22 Oct
4:43

Penskalaan dan Pemangkasan di Mesin Turbo

pengantar

Terlepas dari pemahaman yang mendalam tentang esensi proses dinamis-gas dan pengembangan metode komputasi, metode desain yang lebih sederhana seperti penskalaan dan pemangkasan tetap diminati dalam rekayasa turbomachinery. Keuntungan utama dari pendekatan ini dibandingkan desain dari awal adalah kesederhanaan dan sifatnya yang murah karena pengeluaran waktu yang kecil dan permintaan yang lebih rendah dari sumber daya komputasi. Akurasi prediksi yang baik dari kinerja dan efisiensi mesin yang dihasilkan didasarkan pada penggunaan mesin yang sudah ada dengan karakteristik yang terkenal sebagai prototipe.

Sebaliknya, menggunakan prototipe memberlakukan batasan pada penggunaan metode penskalaan dan pemangkasan. Hampir tidak mungkin untuk mendapatkan desain baru dengan tekanan dan efisiensi yang lebih tinggi dari prototipe. Juga, dalam kasus di mana diperlukan untuk mendapatkan kinerja yang secara signifikan berbeda dari prototipe, keandalan yang melekat dari prediksi asli mungkin tidak cukup.

Metode Penskalaan

Mudah diterapkan dan hukum penskalaan yang umum, valid, diperlukan untuk insinyur desain dan aplikasi. Hukum skala diperlukan untuk tujuan:

  1. Memprediksi mesin kinerja skala penuh dari data uji model yang diperoleh dari mesin berskala
  2. Memperoleh keluarga mesin dengan kinerja berbeda berdasarkan satu mesin yang teruji dengan baik

­

Pengujian kinerja dan efisiensi eksperimental pada model ukuran penuh dari mesin besar seperti kipas angin untuk ventilasi terowongan dan tambang atau untuk memindahkan udara pembakaran dan gas asap di pembangkit listrik mungkin tidak praktis karena biaya energi yang tinggi dan keterbatasan geometrik dari tempat percobaan. Dalam kasus ini, model skala digunakan. Dan meskipun kesamaan lengkap tidak dipertahankan, misalnya, dalam hal bilangan Reynolds, faktor koreksi dalam banyak kasus sudah diketahui dengan baik dan akurasi prediksinya tinggi.

Metode ini melibatkan implementasi jalur aliran kipas atau kompresor yang dirancang pada skala ke prototipe. Ini berarti bahwa semua dimensi linier (misalnya diameter, bilah bilah, panjang aksial, dll.) harus dikalikan dengan faktor penskalaan (SF). Dimensi sudut (misalnya sudut bilah pada saluran masuk dan keluar, sudut kemiringan, dll.) tetap tidak berubah.

Saat penskalaan, diasumsikan bahwa parameter seperti Rasio Tekanan, kecepatan keliling (U), dan kecepatan aksial (Cz) sama untuk mesin yang dirancang dan prototipe. Dengan demikian:

Kondisi persamaan kriteria Reynolds tidak dapat dipastikan, karena kompresor yang dirancang dan prototipe tidak memiliki diameter rotor yang sama dengan persamaan parameter lain yang menentukan jumlah Rew. Desain ini menjamin akurasi praktis dari karakteristik yang dihitung, asalkan pergerakan gas di jalur aliran turbulen. Diketahui bahwa untuk nilai “fisik” bilangan Reynolds

Formula Pemangkasan dan Penskalaan 2

aliran tetap turbulen dan ketidaksamaan bilangan Reynolds dari kompresor yang dirancang dan prototipe memiliki sedikit pengaruh pada karakteristik gas-dinamis.

Untuk menentukan efisiensi kipas tekanan rendah, biasanya digunakan rumus terkenal:

Formula Pemangkasan dan Penskalaan 3

Contoh memperoleh tahap kompresor aksial dengan metode penskalaan ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 - Penskalaan Tahap Kompresor Aksial
Gambar 1 – Penskalaan Tahap Kompresor Aksial

Kerugian dari metode penskalaan termasuk kebutuhan untuk mengubah kecepatan rotor. Hal ini dapat relevan untuk instalasi industri, di mana kecepatan putaran seringkali terbatas dan terkait dengan frekuensi arus jaringan listrik. Selain itu, kebutuhan untuk mengubah dimensi secara keseluruhan dapat menjadi faktor pembatas, terutama jika perlu untuk meningkatkan produktivitas secara signifikan, dan lokasi pemasangan mesin turbo terbatas. Dalam beberapa kasus, mempertahankan kesamaan geometris penuh tidak mungkin karena alasan teknologi atau konstruktif. Misalnya, nilai minimum celah ujung mungkin dibatasi oleh kondisi operasi rotor (tidak menyentuh rotor terhadap rumahan) atau ketidakmungkinan memperoleh jarak bebas kecil jika penskalaan dilakukan dari prototipe besar ke prototipe kecil. model.

Metode Pemangkasan

Pemangkasan rotor kipas adalah praktik industri yang umum dan melayani beberapa tujuan berbeda. Dalam aplikasi di mana biaya rendah lebih penting daripada efisiensi tinggi, impeler cor dapat dikerjakan kemudian dalam proses untuk menghasilkan impeler dengan karakteristik operasi yang berbeda dari satu cetakan. Demikian pula, desain aliran tinggi tunggal dapat diperluas untuk menjadi keluarga penggemar melalui pemangkasan berturut-turut untuk mencakup rentang aliran yang luas. Selain itu, akan sangat berguna untuk memodifikasi desain impeller yang ada untuk persyaratan kinerja baru daripada melakukan desain “clean sheet” pada impeller baru. Keuntungan dari trimming adalah kemampuan untuk mengurangi kinerja kipas tanpa mengubah kecepatan rotor, serta perubahan minimal pada bagian housing.

Salah satu metode untuk merancang kompresor aksial adalah dengan mendapatkan kompresor bertingkat dengan menggunakan satu (model) tahap awal. Kontrol kecepatan aksial di sepanjang jalur aliran dilakukan dengan mengurangi area anulus inlet dari setiap tahap. Untuk ini, bilah dipangkas di sepanjang selubung hub atau di kedua sisi (Gambar 2).

Gambar 2 - Jenis-Jenis Utama Bagian Aliran yang Diperoleh dengan Metode Pemangkasan
Gambar 2 – Jenis-Jenis Utama Bagian Aliran yang Diperoleh dengan Metode Pemangkasan

Tahap kompresor dapat memiliki distribusi tekanan total dan kecepatan aksial yang berbeda di sepanjang ketinggian sudu. Misalnya, dalam tahapan yang dirancang menurut hukum pusaran bebas, distribusi teoritis dari tekanan total dan kecepatan aksial adalah seragam sepanjang tinggi sudu. Oleh karena itu, untuk jenis tahap ini, pemangkasan tidak akan mempengaruhi nilai ringkasan kecepatan aksial atau tekanan total.

Namun pada kenyataannya, banyak penelitian menunjukkan bahwa tidak mungkin untuk mendapatkan diagram kecepatan aksial dan tekanan total yang seragam untuk tahap yang bahkan dirancang menurut hukum pusaran bebas. Gambar 3 menunjukkan skema tahap dengan kecepatan aksial dan plot tekanan total. Di zona dekat permukaan hub dan selubung, nilai kecepatan aksial dan tekanan total turun tajam karena kehilangan lapisan batas.

Gambar 3 - Plot Tekanan Total dan Kecepatan Aksial dalam Tahap Nyata Terisolasi
Gambar 3 – Plot Tekanan Total dan Kecepatan Aksial dalam Tahap Nyata Terisolasi

Saat pemangkasan, kecepatan aksial dan diagram tekanan total diperoleh dengan perpindahan paralel dari zona kecepatan dan penurunan tekanan di dekat dinding. Peningkatan pemangkasan mengarah pada pengurangan area distribusi parameter yang seragam (inti aliran) dan sampai hilangnya inti aliran dan penggabungan zona parameter dekat dinding turun.

Sebagai aturan, dalam tahap nyata, nilai tekanan total meningkat dari hub ke selubung, sedangkan diagram tekanan total seragam di saluran masuk ke panggung. Dengan pemangkasan hub, tekanan total rata-rata di hilir panggung meningkat. Namun, dengan pemangkasan berlebih, ketika zona dekat-dinding dari penurunan parameter bergabung, tekanan total rata-rata dari panggung turun. Dengan pemangkasan selubung, tekanan rata-rata hilir panggung selalu turun.

Perubahan koefisien head (rumus di bawah) dari suatu tahap karena pemangkasan ditentukan secara empiris.

Formula Pemangkasan dan Penskalaan 4

Pengalaman menunjukkan bahwa pada tahap kompresor nyata, diagram tekanan total dapat memiliki tingkat ketidakrataan yang berbeda dengan zona penurunan parameter di dekat dinding yang berbeda. Oleh karena itu, nilai Kmemangkased koefisien berbeda untuk tahapan yang berbeda (lihat rumus di bawah).

Formula Pemangkasan dan Penskalaan 5

Sebagai contoh, Gambar 4 menunjukkan Kmemangkased distribusi untuk tahap K-100-4 untuk pemangkasan hub dan shroud.

Gambar 4 - Dependence Plot dari Ktrimmed Coefficient untuk Tahap K-100-4
Gambar 4 – Plot Ketergantungan dari Kdipangkas Koefisien untuk Tahap K-100-4

Kesimpulan

Metode sederhana untuk mendapatkan desain baru seperti penskalaan dan pemangkasan memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan metode desain modern dan memiliki aplikasinya dalam rekayasa mesin turbo saat ini. Penskalaan dan pemangkasan sedang menghasilkan desain yang sangat dapat diprediksi, dan dapat lebih murah dan lebih mudah diselesaikan daripada menjalani desain lembar bersih baru.

Kerugian utama dari metode penskalaan dan pemangkasan termasuk ketidakmungkinan mendapatkan desain dengan peningkatan tekanan yang signifikan daripada prototipe. Selain itu, akurasi prediksi parameter dapat menurun jika penskalaan dan pemangkasan dilakukan pada nilai yang besar.

Apakah Anda mencari cara untuk meningkatkan kemampuan penskalaan dan pemangkasan Anda dengan lebih baik? Atau mungkin Anda ingin mendapatkan desain yang dipangkas dan diskalakan lebih cepat untuk menawar kontrak desain? Maka Anda tidak ingin ketinggalan webinar kami yang akan datang tentang pemangkasan dan penskalaan turbomachinery, yang diadakan pada 10 November 2021 pukul 10:00 EST. Daftar gratis di sini.

« »