مهندسی توربوماشین

مقدمه

توربوماشین‌ها (tubomachine) تجهیزاتی هستند که در آنها انرژی کل یک محیط کاری به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود و بالعکس. توربوماشین‌ها به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند. دسته اول در درجه اول برای تولید نیرو استفاده می‌شود. این دسته شامل توربین بخار (steam turbine)، توربین گاز (gas turbine) و توربین هیدرولیکی (hydraulic turbine) است. وظیفه اصلی دسته دوم افزایش فشار کل سیال عامل با مصرف برق است. این دسته شامل کمپرسور (compressor)، پمپ (pump) و فن (fan) است. پمپ‌ها و توربین‌ها به دلیل کاربردهایشان انواع مختلفی دارند. با این حال، محبوب‌ترین آنها در صنعت، نوع محوری (axial) و گریزازمرکز (centrifugal) هستند. بهینه سازی توربوماشین‌ها در صنعت بسیار مهم است؛ زیرا انرژی زیادی مصرف می‌کنند. بنابراین عملکرد بهتر باعث کاهش مصرف انرژی می‌شود و درنهایت به ما کمک می‌کند تا محیطی پاک‌تر داشته باشیم.

چگونه می‌توان توربوماشین‌ها را با استفاده از شبیه سازی CFD توسعه داد؟

تئوری اساسی فرآیند مدلسازی توربوماشین را می‌توان از طریق انتقال انرژی جنبشی جریان سیال به خود توربوماشین یا بالعکس توضیح داد. در دو دسته‌ای که قبلاً ذکر شد، برای توربوماشین‌هایی مانند توربین‌ها که جریانی با فشار و مومنتوم مشخص به پره‌های توربین مذکور برخورد می‌کند و درنتیجه، انرژی خود را به توربین منتقل می‌کند و باعث می‌شود شفت آن داخل ژنراتور بچرخد و اشکال مختلف انرژی مانند برق را تولید کند. با این حال، در ماشین‌هایی مانند پمپ‌ها و کمپرسورها، برای چرخاندن پروانه‌های این تجهیزات برای انتقال نیرو به سیال، الکتریسیته مورد نیاز است.

ایجاد تجهیزات توربوماشین مؤثرتر مستلزم درک عمیق‌تر عناصر تأثیرگذار بر عملکرد و تنظیم دقیق آن‌ها است. شبیه‌ سازی‌های امروزی به کمک رایانه، ارائه حل‌هایی برای بهینه‌سازی طراحی و عملکرد توربوماشین را ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر از همیشه می‌کند.

مهندسان CAE می‌توانند به راحتی طراحی (هندسه پره‌ها، زوایای جریان، دبی جرمی جریان و افت فشار) را برای افزایش عملکرد از مراحل اولیه طراحی با استفاده از اطلاعات خاص در مورد الگوی جریان داخل توربین‌های کمپرسور، پمپ ها، و دمنده‌ها بهینه سازی کنند.

به منظور پیشنهاد جایگزین‌ها و مفاهیم طراحی موثر، شبیه سازی توربوماشین در شناسایی جنبه‌های حیاتی موثر بر عملکرد تجهیز کمک می‌کند. تعداد آزمایش‌های نمونه اولیه به شدت کاهش یافته است، اما تعداد نمونه‌های اولیه مجازی هنگام استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی مجازی نامحدود است. با کاهش تعداد اندازه‌گیری‌ها، CFD به مهندسانی که در توربوماشین کار می‌کنند، این امکان را می‌دهد تا محصولات جدید را با سرعت بیشتری توسعه دهند.

شبیه سازی CFD دمنده‌های شعاعی

دمنده ابزار خاصی است که برای دمیدن هوای پرفشار استفاده می‌شود که معمولاً کاربردهایی مانند تمیز کردن گردوغبار و غیره دارد. به عنوان مثال، یک دمنده برای تمیز کردن سخت افزار و قطعات کامپیوتر استفاده می‌شود. موتور مرکزی دستگاه با حرکت چرخشی خود فشار هوای قابل توجهی تولید می‌کند که سپس به بیرون از قسمت خروجی دستگاه هدایت می‌شود. در ساخت این مدل سازی از دمنده‌های گریزازمرکز استفاده شده است. دمنده گریزازمرکز ممکن است هوا را از مرکز خود جذب کند و سپس این جریان هوا وارد پروانه‌هایی می‌شود که به شکل دیسک‌های فینی هستند که در مرکز قرار دارند. جریان هوا درنتیجه عملکرد دایره‌ای سریع پره‌ها می‌چرخد.

فشار هوا به دلیل نیروی گریز از مرکز افزایش می‌یابد که به جریان هوا را نیز شتاب می‌دهد. درنهایت، مجرای روی بدنه بیرونی دمنده، این هوای پرفشار را به محیط بیرون هدایت می‌کند.

درابتدای فرآیند طراحی، CFD می‌تواند چندین مدل CAD را تحلیل کند، نیاز به نمونه‌های اولیه فیزیکی و آزمایش‌های پرهزینه را کاهش دهد و طراحی را برای حداکثر کارایی بهینه کند.

کاربرد CFD برای توربین باد محور عمودی (Vertical Axis Wind Turbine (VAWT))

توربین‌های بادی کوچک و انرژی بادی شهری دو زمینه مطالعاتی هستند که اغلب به یکدیگر مربوط می‌شوند. توربین‌های بادی در صنعت بادی با توجه به محور چرخش خود به دو دسته توربین‌های بادی محور افقی و توربین‌های بادی محور عمودی تقسیم می‌شوند. آزمایش در مقیاس بزرگ نشان داده است که طراحی توربین بادی محور افقی، مؤثر و مقرون به صرفه است؛ با این حال، این توربین آن وابسته به جهت باد است. علاوه براین، مکانیزم انحراف (yaw mechanism) مورد نیاز است. یک توربین باد محور افقی کوچک در محیط ساخته شده به دلیل انحرافات جریان ضعیف عمل می‌کند. در این راستا، ایده توربین باد محور عمودی مزایای متعددی در محیط شهری دارد.

روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی با اطمینان و اعتبار بالا می‌توانند رفتار پیچیده جریان در اطراف توربین‌های بادی را به لطف قدرت کامپیوتر و بهبود زیرساخت‌ها به طور گسترده مورد مطالعه قرار دهند.

کاویتاسیون درون توربوماشین با استفاده از CFD

کاویتاسیون در پنجاه سال گذشته یک مسأله کلیدی برای مهندسین سیستم پمپ بوده است. کاویتاسیون فرآیندی است که طی آن حباب‌های بخار در مناطق کم فشار جریان ایجاد می‌شود. این امر معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که فشار در مسیر جریان پمپ به زیر فشار بخار می‌رسد. فشاری که یک بخار اعمال می‌کند، زمانی که با مایع خود در یک دمای معین در تعادل ترمودینامیکی قرار می‌گیرد. این امر معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که فشار کافی در بخش مکش پمپ وجود نداشته باشد.

در مناطقی که فشار کمتر از فشار بخار مربوط به دمای سیال است، کاویتاسیون به عنوان تولید حباب‌های گاز ظاهر می‌شود. وقتی که مایع به سمت خروجی پمپ جریان می‌یابد، فشار افزایش می‌یابد و حباب‌ها را مجبور به ترکیدن می‌کند و امواج شوک (shock wave) قوی ایجاد می‌کند که سطوح فلزی را فرسایش می‌دهد و باعث ایجاد لرزش و آسیب مکانیکی می‌شود.

کاویتاسیون هنوز هم یکی از دشوارترین موضوعات برای مهندسین CFD برای مطالعه است و در صنایع مختلف از جمله پمپ‌ها، اژدرها، هیدروفویل‌ها و ملخ‌های دریایی اتفاق می‌‌افتد.

این پست فقط به چند کاربرد CFD نگاه می‌کند که می‌تواند به توسعه توربوماشین کمک کند. تجارت مکانیکی کاربردهای CFD زیادی دارد، از توربین چرخ پلتون گرفته تا مدل‌سازی توربین بادی محور افقی سه‌پره و کاویتاسیون در پمپ جریان شعاعی برای ارزیابی پارامترهای اصلی مانند سرعت، دما و فشار، که همه چالش‌های کلیدی در صنعت هستند.

بیشتر جنبه‌های صنعت توربوماشین بر دینامیک سیالات متکی است. اگرچه نمونه‌های اولیه فیزیکی برای مراحل بعدی توسعه مورد نیاز است، مطالعات CFD ممکن است به طور قابل توجهی سرعت طراحی و بهینه سازی را در مراحل اولیه افزایش دهد.

خدمات گروه پردازشگران مهر

گروه پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی توربوماشین انجام داده است. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. به عنوان مثال، شبیه‌ سازی توربین چرخ پلتون به صورت مستقل و برای دستیابی به پارامترهای کلیدی فرایند حل انجام می‌شود.

توربین پلتون تنها توربین هیدرولیک ضربه‌ای است که درحال حاضر استفاده می‌شود. طبق قانون دوم نیوتن، این توربین از یک جت سیال برای تولید انرژی استفاده می‌کند. این توربین توسط یک نازل آب تحت فشار مماس به سطل متصل به رانر برخورد می‌کند و رانر را می‌چرخاند. سطل‌ها جفت هستند تا مونتوم به آرامی و کارآمدی منتقل شود، علاوه بر موازنه نیرویی که اعمال می‌شود. گلوله‌ها در اندازه‌های مختلف هستند. از اندازه‌های بزرگ در سدها استفاده می شود؛ زیرا این توربین‌ها به طور خاص برای هدهای بزرگ طراحی شده‌اند و از اندازه‌های کوچک برای تولید برق در مناطق دورافتاده استفاده می‌شود.

نرم افزار ANSYS Fluent یک توربین چرخ پلتون با قطر 300 میلی متر و 15 سطل را در این پروژه شبیه سازی می‌کند. همچنین هدف این پروژه به دست آوردن مقدار گشتاور تولیدی در این توربین است.

تحقیق زیر به جریان هوا پیرامون پره‌های توربین باد محور افقی (HAWT) می‌پردازد. بنابراین هدف از این مسأله، بررسی توزیع سرعت و فشار برروی سطح تیغه‌ها و بدنه آن‌ها است. سه ناحیه دراطراف تیغه ها برای جریان هوا وجود دارد. یک ناحیه اطراف تیغه‌ها، یک ناحیه جلوی تیغه‌ها و یک ناحیه پشت تیغه‌ها وجود دارد. جریان هوا در جلو و پشت تیغه‌ها به طور معمولی رفتار می‌کند؛ درحالی که حرکت چرخشی باعث ایجاد جریان چرخشی در ناحیه اطراف پره‌ها می شود.

پدیده کاویتاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که فشار مایع در دمای ثابت به زیر فشار بخار آن می‌رسد. در این حالت، ذرات از مایع به بخار تبدیل می‌شوند و حباب تشکیل می‌دهند. این فرآیند کاویتاسیون نامیده می‌شود. حال اگر این حباب‌ها به قسمت‌های پرفشار پمپ منتقل شوند، فرو می‌ریزند. این فروپاشی حباب به صورت موضعی خلاء ایجاد می‌کند که درنتیجه، ذرات مایع اطراف حباب با سرعت و فشار بسیار زیاد به سمت فضای خالی حرکت می‌کنند.

مسأله حاضر کاویتاسیون در پمپ جریان محوری با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent شبیه‌سازی می‌کند. این پمپ از نوع پمپ گریز از مرکز (جریان شعاعی) می‌باشد. به این ترتیب سیال مورد نظر به موازات محور مرکزی وارد آن شده و به صورت شعاعی یا عمود بر مسیر ورودی از آن خارج می‌شود. این نوع پمپ‌ها معمولاً برای ایجاد فشارهای بالا در دبی کم استفاده می‌شوند و همچنین رایج ترین نوع در بین پمپ‌ها هستند.

پردازشگران مهر، متخصص در زمینه توربوماشین

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می‌باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی‌های توربوماشین به صورت زیر طبقه بندی می‌شوند:

• شبیه سازی انواع مختلف توربین‌ها (HAWT, VAWT, Kaplan, Liam و …)
• تحلیل آکوستیک و کاهش نویز تجهیزات توربوماشین
• بررسی اثر کاویتاسیون درون توربوماشین‌ها
• شبیه سازی انواع پمپ‌ها و کمپرسورها
• شبیه سازی کمپرسورهای چندمرحله‌ای
• شبیه سازی دمنده‌های شعاعی
• شبیه سازی دمنده‌های جریان متقاطع
• شبیه سازی مزرعه بادی
• و …..

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی توربوماشین را در فروشگاه آموزشی بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی توربوماشین به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.