SANTRİFÜJ KOMPRESÖR ÇARKININ ÖN TASARIMI. Saim KOÇAK. S. Ü. Mühendislik - Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, Kampüs Konya

Transkript

1 TEKNOLOJİ, (00), Syı -, 9-5 TEKNOLOJİ SANTRİFÜJ KOMPRESÖR ÇARKININ ÖN TASARIMI Sim KOÇAK S. Ü. Mühendislik - Mimrlık Fkültesi Mkin Mühendisliği Bölümü, Kmpüs Kony ÖZET Sntrifüj kompresörü çrkınd ön tsrımın ypılbilmesi için özgül enerji, devir syısı ve kütlesel debi prmetrelerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu prmetreler kullnılrk ypıln tsrımd ikincil kışlrın etkisi gibi deneysel çlışmlr ile bulunn sonuçlr dikkte lınır. Sınırlmlr ile birlikte güç zlığı fktörü ve iş girdi ktsyısın göre düzenlenen hesplm metodund boyutsuz prmetreler geliştirilmiş ve bsınç kenrı çpı bulunmuştur. Emme kenrı üst çpı ile bsınç kenrı çp ornını kullnrk emme kenrı üst ynk ve lt ynk çplrı hesplnmıştır. Anhtr kelimeler:sntrifüj kompresör, çrk, ön tsrım, emme kenrı, bsınç kenrı ABSTRACT PRELIMINARY DESIGN OF IMPELLER OF CENTRIFUGAL COMPRESSOR It is essentil to know tht of specific energy, speed of rottion nd mss flow rte in order to do preliminry design of the impeller of centrifugl compressor. A design, in which these prmeters re to be used, some experimentl studies such s secondry flow should be tken in considertion. In these study, vrious nondimensionl prmeters re determined nd impeller dischrge dimeter re proposed by using work reduction nd work input coefficient in the opertion rnge. Inducer tip nd hub dimeters re lso clculted in reltion with the rtio between inducer tip dimeter nd dischrge dimeter. Key Words: Centrifugl compressor, impeller, preliminry design, inducer, dischrge.giriş Deneysel çlışmd sntrifüj kompresör ve pomp çrkındn difüzöre boşln kışın simetrik olduğunu görülmüştür. Geliştirilen jet-wke modeli çrk çıkışındki bölgede çışın teorik ve deneysel çlışm sonuçlrının krşılştırılbilmesine imkn sğlmıştır []. Sntrifüj kompresör ve pomplrd kullnıln kntsız difüzördeki kyıplrı nliz edilmiş, deneysel sonuçlrl krşılştırılmış ve bu sonuçlrı dikkte lrk tsrım için bzı kriterler geliştirilmiştir []. Kntlrı geriye yönlendirilmiş çrklr için mksimum verimin özgül hızın ile.08 değerleri rsınd olbileceğini teorik olrk gösterilmiştir [3]. Sntrifüj kompresör ve rdyl türbindeki kış için genel bir tsrım prosedürü geliştirilmiştir. Çrkt idel kıştn gerçek kış geçmek için entlpi kyıplrını dikkte ln bir kyıp ktsyısı tnımlnmıştır. Bu kyıp ktsyısını boyutsuz kütle kış prmetresinin sğ trfın bir çrpn olrk getirilmiştir [4].

2 0 Sntrifüj Kompresör Çrkının Ön Tsrımı Sntrifüj kompresör ve rdyl türbinin kullnıldığı turboşrj gibi uygulmlrı için tsrım noktsı hesplrındn sonr, tsrım dışı çlışm şrtlrı için entropi kyıbı thmini üzerine kuruln bir tsrım prosedürü sunulmuştur. Türbin performns eğrileri üzerinde motor hızlrını göstererek uygun çlışm şrtlrını tespit edilmiştir [5]. Çrk kndının geriye ytıklştırılmsının rtırılmsı ile optimum özgül hızın rtırıldığı ve herhngi bir bsınç kenrı knt çısınd Mch syısının rtırılmsıyl optimum özgül hızın zldığı gösterilmiştir [6]. Yüksek bsınç ornlı sntrifüj kompresör çrkını tsrım hızının %70 hızı ile test edilmiştir. Emme kenrındki kış shsını lzer hız ölçeri (LFV) ölçülmüş, düşük kütlesel debinde üst ynktki sttik bsınçt dlglnmlrı, ve emme kenrınd dönen yrılmlrı gösterilmiştir. Boğz ve üst bsınç bölgesinde gövdeye çok ykın bölgeler hriç kntlr yüzeyinde krrlı bir kış gözlenilmiştir [7]. Sntrifüj kompresör çrkınd emme kenrınd geliş, yrılış ve spm çılrının, bğıl dolnımın, dönen yrılmnın ve Mch syılrının tsrım etkilerini rştırılmış, minimum Mch syısının kış çısının ile 5 0 değerleri rsınd olduğunu tespit edilmiştir [8]. Bu çlışmd, sntrifüj kompresör çrkı emme kenrının ve bsınç kenrının tsrımını ypbilmek için önceki çlışmlrd bulunn kriterlerde dikkte lınrk boyutsuz syılr bğlı bir tsrım prosedürü geliştirildi..çark TASARIM KRİTERLERİ. Emme Kenrı Knt Ucu Açısı -5 ile -68 rsınd olmlıdır [8].. Birim net kış giriş lnı bşın mksimum kütle debisi ve küçük sürtünme kyıplrı için rotor girişinde en uygun eksenel hız, 50 m/s civrınddır. Knt klınlığın bğlı olrk drlmnın önlenmesi için emme kenrı üst ynk yrıçpınd (r s ), β s <70 olmlıdır [9]. 3. b ornı sızıntı ve sürtünme kyıplrı dikkte lındığınd 0.05 değerinden büyük olmlıdır. Burd b bsınç r kenrı knt genişliği, r bsınç kenrı yrıçpıdır. rh rs ornının çok küçük olmsı çrkın lt ynktki knt klınlığın bğlı olrk sınır tbksının büyük olmsın yol çr. Çok küçük olmsı ise giriş kesitini küçülteceğinden yüksek giriş hızlrın neden olcğındn optimum değer 0.3 ile 0.7 rsınddır. Çrk çıkış çısı ( α ) 65 ile 80 derece rsınd olmlıdır. Yüksek değerler kntlı difüzörlerde yüksek bsınç sğlr. Kntsız difüzörlerde ise yüksek sürtünme kyıplrı oluşturur. W W çrkt yvşlm ornı 0.6 civrınd olmsı istenir. Dh küçük değerlerinde çrk kntlrı yüzeyinde kıştn yrılmlr gerçekleşir. Burd W bğıl hızı, lt indisi emme kenrını, lt indisi bsınç kenrını gösterir. [0]. 4. Emme kenrı bğıl Mch syısı birden küçük olmlıdır []. 5. rs r ornı küçüldükçe kış lnı uzr ve sürtünme kyıplrı rtr. Büyüdükçe meridyenel doğrultu sğlnmz, yni kışın eksenel yönden rdyl yöne geçişi yeterli olmz. Optimum çp ornı 0.6 ile 0.65 rsınddır []. Burd r s, emme kenrı üst ynk yrıçpıdır. 3. ÇARKIN BOYUTLANDIRILMASI Sntrifüj kompresör çrkı kışknın çrk girdiği emme kenrındn ve kışın çrktn difüzöre vey direkt slyngoz boşltıldığı bsınç kenrındn meydn gelir. 3. Bsınç kenrı prmetrelerinin hesbı Şekil () den bsm kenrı teğetsel hız bileşeni

3 TEKNOLOJİ, Yıl 4, Syı -, 00 Cθ µ U (U Cθ ) () olrk yzılbilir. Denklem () deki güç zlığı fktörü olrk tnımlnn µ, Whitfield [] trfındn, Cs C Cθ µ () U U olrk tnımlndı. Burd, C mutlk hız, α mutlk kış çısı, β bğıl kış çısı, U çevresel hız, θ lt indisi teğetsel bileşen, lt indisi sonsuz knt hlini gösterir. Sntrifüj kompresörde verim, C s β Β α C β C m W C θ C θ U Şekil Geriye ytıklştırılmış kntt bsınç kenrı hız üçgeni χ χ CpT0P R h 0s h 0 η s (3) h 0 h 0 UCθ UCθ şeklinde yzılır. Emme kenrınd ön yönlendirme yoks, yni C θ 0 ise, denklem (3) χ χ U P R 0 ηsλ( χ ) (4) hline gelir. İş girdi ktsyısı vey iş fktörü olrk tnımlnn bu denklem Rodgers [6] trfındn Cθ λ U µ tnβb tn α (5) şeklinde tnımlndı. Burd ses hızını, p bsıncı, η verimi, o lt indisi durgun hli, χ izentropik üssü, T sıcklık, h entlpi, R lt indisi durgun bsınç ornını göstermektedir. Denklem (5)

4 Sntrifüj Kompresör Çrkının Ön Tsrımı Cθ 0 U λ 0 (6) şeklinde yzılır ve denklem (4) yeniden düzenlenirse, χ T 0 χ PR ηs + T (7) 0 olrk çrk durm bsınç ornı elde edilir. Şekil den C C θ 0 0 sin α (8) yzılbilir ve durm sıcklık ornın göre, C C T0 0 0 T (9) 0 şeklinde düzenlenebilir. Bsınç kenrı dibtik enerji denklemi, 0 ye göre düzenlenirse, M C T0 0 T (0) elde edilir. Bsınç kenrı çevresel hızı U U T0 0 T () olrk boyutsuz formd elde edilir. Mutlk hızın teğetsel bileşeni, Cθ Cθ 0 Cθ T0 0 0 T () olrk edilir. Denklem (9) C θ C T0 θ 0 T T0 T0 (3) şeklinde düzenlenebilir. Şekil deki teğetsel hız bileşenleri boyutsuz formd W θ C U θ (4)

5 TEKNOLOJİ, Yıl 4, Syı -, 00 3 şeklinde yzılbilir. Meridyenel doğrultudki hız bileşeni Cm MCosα (5) vey Cm 0 C θ 0 tn α (6) şeklinde boyutsuz formd yzılırs, bsınç kenrı bğıl Mch syısı W Cm M b θ + (7) ve bğıl Mch syısı W 0 T0 T Mb T0 T (8) 0 olrk yzılbilir. Burd, m lt indisi meridyenel doğrultuyu, b lt indisi bğıl hli gösterir. Böylece bsınç kenrı bğıl hızın teğetsel doğrultu ile yptığı çı, W θ / β Arc tn (9) Cm / şeklinde hesplnbilir. 3. Emme kenrı prmetrelerinin hesbı Emme kenrı çevresel hızı boyutsuz formd U U r s (0) 0 0 r ve Şekil den Wθ U 0 0 C Wθ 0 0 tnβs () () şeklinde yzılbilir. Emme kenrı mutlk Mch syısı

6 4 Sntrifüj Kompresör Çrkının Ön Tsrımı C C ( ) M χ 0 (3) 0 ve emme kenrı bğıl Mch syısı şekil den, β Βs r s r h M β Βs M bs U s/ Şekil Emme kenrı hız üçgeni M M b (4) Cosβs Ws 0 W C θ (5) şeklinde hesplnır. 3.3 Boyutsuz prmetreler ve çrk boyutunun bulunmsı Düşü ktsyısı; ψ λη s (6) Akış ktsyısı; ( ν ) ρ rs C 0 φ 0 r (7) ρ 0 U Boyutsuz kütle kış prmetresi; U θ φ (8) 0 b θ (9) r ρ Cm ρ0 0 Özgül hız;

7 TEKNOLOJİ, Yıl 4, Syı -, 00 5 / ( πφ) 3 / 4 ( ψ / ) Ns (30) Bsınç kenrı lnı; m& A θρ0 0 (3) Bsınç kenrı yrıçpı; r / A (3) π 4. SONUÇ Sntrifüj kompresörde çrkı tsrımı ypılırken kütle debisi ( m& ), devir syısı (N) ve özgül enerjinin bilinmesi ön tsrım hesplrı için zorunludur. Geriye ytıklştırılmış knt tipinde güç zlığı fktörü dikkte lınrk bsınç kenrı teorisine göre ypıln hesplmlr teğetsel hız bileşeninden gerçek teğetsel hız bileşeni bulunur. İş girdi ktsyısı, bsınç ornı ve dolyısıyl izentropik verim bulunur. Adiybtik enerji denklemine bğlı olrk bsınç kenrı bğıl ve mutlk Mch syılrı bulunbilir ve bsınç kenrını boyutlndırmk için bğıl Mch syısı ve knt çısı hesplnır. Verilen tsrım çp ornın göre emme kenrının boyutlndırılmsı ypılrk ön tsrım hesplrı bitirilir. Boyutsuzlştırılmış kış ve tsrım prmetreleri üzerine kurulu bir ön tsrım prosedürü geliştirilmiştir. Bu metot sntrifüj kompresörlerde kritik ve çlkntı çlışm şrtlrı rsınd yni tsrım dışı çlışm şrtlrı için hzırlnck bir bilgisyr destekli hesplmlr ess teşkil edebilir. KAYNAKLAR. Den, R. C., Senoo, Y., Rotting Wkes in Vneless Diffusers, Trns. of ASME, Jour. of Bsic Eng., ,960.. Johnston, J.P., Den, R.C., Losses in Vneless Diffusers of Centrifugl Compressor nd Pumps Trns of ASME, Jour. of Eng. for Power, 49-6, Glvs M. R., Anlyticl correltion of centrifugl compressor design geometry for mximum efficiency with specific speed.,nasa TN D 679, (97). 4. Whitfield A., ve N.C. Bines, A Generl Computer Solution for Rdil nd Mixed Flow Turbomchines Performnce Prediction, Int. J. Mech., Sci. Vol.8, pp 79-84, Pergmon Press 976, London. 5. Bines N.C., ve F.J. Wllce Computer Aided Design of Mixed Flow Turbines for Turbochrges J. Eng. for Power, ASME, Vol 0, July Rodgers C., A diffusion fctor correltion for centrifugl impeller stlling. ASME pper 78-GT-6, Hymi, H., Senoo, Y., ve Ueki, H., Flow in the Inducer of Centrifugl Compressor Mesured With Lser Velocimeter. Trns.ASME Jour. Of Eng. For Gs Turbines nd Power. pp , Koçk S., Sntrifüj kompresöründe emme kenrı tsrım kriterleri, Pmukkle Üniversitesi Müh. Fk. Dergisi, Cilt 4, Syı 3, syf , Brembussche, R.A. VnDen, Design nd Optimistion of Centrifugl Compressors, von Krmn Institute, CN 4/tu, Öztürk, E. Türbin Motorlrının Aerotermodinmiği ve Mekniği,Birsen Yyınevi, İstnbul, Whitfield A.,N.C. Bines, Design of rdil turbomchines Longmn Scientific Technicl, Newyork, Wilson D.G. The design of High-Efficency Turbomchines nd Gs Turbines,The MIT Press, Cmbridge, 984.