόβιλο μειώνεται η πίεση και η θερμοκρασία τους και με τον τρόπο αυτόν η ενεργειακή κατάσταση (δηλ. η ενθαλπία) των καυσαερίων μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια περιστρέφοντας τα στροφεία του στροβίλου. Κατά την διαδικασία αυτή δημιουργούνται υψηλές θερμικές τάσεις. Ακόμη στους κινητήρες, που δεν χρησιμοποιούν για την πρόωση τους μόνο ρεύμα καυσαερίων, χρησιμεύει για την παροχή ισχύος σε μία έλικα ή ένα στροφείο (σχήμα 3). Η θερμοκρασία εισόδου των καυσαερίων φθάνει από 700 έως 1200 C και η ταχύτητα τους μέχρι 600 m/s σε μερικά σημεία του στροβίλου. Σχήμα 3: Στρόβιλος τριών βαθμίδων με ένα άξονα Για να παραχθεί η στρεπτική ροπή, ο στρόβιλος αποτελείται από αρκετές βαθμίδες εκτόνωσης, από τις οποίες η κάθε μια αποτελείται από μια σειρά σταθερών οδηγών πτερυγίων και μια σειρά κινητών πτερυγίων. Ό αριθμός των βαθμίδων εξαρτάται από τον αριθμό των αξόνων του κινητήρα και την σχέση ανάμεσα στην απαιτούμενη αφαίρεση ισχύος από τα καυσαέρια, την απαιτούμενη περιστροφική ταχύτητα και την επιτρεπόμενη διάμετρο του στροβίλου. Εν τούτοις με την επίτευξη και χρησιμοποίηση αεροστροβίλων με υψηλούς βαθμούς συμπίεσης, υπάρχει η τάση να αυξάνεται ο αριθμός των βαθμίδων. Σελίδα 3 από 12

Η σχεδίαση των οδηγών πτερυγίων και των διόδων μεταξύ των πτερυγίων του στροβίλου βασίζεται σε αεροδυναμικούς υπολογισμούς. Για επίτευξη μέγιστης δυνατής απόδοσης ανάλογης προς την σχεδίαση συμπιεστού και στροβίλου, τα σταθερά και κινητά πτερύγια έχουν διατομή σχήματος αεροτομής (σχήματα 4, 5). Η σχέση και η θέση αυτών των πτερυγίων είναι τέτοια, ώστε ο στρόβιλος να λειτουργεί μερικά σε συνθήκες δράσης και μερικά σε συνθήκες αντίδρασης. Σχήμα 4: Κινητά πτερύγια τύπου (α) δράσης, (β) αντίδρασης Δηλαδή τα πτερύγια του στροβίλου υφίστανται μια δύναμη δράσης από την αρχική πρόσπτωση των καυσαερίων πάνω τους και μία δύναμη αντίδρασης, που προκαλείται από την εκτόνωση των αερίων μέσω των διόδων των πτερυγίων. Με ένα στρόβιλο δράσης (impulse turbine) η ολική πτώση πίεσης για κάθε βαθμίδα συμβαίνει μόνο στα οδηγά πτερύγια και η επίδραση στα κινητά οφείλεται μόνο στην ορμή των καυσαερίων. Σελίδα 4 από 12

Σχήμα 5: Ονοματολογία πτερυγίων στροβίλου Με ένα στρόβιλο αντίδρασης (reaction turbine) όμως, η ολική πτώση πίεσης συμβαίνει μέσω των διόδων των κινητών πτερυγίων. Τα σταθερά και κινητά πτερύγια παρουσιάζουν μία συστροφή από την ρίζα προς τα άκρα τους. Έχουν δηλαδή μια γωνία πρόσπτωσης μεγαλύτερη στα άκρα, απ ότι στην ρίζα. Ο λόγος ύπαρξης αυτής της συστροφής, είναι για να εξασφαλίσει ίση απόδοση έργου από τα καυσαέρια σ όλο το μήκος κάθε πτερυγίου και επίσης για την εξασφάλιση αξονικής ταχύτητας εκροής προς την εξαγωγή. Σελίδα 5 από 12

Τα βασικά τμήματα ενός στροβίλου είναι: - Τα ακροφύσια εξαγωγής από τον θάλαμο καύσης - Το περίβληµα (casing), το οποίο περιβάλλει τα σταθερά πτερύγια και τα περιστρεφόμενα πτερύγια. Συνήθως, φέρει φλάντζες στα δύο του άκρα για τη σύνδεση του τµήµατος του στροβίλου µε τα τµήµατα του θαλάµου καύσης και του ακροφυσίου εξαγωγής. - Τα σταθερά οδηγά πτερύγια, - Οι δίσκοι του στροβίλου και - Τα κινητά πτερύγια. Το περιστρεφόμενο τμήμα στηρίζεται σε τριβείς κύλισης, που στερεώνονται στο περίβλημα του στροβίλου και ο άξονας μετάδοσης ισχύος προς τον συμπιεστή μπορεί να είναι μονοκόμματος ή ξεχωριστός. Στη δεύτερη περίπτωση συνδέεται με τον άξονα του συμπιεστού μέσω ενός άξονα, που ευθυγραμμίζεται μόνος του. Τα σταθερά πτερύγια έχουν σχήμα αεροτομής και η δίοδος μεταξύ δυο γειτονικών πτερυγίων σχηματίζει συγκλίνοντα αγωγό. Τα πτερύγια στερεώνονται στο περίβλημα με τρόπο, που επιτρέπει την επιμήκυνση, λόγω υψηλής θερμοκρασίας (creep). Τα σταθερά πτερύγια συνήθως είναι κοίλα και μπορούν να ψύχονται με τη δίοδο μέσω αυτών αέρα από τον συμπιεστή, για να μειωθούν έτσι, τα αποτελέσματα από τις υψηλές θερμοκρασιακές τάσεις. Ο δίσκος του στροβίλου είναι σφυρήλατος με ολόσωμο άξονα ή με μια κατάλληλη διαμόρφωση, όπου δένει ο άξονας. Στη περιφέρεια του δίσκου υπάρχει πρόβλεψη για τη στερέωση των πτερυγίων. Για μείωση της απαγωγής θερμότητας από τα πτερύγια προς τον δίσκο, δημιουργείται κατάλληλα μια ροή ψυκτικού αέρα και στις δύο πλευρές κάθε δίσκου. Σελίδα 6 από 12

Σχήμα 6: Σταθερά πτερύγια στροβίλου Τα κινητά πτερύγια έχουν επίσης σχήμα αεροτομής, που δεν ανήκει όμως τις πιο πολλές φορές σε κάποια συγκεκριμένη κατηγορία. Ο σκοπός είναι να δημιουργηθούν ανάμεσα σε γειτονικά πτερύγια κατάλληλοι δίοδοι, που θα προσδίδουν σταθερή επιτάχυνση της ροής μέχρι το στενότερο μέρος, όπου η ταχύτητα παίρνει την τιμή, που χρειάζεται για δημιουργία της επιθυμητής αντίδρασης. Η πραγματική επιφάνεια της τομής κάθε πτερυγίου καθορίζεται από την επιτρεπτή τάση του υλικού, που χρησιμοποιείται, και λόγω του μεγέθους των οπών, που πιθανά χρησιμοποιούνται για λόγους ψύξης. Για επίτευξη υψηλής απόδοσης απαιτούνται λεπτά άκρα πτερυγίων, αλλά γίνεται ένας συμβιβασμός, ώστε να αποφευχθούν ρωγμές και θραύσεις κατά τις θερμοκρασιακές αλλαγές στην εκκίνηση και το σβήσιμο. Η βαθµίδα του στροβίλου αποτελείται από: Μία σειρά σταθερών πτερυγίων (vanes), γνωστά και ως στάτορας ή στάτης (stator), τα οποία ακολουθούνται από Μία σειρά κινητών πτερυγίων (blades), γνωστά και ως ρότορας (rotor) ή στροφείο. Ο αριθµός των βαθµίδων και των στροβίλων που τοποθετούνται στο στρόβιλο εξαρτάται από τους ακόλουθους παράγοντες: Τον αριθµό των αξόνων που θα χρησιµοποιηθούν για τη σύνδεση του συµπιεστή µε το στρόβιλο. Το ποσό της ενέργειας που θα εξαχθεί από τα καυσαέρια και την απαιτούµενη ισχύ. Τον αριθµό των στροφών λειτουργίας (RPM). Τη µέγιστη διάµετρο την οποία µπορεί να λάβει το στροφείο του στροβίλου, και Τις θερµοκρασίες και πιέσεις στην είσοδο και την έξοδο του στροβίλου. Σελίδα 7 από 12

Οι αεριοστρόβιλοι που λειτουργούν µε υψηλούς λόγους συµπίεσης χρειάζονται πολυβάθµιους στρόβιλους. Επίσης, ο αριθµός των αξόνων που χρησιµοποιούνται θα καθορίσει και τον αριθµό των βαθµίδων που θα χρησιµοποιηθούν στο ή στους στρόβιλους. Η διάµετρος των πολυβάθµιων στροβίλων αυξάνεται κατά την κατεύθυνση της ροής των καυσαερίων καθώς µειώνεται η ταχύτητα και η πίεση των τελευταίων. Στο σχήμα 7 φαίνεται στρόβιλος µονού άξονα µε τρεις βαθµίδες. Σχήμα 7: Τριβάθμιος στρόβιλος μονού άξονα Στην περίπτωση λειτουργίας του αεριοστρόβιλου µε δύο συµπιεστές, όπως φαίνεται στο σχήµα 8 χρησιµοποιούνται δύο στροφεία στροβίλων. Ο στρόβιλος υψηλής πίεσης κινεί το συµπιεστή υψηλής πίεσης. Συνήθως είναι µονοβάθµιος αφού είναι ο πρώτος που λαµβάνει τα καυσαέρια από το θάλαµο καύσης τα οποία περιέχουν πολύ µεγάλη ενέργεια. Ο στρόβιλος χαµηλής πίεσης κινεί το συµπιεστή χαµηλής πίεσης. Αυτός δέχεται τα καυσαέρια µετά την εκτόνωσή τους στο στρόβιλο υψηλής πίεσης, οπότε απαιτείται µεγαλύτερος αριθµός πτερυγίων για την επίτευξη ισχύος. Έτσι, στο στρόβιλο αυτό χρησιµοποιούνται περισσότερες από µία βαθµίδες δύο ή τρεις ανάλογα µε τον τύπο του κινητήρα. Βέβαια, ο στρόβιλος χαµηλής πίεσης περιστρέφεται µε χαµηλότερη ταχύτητα από αυτήν του στροβίλου υψηλής πίεσης. Σχήμα 8: Στρόβιλος διπλού άξονα Σελίδα 8 από 12

Ανάμεσα στα εμπόδια για την χρησιμοποίηση υψηλότερων θερμοκρασιών εισόδου στον στρόβιλο, υπήρξαν πάντα τα αποτελέσματα αυτών των θερμοκρασιών στα σταθερά κινητά πτερύγια του στροβίλου, σε συνδυασμό με τις ψηλές περιστροφικές ταχύτητες των πτερυγίων και τις μεγάλες εφελκυστικές τάσεις, που δημιουργούνται. Έτσι δημιουργείται η απαίτηση μείωσης των θερμοκρασιών εισόδου, ώστε τα πτερύγια να μπορούν να εκτελούν την εργασία τους για αρκετό χρόνο, χωρίς να φτάνουμε το όριο ζωής από πλευράς ερπυσμού (creep). Οι δίσκοι του στροβίλου, όπως και τα πτερύγια, εργάζονται για ικανοποιητικό χρόνο χωρίς να φτάσουν το όριο ερπυσμού. Κάθε αύξηση θερμοκρασίας εισαγωγής καυσαερίων πρέπει να συνοδεύεται από αύξηση πάχους των υλικών, και από αύξηση του ψυκτικού ρεύματος. Τα πτερύγια πρέπει να μπορούν να αντέχουν τις υψηλές φυγοκεντρικές τάσεις, παρά την υψηλή θερμοκρασία τους, που τα ερυθροπυρώνει. Ένα πτερύγιο, που ζυγίζει μόλις 75 γραμμάρια, μπορεί να εξασκεί στον δίσκο στις μέγιστες στροφές, μια δύναμη μεγαλύτερη από δύο τόνους. Πρέπει επίσης να αντέχουν στα υψηλά καμπτικά φορτία, που επιβάλλει η ροή των καυσαερίων, για να παραχθούν οι χιλιάδες ίπποι ισχύος, που χρειάζεται ο συμπιεστής για την κίνηση του. Τα πτερύγια πάλι πρέπει να αντέχουν στην κόπωση και την θερμική κρούση, ώστε να μην καταστραφούν από τις υψίσυχνες μεταβολές των συνθηκών ροής. Τέλος πρέπει να αντέχουν στην διάβρωση και την οξείδωση. Τα πτερύγια επίσης πρέπει να κατασκευάζονται από υλικό που να επιδέχεται διαμόρφωση με τις υπάρχουσες κατασκευαστικές μεθόδους. Από τα προηγούμενα συμπεραίνουμε, ότι για ένα δεδομένο υλικό πτερυγίων και ένα ελάχιστο αποδεκτό όριο ζωής, υπάρχει ένα αντίστοιχο όριο μέγιστης θερμοκρασίας εισόδου καυσαερίων και ένα όριο μέγιστης ισχύος του αεροστρόβιλου. Έτσι οι κατασκευαστές βρίσκονται σε συνεχή αναζήτηση καλύτερων υλικών πτερυγίων και βελτιωμένων μεθόδων ψύξης τους. Στο παρελθόν είχαν κατασκευαστεί δίσκοι στροβίλων από σιδηρούχα υλικά, ανάλογα με την σύγχρονη ανάπτυξη και σχετικά πλεονεκτήματα της κάθε κατηγορίας. Τα σιδηρούχα υλικά υπήρξαν φθηνότερα και μερικές φορές για δεδομένες συνθήκες λειτουργίας πιο ικανοποιητικά. Καθώς όμως οι θερμοκρασίες εισόδου καυσαερίων τείνουν να αυξηθούν, γίνεται απαραίτητη η χρησιμοποίηση κραμάτων με βάση το νικέλιο λόγω των καλύτερων χαρακτηριστικών ερπυσμού. Η προστασία των σταθερών και των κινητών πτερυγίων του στροβίλου από τις υψηλές θερµοκρασίες των καυσαερίων επιτυγχάνεται, σε µεγάλο βαθµό µε την ψύξη τους µε αέρα. Στο εσωτερικό των πτερυγίων προβλέπονται δίοδοι για την κυκλοφορία αέρα ο οποίος παρέχεται από το συµπιεστή του κινητήρα. ιάφορες γεωµετρίες και µεθοδολογίες εφαρµόζονται στα πτερύγια, αλλά και στο δίσκο του ρότορα, των αεριοστρόβιλων κινητήρων για να επιτευχθεί η βέλτιστη παροχή ψύξης. Στο σχήµα 6 παρουσιάζονται οι πλέον αντιπροσωπευτικές από αυτές. Σελίδα 9 από 12

Σχήμα 9: Διάφορες κατηγορίες ψύξης πτερυγίων στροβίλου Σελίδα 10 από 12

2. Υπολογισμοί Χαρακτηριστικών Στροβίλων 1. Λόγος εκτόνωσης στον Αεριογόνο Στρόβιλο (Gas Turbine) P 3 r T 1 = (αδιάστατη ποσότητα) P4 2. (α) Ισεντροπική απόδοση Αεριογόνου Στροβίλου T3C T4C T3C T4C nt 1 = 100% = 100% (αδιάστατη ποσότητα) γ 1 T3C T4is γ 1 T3 C 1 r T1 2(β) Η ισεντροπική (θεωρητική) θερμοκρασία στην έξοδο του στροβίλου υπολογίζεται από την εξίσωση: T 4is T T 3C 4is γ 1 ( r ) γ = T 1 όπου γ = 1, 33για τα καυσαέρια 3. Λόγος εκτόνωσης από το Στρόβιλο Ισχύος (Power Turbine) r = P 4 Τ 2 (αδιάστατη ποσότητα) P5 4. (α) Ισεντροπική απόδοση Στροβίλου Ισχύος T4C T5C T4C T5C nτ2 = 100% = 100% γ 1 T4C T5is γ 1 T4 C 1 r Τ2 5(β) Η ισεντροπική (θεωρητική) θερμοκρασία στην έξοδο του στροβίλου ισχύος T 5is υπολογίζεται από την εξίσωση: T T 4C 5is γ 1 ( r ) γ = T 2 όπου γ = 1, 33για τα καυσαέρια Σελίδα 11 από 12

Β. Πρακτικό Μέρος 1. Για κάθε ένα από τα σετ μετρήσεων που πήρατε: (α) Υπολογίστε τα μεγέθη που παρουσιάζονται στις εξισώσεις (1) και (10) του εδαφίου 2 της εργαστηριακής άσκησης (υπολογισμοί χαρακτηριστικών στροβίλου). (β) Έχοντας δεδομένο από τις πειραματικές μετρήσεις τον λόγο εκτόνωσης r Τ1 που επιτυγχάνεται στον πρώτο (αεριογόνο) στρόβιλο και τη θερμοκρασία εισόδου στον ' στρόβιλο, T 3C, υπολογίστε την ισεντροπική θερμοκρασία στην έξοδο του στροβίλου ' T 4 is και συγκρίνετε την με τη μετρημένη T 4C φτιάχνοντας σχετικό πίνακα. Ποια από τις δύο είναι μεγαλύτερη και γιατί; Σχήμα 10: Ισεντροπική και πραγματική διεργασία εκτόνωσης 2. Για κάθε ένα σετ μετρήσεων, να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις της κατανομής του λόγου εκτόνωσης του αεριογόνου στροβίλου ( r T1, εξίσωση (1)) σε συνάρτηση με τη διορθωμένη παροχή μάζας αέρα ( m από την εργαστηριακή ac άσκηση 5). Σελίδα 12 από 12