Kompresör Tasarımı

UCK 474
UCAK MOTOR TASARIMI
KOMPRESOR TASARIMI
Yrd.Doç.Dr. Onur Tunçer
İstanbul Teknik Üniversitesi
13 Nisan 2010
Ortalama Hız
Eksenel kompresörler hava hızının neredeyse sabit kalmasını sağlayacak
yakınsak bir kesit ile tasarlanırlar. Bu sayede basınç arttığında hava hızı
fazla değişmez bu da kompresörün verimini arttırır.
Bir Eksenel Kompresörde Kesit Alanı Akışkan Sıkıştıkca Eksenel Hızı
Sabit Tutmak Maksadıyla Daraltılır
Orenda 14 Turbojet Motorunun Kompresör Rotoru
Yüksek Performanslı Bir Jet Motorunun Gövde Montajı ve Statör
Kanatçıkları (GE J79, Arkadan Görünüş)
Eksenel Kompresör Montaj Resmi (GE J79 Turbojet)
Rotor Kanatçıklarını Diske Bağlama Yöntemleri
Kompresör Kanatçıklarının Geometrisi
Tekrar Eden Kademelerden Oluşan Bir Kompresörde (Repeating Row Repeating Stage)
Tek Kademenin Geometrisi
DİFÜZYON FAKTÖRÜ
Difüzyon faktörü kanatçığın emiş tarafındaki (suction side) sınır tabaka tarafından
karşılaşılan ters basınç gradyentinin gücünü gösteren analitik bir ifadedir.
Kompresör tasarımındaki ana hedef yüksek difüzyon faktöründe bile yüksek
aerodinamik verim elde etmektir. Çünkü D için yüksek değer hem kademelerin
sayısının hem de kanatçık sayısının azaltılmasına olanak tanır ki bu ağırlık açısından
son derece önemlidir.
Yüksek D için tasarım yapabilme “teknoloji seviyesi” için bir göstergedir.
Bugünkü bilgisayar dünyasında dahi tasarımcılar difüzyon faktörünü teknoloji
seviyesini ölçmek için kullanırlar.
Difüzyon faktörü sadece akış geometrisine bağlıdır dolayısıyla kanat profili
hakkında bir şey söylemez.
Varsayımlar:
1. Kompresör birbirini tekrar eden eş kademelerden oluşacaktır. Aynı zamanda rotor ve
Stator kanatçıkları birbirlerinin aynadaki görüntüsü gibi olacaktır. Bu duruma
kompresor tasarımında “repeating-row repeating stage” adı verilir.
2. Akış iki boyutludur. Dolayısıyla akım yönüne dik doğrultuda akışkan özelliklerinde bir
değişim yoktur ve aynı zamanda bu yönde bir hız bileşeni bulunmaz.
3. Eksenel hız sabittir.
4. Politropik verim kademedeki kayıpları belirten ölçü olarak kullanılır.
5. Ortalama yarıçap sabittir.
6. Gaz kalorifik olarak mükemmeldir.
Verilenler:
i. Kütlenin korunumu
ii. Kademe tekrarlı olduğu için,
olduğundan,
sonuç olarak,
iii. Difüzyon Faktörü
Difüzyon faktörü bu durumda rotor ve statör için aynıdır, yukarıdaki denklemlerden
çekilecek olursa,
Verilen
değerlerine karşılık gelen yalnız bir tek
vardır.
iv. Reaksiyon Oranı (Degree of Reaction)
İyi bir tasarımda bu oran 0.5 civarında olmalıdır. Çünkü bu durumda rotor ve
statör statik sıcaklık artışını eşit olarak paylaşmış olacaktır. Tekrar eden kademeli
Tasarımın bir avantajı da bu oranın rotor ve statör hız üçgenlerinin benzerliğinden
dolayı tam olarak 0.5 olmasıdır.
v. Kademedeki Toplam Sıcaklık Artışı ve Sıcaklık Oranı
vi. Kademe Basınç Oranı
vii. Kademe Verimi
viii. Kademe Çıkışındaki Mach Sayısı
Mach sayısı kademe kademe azalır.
ix. Disk Hızı/Giriş Hızı Oranı
x. Kademe Girişindeki Bağıl Mach Sayısı
dolayısıyla,
olacağından giriş Mach sayısı dikkatli
seçilmelidir.
Genel Çözüm:
değerleri verildiğinde bütün mümkün olan bütün tekrar eden sıralı
kompresör kademeleri hesaplanabilir. Şöyle ki,
Tekrar Eden Kompresör Kademesi (D=0.5, Sigma=1, ec=0.9)
Difüzyon Katsayısına Bağlı Olarak Tekrar Eden Kademeli Kompresörde
Tek Bir Kademenin Karakteristiği
Katılığa (solidity) Bağlı Olarak Tekrar Eden Kademeli Kompresörde
Tek Bir Kademenin Karakteristiği
Carter Kuralı
Akış açıları belirlendikten sonra bunu gerçeklestirecek
fiziksel kanat geometrisinin belirlenmesi gerekmektedir.
Tipik Bir Eksenel Kompresör Kademesinin Boyutları
Kanat Profili Üzerinde Tutunma Kaybı
• Hava akımı kanat profiline
•
belirli bir açıdan daha yüksek
hücum açısıyla geldiği zaman
kanat profili üzerinde
tutunamaz ve akım ayrılması
meydana gelir.
Sonuç olarak kanatçık üzerinde
tutunma kaybı meydana gelir
ve kanatçık kaldırma kuvveti
üretemez ve kompresörde
istenilen basınç yükselmesi
gerçekleşmez.
Akım Ayrılma
Bölgeleri
Dinamik Akım Darbesi
• Girişteki statik hava basıncı
•
•
•
kompresörün tasarım
karakteristiğinin üstüne çıktığında
meydana gelir.
Kompresör de akım tersine
döndüğünde bu dalgalanma motor
içerisinde yayılır.
Akım kompresörden yani motorun
önünden dışarı çıkar.
Sonuçta, kompresör aldığı havanın
tamamını yanma odasına iletemez
ve ani bir akım darbesi oluşur.
Kompresör Girişi
Türbin Çıkışı
http://www.turbosolve.com/index.html
Dinamik Akım Darbesinin Etkileri
• Girişteki akım tersine döner
 Motora giren kütle debisi azalır
 Kompresör kademeleri basınç kaybeder.
 Düşen basınç nedeniyle hava tekrar kompresöre döner
 Kütle debisi artar
• Artan kütle debisi yine yüksek basınca neden olur.
– Akım darbesi tekrar başta oluşur.
– Motordaki akım darbesi düzeltici bir önlem alınana kadar
devam eder.
Dinamik Akım Darbesi Süreci
Kompresör
basıç kaybeder
P
Surge Point,
Flow Reverses
No Surge
Condition
Flow reverses
back into engine
Düzeltici
Eylem
mout
m in
mout
V
Kompresör Hız Eğrisi
Kompresör Çalışma Haritası