Füleky András LEVÁLÁSI JELENSÉGEK VIZSGÁLATA CENTRIFUGÁL KOMPRESSZORON A Budaesti Műszaki Egyetemen folytatott tanulmányaim során a gázturbina komresszorok instabil üzemmódjaival mélyebben foglalkoztam, így a dilomamunkámat is e témából írtam. A leválási jelenségek elméletének feltárása után valós komresszoron történő mérés eredményeinek elemzése során a jelenség gyakorlati megismerésére törekedtem. A mérőberendezés kialakítása, lehetővé tette a komresszor előtti és utáni fojtást, ezzel szimulálhatóvá váltak a valós gázturbinás hajtóművek üzemi folyamatainál jelentkező fojtások (Mach-kú, omázs- illetve felszálló redőny, álló terelő laátkoszorú működtetés, a tüzelőtér hőfojtása, gázkiáramlás sebességfokozó működtetés). Ugyanígy szimulálhatók a hajtómű nem üzemszerű fojtásai is (madár vagy egyéb idegen tárgy beszívása, nagy állásszögű reülés következtében kialakuló ferde megfúvás, Mach-kú szabályzás meghibásodása, jegesedés, a szívócsatorna deformálódása, a fúvócső deformálódása ). A mérés során az első és hátsó fojtás egymásra hatását is vizsgáltam. A kutatás keretében laboratóriumi méréseket is végeztem, ennek taasztalatait szeretném megosztani a tisztelt olvasóval. A MÉRŐBERENDEZÉS FELÉPÍTÉSE A komresszor vizsgálatát célszerű valóságos komresszoron elvégezni. A komresszor hajtási teljesítményigényét a sűrítési viszony valamint a másodercenkénti levegőfogyasztás határozza meg. Ha leválásos üzemmód és omázsvizsgálat a cél, és nem egy konkrét komresszor leválásos működését kell vizsgálni, úgy célszerű olyan komresszort választani, amely kevésbé sérülékeny, a hosszantartó (1 2 erces) leválásos működés nem okoz sérülést a gé szerkezetében, kevésbé legyen érzékeny a leválásos üzem közben létrejövő fárasztó igénybevételekre. Axiális komresszornál instabil üzemállaotban a komresszor nyomásviszonya eriodikusan változik. A eriodikus nyomásváltozást a fokozatokban az abszolút és relatív sebességek eriodikus változása hozza létre, amely a laátok törését okozó rezgéseket is kelthet. A leválás nagy valószínűséggel a komreszszor utolsó fokozatánál jön létre, amely azután az egész komresszoron végigterjed. A leválás a komresszor méreteitől függő hanghatással jár. Ez az állaot a komresszor működése szemontjából veszélyes. 15
Centrifugális komresszornál a leválás, amely rendszerint a laátos diffúzorban jön létre, hasonló eriodikus hanggal kísért nyomáslengés, mint az axiális komresszornál. A különbség az, hogy legtöbb esetben nem vezet a komresszor károsodásához. A hajtást célszerű úgy megvalósítani, hogy bármilyen fordulatszámon, széles határok között változtatható teljesítmény álljon rendelkezésre. Ezt a követelményt laboratóriumi méréseknél legjobban a villamos motorral való hajtás elégíti ki. Mérésem a Budaesti Műszaki Egyetem Közlekedésmérnöki Karán lévő kisméretű, és kis teljesítményigényű centrifugálkomresszorra éül. 1. ábra. A mérőberendezés A mérőberendezés szemből nézve. Baloldalon az U-csöves manométerek állványa, előtérben a szívócsatorna a mérőeremmel, jobbra fent az aszinkron villanymotor vezérlődoboza látható. Az íves levegőgyűjtő házból kivezető cső hőszigetelő burkolást kaott a komresszor utáni hőmérséklet ontosabb mérése érdekében. A róbaadra Ganz-MÁVAG által gyártott egyfokozatú centrifugális komresszor van feléítve, amely egyoldali beömlésű, félig zárt, egyenes laátozású járókerékkel van felszerelve. A járókerék után laátnélküli diffúzor, laátos diffúzor és sirális gyűjtőház van kialakítva. A komresszoregység geometriai méreteinek megadásától most eltekintek. A komresszor levegőgyűjtő háza a laátos diffúzor oldalán elhelyezett állandó külső átmérőjű aszimmetrikus sirális csatorna. 16
A komresszor szívócsöve 255 mm hosszú 15 mm átmérőjű csőtoldat. A szívócsatornába behelyezhető fojtás a beléőrésztől 128 mm-re van, tehát a levegőáram még 127 mm utat tesz meg a komresszor eléréséig. A nagy távolság a megzavart áramlás kiegyenlítődése miatt lényeges. A csőtoldat elején egy mérőerem van felszerelve, amely a levegő tömegáram számításához szükséges nyomáskülönbség előállítását szolgálja. Közvetlenül a mérőszáj mögött 3 statikus nyomásmérő szonda van beéítve, melyek egymással össze vannak kötve és a szívócső kerületén egyenletesen helyezkednek el. A mérési sorozatnál a jelleggörbe baloldali ágát (leválási zóna) az U-csöves manométerek nagyfokú csillaítási tulajdonsága miatt lehet kimérni, ugyanis azok nem kéesek követni a nyomás valóságos lengését, így közees értéket jeleznek. A mérőberendezésen a komresszor várható alacsony sűrítési viszonya és a levegő kis tömegárama miatt kizárólag U-csöves, higanyos és vizes manométereket alkalmaztam. A komresszor után egy hőszigetelt csőszakasz végén recíziós higanyos hőmérő van elhelyezve, a komresszor utáni hőmérséklet mérésére. A számítások során a hőmérséklet-mérési helyeken kaott sebességek alacsony értéke miatt a mért hőmérsékletek sebesség szerinti ontosításától eltekintettem. A komresszort gyorsító-áttételen keresztül háromfázisú aszinkronmotor hajtja meg. Az aszinkronmotor fordulatszámának változtatása a motor és a hálózat közé éített frekvenciaváltóval lett megoldva. A frekvenciaváltón fokozatmentesen változtatható a frekvencia 7,25 48,5 Hz között, ezzel a fordulatszám 335 16 1/min mérési tartomány között beállítható. 2. ábra. Nyomás- és hőmérséklet mérése a berendezésen 17
18 A MÉRÉS FOLYAMATA A mérés célja a komresszor-jelleggörbe meghatározása π k f ( m, n) és η iz f ( m, n) alakban, nagy figyelmet fordítva a leválási határra valamint a komresszor előtti és utáni fojtás szerinti jelleggörbére és az egymásra hatás vizsgálatára. A jelleggörbét úgy határoztam meg, hogy a szívócsatornában elhelyezett fojtást állandó fordulatszámot tartva változtattam, ezzel állítva be a tömegáramot. A hátsó fojtószele illangószeleként van kialakítva a gyűjtőcsövön, míg az első fojtást egy betolható laal valósítottam meg. A hátsó fojtószele állító karja mellett skála található. A fojtószele állása a skálán számokkal lett jelölve 1-től 8-ig, amelynél az 1-es helyzet teljesen nyitott, a 8-as helyzet teljesen zárt fojtószeleállásnak felelt meg. A mérés során a fordulatszámot ontosan lehetett tartani, a fojtás ontosan beállítható és rögzíthető volt. A fordulatszám beállítása után a nyomásértékeket, majd legutoljára a hőmérséklet változását jegyeztem fel. A hőmérséklet leolvasását azért hagytam legutoljára, hogy a hőmérő a ténylegesen kialakult hőmérsékletet mutassa, legyen ideje beállni. A mérést elvileg kétféle módon lehet végrehajtani: a fordulatszám állandó értéken tartásával a fojtást változtatva vagy edig fordítva. Méréstechnikai szemontból célszerűbbnek láttam az állandó fordulatszámon való fojtást. A komresszor-jelleggörbe meghatározása Első léés a jelleggörbe felvételéhez a tömegáram meghatározása. Kiindulási feltételek: T o T 1 a környezeti levegő hőmérséklete; o 1 a környezeti levegő nyomása. A mérőeremen a nyomáskülönbséget (Δ o ) függőleges beállítású, vízzel töltött manométerrel mértem, a mért Δ o értékből számítottam a levegő tömegáramát. m& ρ d π d π R T Δ 4 2 2 V& α ε c α ε 2 R T R T 4 Δ ( ρ ρ ) g Δh mf ahol: α a mérőerem átfolyási száma (α,598); ε exanziós szám (ε,9994); ρ mf a mérőfolyadék sűrűsége; ρ o a környezeti levegő sűrűsége; Δh a manométeren leolvasott folyadékszint különbsége.
A komresszor sűrítési viszonyának számításához szükséges a komresszor előtti és utáni nyomás mérése. A meglévő berendezés átalakítása nélkül a komresszor járókerék előtti teljes nyomás és a komresszor kivezető csövében a fojtószele előtti teljes nyomás mérésére volt lehetőség. A komresszor előtti 1 nyomás mérésére függőleges elhelyezésű vízzel (higannyal) töltött manométert, míg a komresszor utáni 2 nyomás mérésére függőleges elhelyezésű higannyal töltött U-csöves manométert használtam. π k 2 1 + Δh g Δh g ( ρmf ρ ) ( ρ ρ ) mf A komresszor előtti hőmérsékletet (T ) a mérőerem közelében mértem, a hőmérő elhelyezését az összeállítási rajz mutatja (2. ábra). Mivel a hőmérő környezetében c, így T T feltétel teljesül. A komresszor utáni hőmérsékletet a hátsó fojtószele után, a hőszigetelt kivezető csőben mértem. Mindkét hőmérő higanyos,,1 C leolvasási ontosságot tett lehetővé. A 2 nyomásérzékelő szonda a hátsó fojtószele előtti keresztmetszetben található. A mért hőmérsékleteket és a kiszámított sűrítési viszonyt a komresszor izentróikus hatásfokának kiszámításához használtam fel. Izentróikus és valóságos sűrítésnél a fajhő azonosságát feltételeztem. η k iz c c ( T2id T1 ) ( T T ) 2mért 1 T T 2id T1 2mért T1 2 1 1 T2 1 T mért κ 1 κ 1 1 A komresszor által felvett teljesítmény számítható az alábbi kéletből. P valós m& c ΔT m& c kom ( T 2 T ) 1. mérés: valójában ellenőrző mérés, melynek során megállaítom, hogy a berendezés közel ugyanazokkal a araméterekkel rendelkezik, mint az 1995-ben végzett mérésnél. Ennek megfelelően a hátsó fojtást alkalmazom és n állandó görbék mentén haladok a leválási határ felé. 2. mérés: A hátsó fojtás teljesen nyitott állaotában, az első fojtást alkalmazom. Az első fojtást tömegáram azonosság szerint állítom be (az egyes beállításoknál Δ a mérőeremnél mért nyomáskülönbség értéke azo- 19
nos az 1. mérésnél mért értékekkel). Az előző mérésnek megfelelően, n állandó görbék mentén haladok a leválási határhoz (lásd. 3. ábra.).,9 1,25,8 nyomásviszony 1,2 1,15 1,1 1,5 izentróikus hatásfok,7,6,5,4 1,2,4,6,8 tömegáram,3,2,4,6,8 tömegáram A legnagyobb felvett teljesítmény: 3. ábra. A mért értékek karakterisztikái ( T T ) 1337, W Pvalós m& c ΔTkom m& c 2 37 A omázsjelenség vizsgálata P motor 16 W 3. mérés: Azonos fordulatszámokon vizsgálom az első és hátsó fojtás alkalmazásánál a leválási tartományokat, a omázs intenzitását. Az első fojtószele állását itt is az 1. mérés során, a mérőeremnél mért nyomáskülönbség alaján határozom meg. A leválás erősségének értékelése 5 fokozatban történik: nagyon gyenge, éen hallható; hallható, de gyenge; közees; erős zúgás; igen erős zúgás, robajszerű hang. 11
Az értékelésnél figyelembe kell venni azt a tényt, hogy az első fojtás intenzív zavarás, a beléő sebességmezőt egyenetlenné teszi, ami nem a nyomásviszony növekedésből eredő leválást okozza. Az egyes fordulatszámokon az első és hátsó fojtás alkalmazásánál a leválási tartományok, a omázs intenzitása 1. táblázat n hátsó fojtószeleállás első fojtószeleállás (1/min) 4 5 6 7 8 5 6 7 8 525 - - - - - - - - 671 - - - 8376 - - 1 51 11 726 - - 13 41-15 76-16 -! 4. mérés: az első és a hátsó fojtószele egymásra hatásának vizsgálata, ahol a hátsó fojtás éldául a GSF szereét, míg az első fojtás a Mach-kúot és (vagy) a omázsredőnyt helyettesítheti. A vizsgálatot n 8376; 11 726 és 16 1/min fordulatszámon végeztem, és az alábbi megállaításokra jutottam: első fojtással létrehozott omázs csak teljes hátsó fojtással szűntethető meg, ami magától érthető, mivel ekkor az áramlás szinte megszűnik a járókerékben; az első fojtás hatására (gázáteresztő kéesség megváltozása) változik C 1a sebesség az áramlási csatornában, ami a komresszor beléőrészénél a sebességi háromszög torzulását okozza. Otimális esetben a beléő relatív sebesség ütközésmentesen jut a laátra, ekkor csak nagyobb hátsó fojtásnál alakul ki leválás; első fojtás alkalmazásával a hátsó fojtás által előidézett leválás kevésbé erőteljes, ugyanis a lengési folyamatba bezárt légtömeg csökken. A MÉRÉS ÉRTÉKELÉSE Az előzetes elvárások szerint, kifejlett omázsjelenség esetén erőteljesebb ulzálás jön létre hátsó fojtás alkalmazásánál, mivel ekkor a bezárt levegőoszlo nagyobb sűrűségű, mint első fojtás alkalmazása mellett (ahol deresszió van). Ennek következtében nagyobb a légtömeg tehetetlensége. 111
A vizsgálat során azt taasztaltam, hogy hátsó fojtószeleel létrehozott omázs mélyebb, robajszerű hangot ad, a légtömeg lengési ideje nagyobb. Az első fojtószele által keltett omázs mely kisebb súlyú légtömeget mozgat nagyobb rezgésszámmal leng, a hangja magasabb. Mindkét esetben sikerült olyan helyzetet előállítani, amikor egyes alkatrészek alafrekvenciáját eltaláltam. Az erőteljes együttrezgés továbbfokozta a omázsjelenség hangját (lásd 1. táblázat). IRODALOMJEGYZÉK [1] Dr. Pásztor Endre: Előadásvázlatok Hő- és Áramlástechnikából, BME Közlekedésmérnöki Kar, Járműgéészeti Intézet. [2] Körmendi Géza: Egyetemi Doktori Értekezés, BME, 1995. [3] Hő- és áramlástani géek mérése: Centrifugálkomresszor jelleggörbéjének meghatározása, Aero- és termotechnikai tanszék, Tankönyvkiadó, Budaest, 1984. (139-143). o. [4] Füleky András: Gázturbina komresszorok instabil üzemmódjainak vizsgálata. (Dilomaterv) BME, Budaest, 21. 112