Turbomaskin med variabel geometri

En turbomaskin med variabel geometri använder rörliga blad för att optimera dess effektivitet vid olika driftsförhållanden. Den här artikeln hänvisar till rörliga skovlar som används i vätskepumpar och turboladdarturbiner. Den täcker inte den utbredda användningen av rörliga skovlar i gasturbinkompressorer.

Prestandaegenskaper hos turbomaskiner

Om alla vätskehastigheter vid motsvarande punkter i turbomaskinen är i samma riktning och proportionella mot bladhastigheten, så kommer drifttillståndet för en turbomaskin vid två olika rotationshastigheter att vara dynamiskt lika. Om två punkter, var och en på olika kurva för huvudflödeskarakteristik, representerar liknande dynamisk drift av turbomaskinen, kommer de icke-dimensionella variablerna (om man ignorerar Reynolds taleffekter) att ha samma värden.

Figur 1. Dimensionslösa huvud-volymegenskaper hos centrifugalpumpen

Huvudkoefficient

\psi \ =f_{1}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,

()

Effektivitet

\eta \ =f_{2}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,

()

Effektkoefficient

P=f_{3}\!\left({Q \over {ND^{3}}}\right),\,

()

Var,

$N$ är rotationshastighet.

$Q$ är flödeshastighet.

$D$ är pumphjulets diameter.

Således är icke-dimensionell representation mycket fördelaktig för att konvergera till en enda prestandakurva som annars skulle resultera i flera kurvor om den ritades dimensionellt. Figur 1 visar tryckhöjdskarakteristika för centrifugalpumpen kontra flödeskoefficient. Inom det normala arbetsområdet för denna pump, 0,03 <Q/(ND ³ ) < 0,06 , sammanfaller huvudkarakteristikkurvorna ungefär för olika hastighetsvärden (2500 <N<5000 varv/min) och liten spridning kan bero på effekten av Reynolds nummer. För mindre flödeskoefficient, Q/(ND ³ ) < 0,025 , blev flödet ostadigt men dynamiskt liknande förhållanden uppträder fortfarande, dvs. huvudkarakteristiska kurvor sammanfaller fortfarande för olika hastighetsvärden. Men vid höga flödeshastigheter märks avvikelser från enkelkurvan för högre hastighetsvärden. Denna effekt beror på kavitation , ett höghastighetsfenomen hos hydrauliska maskiner som orsakas av utsläpp av ångbubblor vid låga tryck. Sålunda under icke-designade driftsförhållanden, dvs Q/(ND3 ⁾ < 0,03 och Q/(ND3 ⁾ > 0,06 , blir flödet ostadigt och kavitationer uppstår. Så för att undvika kavitation öka effektiviteten vid höga flödeshastigheter tillgriper vi Variable Geometry Turbomachine.

Turbomaskin med fast geometri

Maskiner med fast geometri är konstruerade för att arbeta med maximal effektivitet. Effektiviteten hos en maskin med fast geometri beror på flödeskoefficienten och Reynolds tal . För ett konstant Reynolds-tal när flödeskoefficienten ökar, ökar också effektiviteten, når ett maximalt värde och minskar sedan. Sålunda är off-design operation helt ineffektiv och kan resultera i kavitation vid högre flödeshastigheter.

Turbomaskin med variabel geometri

En turbomaskin med variabel geometri använder rörliga blad för att reglera flödet. Vinklarna varieras med kammar som drivs av servomotor ( ställdon ). I stora installationer som involverar många tusen kilowatt och där driftsförhållandena fluktuerar, är sofistikerade styrsystem inbyggda. Turbomaskin med variabel geometri erbjuder därför en bättre matchning av effektivitet med förändrade flödesförhållanden.

Figur 2 beskriver enveloppen av optimal verkningsgrad för en turbomaskin med variabel geometri. I figuren representerar var och en av kurvorna $(a,b\,and\,c)$ olika maskiner med fast geometri. Verkningsgraden för turbomaskinen med variabel geometri skär punkten för maximal verkningsgrad för var och en av kurvorna $\,and\,c)}$ .

Eftersom skovelvinklarna är variabla i Variable Geometry Turbomachine, introducerar vi därför ytterligare en variabel $\beta$ i ekvation 1 och 2 för att representera inställningen av bladen. Vi kan skriva:

Figur 2. Olika effektivitetskurvor för en given maskin erhållna med olika bladinställningar.

$\psi \ =f_{4}(\phi ,\beta ),\,$

$\eta \ =f_{5}(\phi ,\beta ),\,$

Där, flödeskoefficient, $\phi \ =\!\left({Q \över {ND^{3}}}\höger).\,$

Alternativt med

$\beta \ =f_{6}(\psi ,\phi ),\,$

$\beta \ =f_{7}(\eta ,\phi ),\,$

$\beta$ kan elimineras för att ge ett nytt funktionellt beroende:

$\eta \ =f_{8}(\phi ,\psi )=f_{8}\!\left({Q \over {ND^{3}}},{gH \over {N^{2 }D^{2}}}\höger).\,$

Verkningsgraden i en pump med variabel geometri är således en funktion av både flödeskoefficient och energiöverföringskoefficient.

Ansökningar

Variable Geometry Turbomachine-teknologi används i turboladdare av dieselmotorer, där turbon har variabla skovlar som styr flödet av avgaser till turbinbladen. En turboladdare med variabel geometri har rörliga blad som riktar avgasflödet mot turbinbladen. Ställdon används för att justera skovelvinklarna. Vinkeln på vingarna varierar över hela varvtalsområdet för att optimera turbinens beteende. Vid högt motorvarvtal är skovlarna helt öppna och avgaserna är helt riktade mot turbinbladen. Vid låga motorvarvtal är vingarna nästan stängda och skapar en smal passage för avgaserna. Detta accelererar avgaserna mot turbinbladen, vilket gör att de snurrar snabbare.

Figur 3. Olika skovelkonfigurationer

Se även

externa länkar

"Den mest pålitliga platsen för att svara på livets frågor" . Svar. 2017-01-24 . Hämtad 2017-03-10 .
Tan, Paul. "Hur fungerar variabel turbingeometri?" . Paultan.org . Hämtad 2017-03-10 .