TurboSpec

Niestabilny zakres pracy turbosprężarek

W turbosprężarkach możemy mieć do czynienia z różnorodnymi niestabilnościami w trakcie różnorodnych warunków ich pracy. W niniejszym opracowaniu skupimy się na dwóch aerodynamicznych niestbilnościach w turbosprężarkach nazywanych popularnie w literaturze anglojęzycznej „Rotating Stall” oraz „Compressor Surge”. Obydwa zjawiska mogą wpływać na siebie bowiem występują w tym samym zakresie pracy turbosprężarki. Większość specyficznych zafalowań kompresora odnosi się do modów zerowego rzędu kompletnej turbosprężarki, natomiast rotating stall jest powiązany z modami przestrzennymi wyższych rzędów.

Wyjaśnienie

Mody odnoszą się do drgań oraz analiz modalnych. Pod pojęciem moda należy rozumieć wewnętrzną własność struktury zdeterminowaną przez własności materiałowe (masa, tłumienie, sztywność) i warunki brzegowe. Mod jest zdefiniowany poprzez częstotliwość drgań własnych, tłumienie modalne, postać drgań własnych. Parametry modalne wszystkich modów tworzą pełny opis wewnętrznych własności dynamicznych struktury, na którą nie działają siły.

Wyniki analizy modalnej mogą być stosowane dla celów modyfikacji konstrukcji, diagnostyki stanu konstrukcji, weryfikacji i dostrajania modeli numerycznych, do syntezy układów sterowania, diagnostyki maszyn opartej o śledzenie zmian parametrów modeli wraz ze zmianą stanu badanego obiektu. W analizach modalnych chodzi o wyznaczenie czestosci (czestotliwosci) wlasnych oraz postaci drgań (modów) przypisanych tym czestościom (czestotliwościom). Majac te informacje znamy czestotliwości rezonansowe czyli wiesz w jakich warunkach pracy (przy jakim wymuszeniu) analizowana czesć nie powinna pracować aby nie znajdować sie w rezonansie. Z wynikow analiz modalych wiemy takze gdzie wystepuja najwieksze naprezenia przy danej postaci drgan ale niestety nie znamy ich rzeczywistych wartosci, aby je poznac nalezy przeprowadzic analizę harmoniczną lub PSD do czego niestety potrzebne sa wartości wymuszen (przemieszczenia, predkosci, przyspieszenia).

Rotating Stall

Rotating stall jest aerodynamiczną niestabilnością występującą we wnętrzu kompresora i jest scharakteryzowana jako zakłócenie charakterystyki przepływu. Rotating stall powstaje w wyniku:

  • destabilizacji przepływu koła kompresora lub w wyniku
  • destabilizacji przepływu w dyfuzorze

Komórki stagnacji (stagnant cell) wirują z prędkościami od 10 do 90% obrotów wału koła kompresji. Mniejsze komórki wirują przeważnie szybciej niż większe. Komórki stagnacji (stagnant cell) obniżają lub kompletnie degradują przepływ co skutkuje dużymi wibracjami i obciążeniem termicznym łopatek koła kompresji. Powyższe zjawisko powoduje duży spadek wydajności i sprawności turbosprężarek. Rotating stall wprowadza stopniowy lub raptowny spadek ciśnienia co może powodować zjawisko histerezy w systemie. Zjawisko powoduje konieczność zwiększenia tempa przepływu poza zakres jego punktu inicjacji, tak aby turbosprężarka pracowała poza niestabilnym zakresem pracy.

Poniższy rysunek przedstawia trzy komórki stagnacji (stagnant cell)

dyfuzor_obudowadyfuzor

Zjawisko o którym mowa może doprowadzić do uszkodzenia turbosprężarki oraz generowania uciążliwych dźwięków i z tego też powodu turbosprężarki są projektowane obecnie w sposób, który pozwala na ich użytkowania poza zakresem ich niestabilnej pracy. Powyższe zjawisko jest dużym ograniczeniem możliwości turbosprężarki, a efekty jego występowania pomimo iż są dobrze znane, to sposób i przebieg powstawania są w dalszym ciągu kwestią badań.

rotating stall wykresy

Surge

Surge to niestabilność dotycząca całego systemu kompresji i jest opisany jako oscylacje które skutkują dużymi skokami amplitudy ciśnienia i przepływu. Surge występuje tylko przy ściśliwych przepływach, natomiast rotating stall pojawia się w przypadku ściśliwych i nieściśliwych przepływów. Surge powoduje zauważalne spadki wydajności oraz sprawności systemu. Oscylujące ciśnienie może może spowodować uszkodzenie kompresora poprzez duże mechaniczne obciążenia całego systemu kompresji. Dodatkowo fluktuacje ciśnienia i przepływu mogą powodować chemiczne procesy w systemie kompresji. Występują 4 typy surge, rozróżniamy je na podstawie amplitudy oraz częstotliwości oscylacji. Mild surge, classic surge, deep surge i modified surge. Deep surge jest najczęściej występującym i towarzyszy mu niska częstotliwość fluktuaji, duża amplituda oscylacji i ujemny przepływ. Przykład takich oscylacji pokazuje poniższy rysunek:

cykl_surge

Jak można zaradzić zjawisku SURGE

Region niestabilnej pracy turbosprężarki określa mapa turbosprężarki. Linia określająca region niestabilnej pracy turbosprężarki to zewnętrzna lewa linia na mapie turbosprężarki.

recylkulacja fig3_enlarged

recylkulacja fig2_enlarges

Linia ta wskazuje warunki, po których przekroczeniu mamy do czynienia z niestabilną pracą turbosprężarki. Warunki takie występują w momencie, kiedy turbosprężarka pompuje więcej powietrza niż silnik jest w stanie zassać. Wstępnie można by sobie pomyśleć, iż jest to pożądane zjawisko, ponieważ daje nam wyższe ciśnienie doładowania i jest to prawda, ale tylko w momencie, gdy znajdujemy się na wykresie mapy turbosprężarki. Upraszczając zewnętrzna lewa linia na mapie turbosprężarki wskazuje nam minimalny przepływ powietrza potrzebny, do tego, aby nie dochodziło do powstawania fali ciśnienia odbitej zazwyczaj od przepustnicy, która jest niezwykle niebezpieczna dla turbosprężarki. Zjawisko takie przeważnie występuje podczas przyśpieszania, kiedy nagle zdejmujemy nogę z pedału przyśpieszenia. Powszechnym zabezpieczeniem przed tego typu zjawiskiem jest zawór BOV, który chroni turbosprężarkę przed odbitą falą wysokiego ciśnienia. Ciekawym rozwiązaniem powyższego zjawiska jest rozszerzenie pasma pracy turbosprężarki poprzez stosowanie tak zwanego portu recyrkulacji powietrza (Shroud Port). Port ten pozwala na powrót części odbitego powietrza bezpośrednio do wlotu turbosprężarki. Na rysunkach powyżej możemy zobaczyć jak port recyrkulacji wpływa na rozszerzenie pasma pracy turbosprężarki. Poniżej zamieszczamy filmik z systemem turbo z niesprawnością typu Surge: