Přepětí v kompresorech - Surge in compressors

Přepětí kompresoru je forma aerodynamické nestability v axiální kompresory nebo odstředivé kompresory. Termín popisuje prudké proudění vzduchu kmitající v axiálním směru kompresoru, což naznačuje, že axiální složka rychlosti tekutiny se periodicky mění a může se dokonce stát zápornou. V rané literatuře byl fenomén rázu kompresoru identifikován slyšitelným bušením a troubením při frekvencích pouhých 1 Hertz, tlakovými pulzacemi v celém stroji a silnými mechanickými vibracemi.[1]

Popis

Přepětí kompresoru lze rozdělit na hluboké a mírné. Ráz kompresoru se zápornými hmotnostními průtoky se považuje za hluboký ráz, zatímco ráz bez zpětných toků se obecně nazývá mírný ráz.[2] Na výkonnostní mapě je stabilní provozní rozsah kompresoru omezen přepětím. Ačkoli je linka pojmenována po přepětí, technicky jde o hranici nestability, která označuje náběhy rozeznatelných nestabilit proudění, jako je přepětí kompresoru nebo rotující stánek.[3] Když hmotnostní průtok klesne na kritickou hodnotu, při které dochází ke zjevným nestabilitám proudění, měla by být kritická hodnota určena jako nárazový hmotnostní průtok na trati s konstantní rychlostí; v praxi je však přepěťová čára na mapě výkonu ovlivněna konkrétními kritérii přijatými pro stanovení nestability rozpoznatelného toku.

.. Typická mapa výkonu kompresoru

Účinky

Přepětí kompresoru je katastrofou pro kompresor a celý stroj. Když dojde k rázu kompresoru, pracovní bod kompresoru, který je obvykle označen dvojicí hmotnostního průtoku a tlakového poměru, obíhá podél cyklu rázu na výkonové mapě kompresoru. Nestabilní výkon způsobený rázem kompresoru není přijatelný pro stroje, na kterých je namontován kompresor pro ventilaci nebo hustý vzduch. S výjimkou ovlivnění výkonu je přepětí kompresoru doprovázeno také hlasitými zvuky. Frekvence rázu kompresoru se mohou pohybovat od několika desítek Hertzů v závislosti na konfiguraci kompresního systému.[4] Ačkoli Helmholtzova rezonance frekvence se často používá k charakterizaci nestálosti mírného nárůstu; bylo zjištěno, že Helmholtzova oscilace v některých případech nespustila nárůst kompresoru.[5][6] Dalším účinkem rázu kompresoru je pevná struktura. Prudké toky rázu kompresoru opakovaně zasáhly lopatky v kompresoru, což mělo za následek únavu lopatek nebo dokonce mechanické selhání. Zatímco plně vyvinutý ráz kompresoru je osově symetrický, jeho počáteční fáze nemusí být nutně osově souměrná. Ve skutečnosti vážné poškození rázu kompresoru často souvisí s velmi velkým příčným zatížením lopatek a pláště v jeho počátečním přechodném stavu.[7] Řetězová reakce přepětí kompresoru je plamen proudového motoru. Kvůli nedostatečnému přívodu vzduchu v případě nárazu kompresoru bude ve spalovací komoře nespálené palivo a nespálené palivo bude hořet a způsobovat plameny v blízkosti výstupu z motoru, kde je dostatek kyslíku.

Příčiny

Ve většině případů s nízkou rychlostí a nízkým tlakem přichází rotační zarážka před rázem kompresoru;[8][9] obecný vztah příčiny a následku mezi rotujícím zablokováním a rázem kompresoru však dosud nebyl stanoven.[6] Na potrubí s konstantní rychlostí kompresoru se hmotnostní průtok snižuje, jak se zvyšuje tlak dodávaný kompresorem. Vnitřní toky kompresoru jsou velmi velké gradient nepříznivého tlaku který má tendenci destabilizovat tok a způsobit oddělení toku. Plně vyvinutý rázový ráz kompresoru lze modelovat jako jednorozměrnou globální nestabilitu kompresního systému, který se obvykle skládá ze vstupních kanálů, kompresorů, výstupních kanálů, zásobníku plynu a škrticí klapky.[10][11] Cyklus přepětí kompresoru lze rozdělit do několika fází.[12] Pokud je škrticí ventil otočen jako velmi malý otvor, měl by zásobník plynu pozitivní čistý tok. Tlak v zásobníku se neustále zvyšuje a poté překračuje tlak na výstupu z kompresoru, což má za následek nepříznivý tlakový gradient ve výstupních potrubích. Tento gradient nepříznivého tlaku přirozeně zpomaluje proudění v celém systému a snižuje hmotnostní průtok. Sklon vedení s konstantní rychlostí v blízkosti přívodního potrubí je obvykle nulový nebo dokonce kladný, což znamená, že kompresor nemůže poskytnout mnohem vyšší tlak, protože snižuje hmotnostní průtok. Gradient nepříznivého tlaku tedy nemohl být potlačen kompresorem a systém by rychle zahrnoval překmit gradientu nepříznivého tlaku, který by dramaticky snížil hmotnostní průtok nebo dokonce způsobil reverzi toků. Na druhé straně by tlak v zásobníku postupně klesal v důsledku menšího toku dodávaného kompresorem, čímž by se znovu vytvořil příznivý tlakový gradient ve výstupních kanálech. Potom by se obnovil hmotnostní průtok a kompresor se vrátil zpět do provozu na trati s konstantní rychlostí, což by nakonec spustilo další nárazový cyklus. Proto je přepětí kompresoru proces, který neustále narušuje průtokovou cestu kompresního systému a obnovuje jej[13]. Z výše uvedeného výkladu lze odvodit několik obecných pravidel. Přepětí kompresoru v systému s malým rezervoárem plynu je vysokofrekvenční a s nízkou amplitudou, zatímco velký rezervoár plynu vede k nízkofrekvenčnímu a vysoko amplitudovému přepětí kompresoru; dalším pravidlem je, že k nárůstu kompresoru dochází v kompresoru s velkým externím objemem a zhasnutí kompresoru má tendenci se projevovat v systému s krátkým výstupním kanálem. Rovněž stojí za zmínku, že rázové potrubí kompresoru může mít malé odchylky v různých systémech, jako je zkušební stolice nebo motor.[14]

Viz také

Reference

  1. ^ H. W. Emmons; C. E. Pearson; H. P. Grant (1955). "Přepětí kompresoru a šíření stání". Transakce Americké společnosti stavebních inženýrů. 77: 455–469.
  2. ^ Fink, D. A .; Cumpsty, N. A .; Greitzer, E. M. (06.06.1991). „Rázová dynamika v systému odstředivého kompresoru s volným zařazením“. Svazek 1: Turbomachinery. JAKO JÁ. doi:10.1115 / 91-gt-031. ISBN  9780791878989.
  3. ^ Paduano, JD; Greitzer, EM; Epstein, AH (leden 2001). "Stabilita kompresního systému a aktivní kontrola". Roční přehled mechaniky tekutin. 33 (1): 491–517. Bibcode:2001AnRFM..33..491P. doi:10.1146 / annurev.fluid.33.1.491. ISSN  0066-4189.
  4. ^ Hafaifa, Ahmed; Rachid, Belhadef; Mouloud, Guemana (2014-10-31). "Modelování rázových jevů v odstředivém kompresoru: experimentální analýza pro řízení". Systémová věda a řídicí technika. 2 (1): 632–641. doi:10.1080/21642583.2014.956269. ISSN  2164-2583.
  5. ^ Day, I. J. (květen 1994). "Axiální výkon kompresoru během rázu". Journal of Propulsion and Power. 10 (3): 329–336. Bibcode:1994JPP .... 10..329D. doi:10.2514/3.23760. ISSN  0748-4658.
  6. ^ A b Day, I. J. (2015-10-13). „Stall, Surge, and 75 Years of Research“. Journal of Turbomachinery. 138 (1): 011001–011001–16. doi:10.1115/1.4031473. ISSN  0889-504X.
  7. ^ A., Cumpsty, N. (2004). Aerodynamika kompresoru. Krieger Pub. ISBN  978-1575242477. OCLC  824819843.
  8. ^ Tan, C.S .; Den, já .; Morris, S .; Wadia, A. (leden 2010). "Spike-Type Compressor Stall Inception, Detection, and Control". Roční přehled mechaniky tekutin. 42 (1): 275–300. Bibcode:2010AnRFM..42..275T. doi:10.1146 / annurev-fluid-121108-145603. ISSN  0066-4189.
  9. ^ Sundström, Elias; Semlitsch, Bernhard; Mihăescu, Mihai (23. listopadu 2017). "Generační mechanismy rotačního zastavení a rázu v odstředivých kompresorech". Tok, turbulence a spalování. 100 (3): 705–719. doi:10.1007 / s10494-017-9877-z. PMID  30069143.
  10. ^ Greitzer, E. M. (1976). „Přepěťová a rotační zarážka v kompresorech s axiálním průtokem - Část I: Teoretický model kompresního systému“. Journal of Engineering for Power. 98 (2): 190–198. doi:10.1115/1.3446138. ISSN  0022-0825.
  11. ^ Greitzer, E. M. (1976). „Přepěťová a rotační zátěž v kompresorech s axiálním průtokem - Část II: Experimentální výsledky a srovnání s teorií“. Journal of Engineering for Power. 98 (2): 199–211. doi:10.1115/1.3446139. ISSN  0022-0825.
  12. ^ Shahin, Ibrahim; Gadala, Mohamed; Alqaradawi, Mohamed; Badr, Usáma (2015-06-23). „Velká vířivá simulace pro cyklus hlubokého rázu ve vysokorychlostním odstředivém kompresoru s lopatkovým difuzorem“. Journal of Turbomachinery. 137 (10): 101007. doi:10.1115/1.4030790. ISSN  0889-504X.
  13. ^ Semlitsch, Bernhard; Mihăescu, Mihai (květen 2016). „Průtokové jevy vedoucí k rázu v odstředivém kompresoru“. Energie. 103: 572–587. doi:10.1016 / j.energy.2016.03.032.
  14. ^ Baines, N. C. (2005). Základy přeplňování. Pojmy NREC. ISBN  9780933283145.