טורבינות גז הן העורכים של תעופה מודרנית, ייצור חשמל, ומניעה תעשייתית.מטורפים גבוהים שדוחפים חברות תעופה מסחריות ברחבי האוקיינוסים למסגרות כבדות-העוצמה שמאכילות מגה-וואט לתוך הרשת, מכונות אלה חייבות לפעול באופן אמין בטווח רחב של מהירויות, גובה, ועומסים.אחד האיומים המתמשכים ביותר לאמינות היא דחוסה - שכבת אוויר יציבה, אפילו לפני כמה עשורים, המקררים, יכול להיות יציבים, או דחוסים, עד לכדי מחסומים חזקים יותר, או דחוסים, כמו גם דחוסים, כמו גם דחוסים, או טמפרטורות אוויריות, עד כמה עשורים, כמו דחוסים, כמו גם דחוסים, כמו דחוסים, כמו דחוסים, או דחוסים, או דחוסים, או דחוסים, עד כמה דחוסים, טמפרטורות אוויריות, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה דחוסים, או דחוסים, עד כמה דחוסים, עד כמה טמפרטורות יציבות, עד כמה דחוסים, דחוסים, כמו דחוס

מאמר זה חוקר את העקרונות הפיזיים מאחורי בקרת שכבת הגבולות, את הטכניקות הספציפיות בשימוש כיום, את ההשפעה המעמיקה שלהם על שולי דוכנים, ואת הטכנולוגיות המתעוררות המבטיחות להפוך את BLC חכם ויעיל יותר בדור הבא של טורבינות גז.

בעיית ההרחבה Gas Turbines

כדי להבין מדוע בקרת שכבת הגבולות חשובה, זה עוזר לתפוס תחילה את מה הוא ולמה זה כל כך מסוכן.ב דחיסה צירית, האוויר מואץ ומחוספס על פני שורות מוצלחות של להבים רוטטים ועמידים. כל להב פועל כמו אוויר קטן, ייצור לחץ על עלייה ועלייה.יחס הלחץ כדי לזרימה את קו ההפעלה של הדחיסות, כמו זרימה מופחתת של תאים קריטיים, מעבר לדלקת אווירית, או לחץ על גביית, מעבר להורדת זווית הפעלה, או לחץ.

כאשר תאי דוכנים מכסים חלק משמעותי של האננולוס, הלחץ עולה קריסת.המדחסם כבר לא יכול להמשיך את הלחץ ⁇ , וזרימה עלולה להפוך לחלוטין - אירוע אלים הידוע בשם גלנג' יכול לגרום למפץים חזקים, להבה, נזק מבני להבים וסדקים, ובתעופה, אובדן מוחלט של דחף חלקי, בעוד פחות דרמטי, מגביר את היעילות, את התדרים, ואת העייפות.

שולי סטטיל - המרחק בין נקודת הניתוח לבין קו הדוכנים - הם פרמטרים עיצוב קריטי.מהנדסים מעצבים באופן מסורתי דחוסים עם שולי דוכנים נדיבים, אבל ההשפלה בעולם האמיתי (לבוש, רעוע, שינויים חדים טיפ) ותנאים transientיים (האצה אנרגטית, בסוליקה) יכולים לאכול לתוך השוליים האלה. Boundary שכבת שליטה מציעה דרך להחזיר את שולי ללא להקריב ביצועים דינמיים בתנאים עיצוביים.

עקרונות בקרת שכבות

שכבת הגבול היא האזור הדק של נוזל סמוך משטח מוצק שבו כוחות ה-cous שולטים.במעבר להב דחוס, שכבת הגבול גדלה לאורך הצד של הבעיטה (לחץ נמוך), משמידים ככל שהיא נעה במורד הזרם.אם שכבת הגבול מאבדת יותר מדי מומנטום, היא מפרידה, הרחק מן פני השטח.

בקרת שכבתיות Boundary שואפת לשמור על שכבת הגבול המצורפת יותר על ידי הסרת נוזל נמוך-momentum (שימוש) או הוספת נוזל גבוה-momentum (זרימה), או על ידי מניפולציה של מבנה זרימה ליד הקיר ( גנרטורים מערבים, riblets) פרמטר המפתח הוא פרופיל המהירות ליד הקיר. A מלא, התנגדות אנרגטית; פרופילים מחוספסים, פרופיל בצורת SLC יכול לקדם מערכת זמן יעילה.

טכניקות מפתח עבור בקרת שכבה Boundary ב Compressors

המונחים: Boundary Layer Ingestion

חיסול מסיר את הנוזל האיטי ביותר משכבת הגבול, בדרך כלל דרך חריצים או משטחים ⁇ בצד הלהב או מחסומים.על ידי הפקת שכבת האנרגיה הנמוכה, לזרם שנותר יש פרופיל מהירות מלא יותר ויכול לסבול ⁇ לחץ שלילי חזק יותר ללא הפרדה.ביישומים דחוסים, ction יכול לשמש במרכז או squasssssss קצה לשליטה משנית, או על פני השטח כדי לעכב את פני השטח.

מערכות ענישה מעשיות מסובבות את האוויר המפלט בחזרה אל נתיב הזרם הראשי, לעתים קרובות באמצעות משאבה משנית או שלב דחוס נשטף נשגב.העונש הוא המורכבות הנוספת של דוקטרטים, חריצים, ודממים שסתום, בתוספת הכוח הנדרש כדי לחלץ ולטפל באוויר המדמם.עם זאת, הוכח כי הפיצות הוכח להגדיל את שולי הדוכנים ב 10–30% בשקות מבחן, בהתאם למיקום ההונאה ורמת זרימת הסיכון.

הצצה (Injection or Jet Actuation)

במקום להסיר נוזל איטי, מפוצץ מוסיף אוויר רב עוצמה לתוך שכבת הגבול כדי לחדש אותו. Jets יכול להיות יציב או דופק, מכוונת שיזוף לאורך פני השטח או בזווית כדי ליצור מערבים כי לערבב אוויר חופשי זרם גבוה לכיוון הקיר. טנגנינטיל מפוצץ יעיל על קצה המוביל או רק במעלה הזרם הצפוי של נקודת ההפרדה יכול להיות מפוצץ עם השפעות דומות פחות.

בטורבינות גז, אוויר מפוצץ בדרך כלל מפלט דחוס או שלב ביניים, כך שהתועלת נטו חייבת לעלות עלות דימום זה אוויר.עם זאת, על ידי הזרקת רק כאשר צורך - לומר, במהלך ההמראה או טראנסים של חצץ - ניתן למזער את עונש הדלק הכולל.מערכות בקרה אקטיבית יכולות לפתוח שסתום כאשר חיישנים בתוך דוכנפיים, ואז לסגור אותם בשיוט.

Vortex Generator

גנרטורים וורטקס הם סנפירים קטנים או רמפות שולמו על פני הלהב או משטח האנדוול.הם מייצרים מערבולים זרמים אשר שואבים נוזל זרימה אנרגטי לתוך שכבת הגבול, ערבוב וenergizing אותו. בניגוד לדלקת או לפוצץ, גנרטורים טורטקס הם פסיביים לחלוטין - הם דורשים כוח חיצוני או מדמם אוויר.

ביישומים דחוסים, גנרטורים מערבטקס ממוקמים לעתים קרובות ליד קצה הלהבים לשלוט פיזור טיפ דליפת טיפ קצה, מבשר משותף לרקב דוכנים.הם יכולים לשמש גם על ממריצים כדי לנהל את פינת הרכז.

דף הבית > Surface Texturing and Riblets

בהשראת עור כריש, riblets הם מיקרו-צמחים מתואמים לכיוון זרימה.הם להפחית חיכוך עור סוער על ידי הגבלת התנועה המאוחרת של מערבול ליד קיר, אבל הם יכולים גם להשפיע על התנהגות שכבת גבול שכבתית. בדחוסים, riblets נבדקו על מחסומים ועל משטחים, מראה רווחים צנועים ויעילותם קלה.

פלאסמה Actuators

טכניקה פעילה מתפתחת משתמשת בשחרור מחסום דיאלקטרי (DBD) פלזמה לפעול כדי ליצור רוח כמעט-קיר-קיר-קיר-קיר-קירה. על ידי יישום זרם גבוה בין אלקטרודות חשופים ומפגן, פועל פלזמה גורם שולי זרימה לתוך פני השטח.זה יכול לחדש את שכבת הגבול ללא חלקים או מדמם.

השפעה על מניעת סטטיל ותפקוד קומפרס

שכבת כבד שולט ישירות בגורם השורש האירודינמי של דוכנים: הפרדה זרימה.על ידי שמירה על שכבת הגבול המצורפת, BLC מאפשר לדחוס לפעול ביחס ללחץ גבוה יותר, שיעורי זרימה נמוכים יותר, או זוויות שכיחות גדולות יותר ללא דוכנים.התוצאה המעשית היא טווח הפעלה רחב ורווח דוכנים מוגברת.

באופן קוונטי, ההשפעה יכולה להתבטא כשינוי במפה הדחיסה.לדוגמה, מיצוי של שלב המעריצים הטרנסטוני יכול להפחית את הפחתת ה- 00%, מה שמאפשר למנוע לפעול במהירויות נמוכות יותר ללא העלאה.בכמה קמפיינים של מבחן, שילוב של שבץ ופיצוץ (תוכנית "זרימה") כמעט הכפילו את ההשוואה ל-Roveralline.

מעבר שולי דוכנים, BLC יכול לשפר את היעילות בחלקים של המעטפה התפעולית.על ידי עיכוב הפרדה, להבים לייצר פחות אובדן תערובת ותיקון. צריכת דלק ספציפית (SFC) הוכח לשפר על ידי 1–3% בבדיקות מנוע מסוימות, אם כי הרווחים תלויים במידה רבה בעיצוב הבסיס ומימוש BLC.

יתרונות ואתגרים של בקרת שכבות Boundary Layer

יתרונות

  • (ב) ,0) ,הרווח העיקרי, המאפשר הפעלה בטוחה יותר, במיוחד בתנאים מעוצבים ומשתנים.
  • (ב) ,0) שיפור יעילות בעומס חלק 1 (FalveLT) – אובדן הפרדה מופחת מוביל ל- SFC טוב יותר כאשר המנוע מואץ.
  • (ב) ,0) ,התחילו את החיים של הרכיב הראשון (FLT:1), אירועים דוכנים מעטים יותר ושיפור אחידות זרימת הדם להפחית עייפות מחזורית גבוהה ו ⁇ תרמיים.
  • (FLT:0)עיצוב גמישותFLT:1) - BLC יכול לאפשר יחס לחץ גבוה יותר לשלב, צמצום מספר השלבים הדרושים ליחס דחיסה כולל.
  • (FLT:0) שליטה קולקטיבית פוטנציאל שליטה 1:1 - עם חיישנים ופועלים, BLC יכול להתאים לשינוי תנאי החדירה (זמן, עיוות, צבירת).

אתגרים

  • (FLT:0) מורכבות מכניקה (FLT:1) - Active BLC דורש דוקטרקטים, שסתום, משאבות או מערכות מדממות שמוסיפות משקל ועלויות.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,ב"ל (ב"ב)"ב"ה, "לבוא או לבעיטה, האוויר המפלט או הזריק נלקח מהזרם הדחוס, צמצום הדחף או הכוח אלא אם כן הוא מותאם בקפידה.
  • (ב) ⁇ :0) אינטגרציה עם עיצובים קיימים: (הההחלת BLC למנועי מורשת היא לעתים קרובות לא מעשית; יש לתכנן אותה מן הקרקע.
  • (FLT:0) עמידות גבוהה-זמנית של זמן גבוה: חיישנים ופועלים חייבים לשרוד בטמפרטורות דחיסה של היציאה עד 500-700 מעלות צלזיוס, הגבלת אפשרויות לאלקטרוניקה וחומרים.

תוצאות חיפוש ויישומים בתעשייה

בקרת שכבתיות דחוסה ממושגים מעבדה ועד כמה יישום בעולם האמיתי, במיוחד במנועי צבא בעלי ביצועים גבוהים ותוכניות מחקר מתקדמות.

דוגמה בולטת אחת היא מנוע ה-F119 של Pratt & ויטני F119 בשימוש ב-F-22 Raptor. בעוד הפרטים המדויקים מסווגים, ידוע כי הדחיסה של F119 משלבת גיאומטריה משתנה ומערכות מדממות מתקדמות שפועלות כשכבה גבול פעיל השולטת כדי לשמור על פעולת דו-פענוח ללא דוכנים על פני התמימים קיצוניים.

במגזר של ייצור החשמל, סימנס ו- GE חקרו טיפולים עם ערוצי החלמה עבור טורבינות הגז הגדולות שלהם. טיפולים פסיביים אלה, בעיקר חריצים ction הקשורים לplenums כי re-inject אוויר במעלה הזרם, הוכח להגדיל את שולי עלייה על ידי 5 עד 10% ללא כוח חיצוני.הטכנולוגיה מוצגת כעת בחלק מ- F-class ו- H-classs.

תוכניות מחקר בנאס"א גלן, המעבדה לחקר חיל האוויר האמריקני, ואוניברסיטאות כמו טקסס A& M וקיימברידג' בחנו באופן שיטתי את הפיצול, התפוצצו, והפלזמה של נוקשות דחוסות.לדוגמה, חקירת ההתאמה של נאס"א השתמשה בדלקת קצה כדי להפחית את דוכנים הרכזת בדחיסת ארבעה שלבים, וכתוצאה מכך שיפור שולי של 15% במהירות אחרת.

כיוונים עתידיים: בקרה חכמה והתאמה

הגבול הבא משלב שליטה בשכבת הגבול עם משוב בזמן אמת וסגור-loop. במקום יישום BLC ברציפות - אשר פסולת מדמם אוויר וכוח parasitic - מנועי עתידיים יפעילו אותו רק כאשר מבשרי דוכנים מזוהים. חיישנים כגון לחץ מהיר מגיב על פני לחץ טרנסדוקנטים, מדפי סרטים חמים, או סיבים אופטיים Braggatings יכולים למדוד תכונות זרימה או להבים שאינם זורמים או דוכן כי prece כי prece.

אלגוריתמי למידת מכונות, שהוכשרו על נתונים גבוהים של CFD ובדיקת נתונים, יכולים לחזות את תחילת דוכנים שניות לפני שזה קורה. אלגוריתמים אלה פקודות פקודות פקודות פקודות (ערכים, מאגרי פלזמה, מיקרו-jets) כדי להתאים את קצבי הפיצוץ או הפחתת הסימון על בסיס להב-ידי להב, גישה "תאום דיגיטלי" זו נחקרת תחת תוכניות כמו מחלקת האנרגיה של US של USS של USS של חברת ARPA-E-E-S.com, ו-E-S-E-E-S-S-E-E-S-EOp, הופכת באופן ישיר ל-S.com, עם דחוסהחזקהחזקהחזקהחזקהחזקהחזקה-S.com, עם בסיס זוגי, עם דחוסה-S.com, עם דחיסות של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של 2.com, ו-S.com, ו-S.com, עם דחוסהחזקהחזקהחזקה-S.com, עם דחיסות של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה

חומרים מתקדמים גם לשחק תפקיד. Ceramic matrix מורכב (CMCs) וסגסוגת עתירה גבוהה מאפשרים מעשים וחיישנים לשרוד איפה מתכות היו מצמררים או חמצון. Piezoelectric וצורה -mory-alloy יכול לשמש עבור מהיר, מדויק של חריצים או גנרטורים טורטקס.

הפוטנציאל של מערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS)

חיישני לחץ MEMS ומיקרו-אלבס, כבר נפוצים באלקטרוניקה של הרכב והצרכני, מותאמים לסביבות המנוע.למרות שאתגרי הטמפרטורה והדינס של הטמפרטורות הם תלולים, מספר קבוצות מחקר הראו BLC פעיל מבוסס MEMS בקנה מידה מודל.אם מערכות אלה בוגרות, הם יכולים לאפשר אלפי מיקרו-פועלים מבוקרים באופן אינדיבידואלי לאורך פני הלהב - גישה מבוזרת מאוד לניהול שכבת גבולות.

שילוב עם מגוון רחב של גיאומטריה

טורבינות גז מודרניות רבות כבר להשתמש במדריך משתנה ומריצים משתנים נדרים לשלוט זוויות זרימה דוכנים שולי. Boundary שכבת שליטה יכול להגדיל את הגיאומטריה משתנה על ידי מתן תיקון זרימה בקנה מידה בסדר גודל כי נדרים לא יכול להשיג. לדוגמה, ואן יכול לשנות את שכיחות ממוצעת, אבל עיוותים זרימה מקומיים ואפקטים ניקוי טיפ עדיין דורשים מניפולציות גבול מקומי.שלב את שתי ההצעות רחב יותר ויעילות טובה יותר.

מסקנה

בקרת שכבתיות Boundary הוכיחה להיות כלי יעיל מאוד למניעת דוכני גז טורבינות, בין אם באמצעות גילוח, פיצוץ, גנרטורים טורטקס, או ממריצים פלזמה מתעוררים.על ידי עיכוב ישיר של הפרדה זרימה על להבים דחוסים, BLC מרחיב את טווח התפעול היציב, משפר את יעילות עומס חלק, ומפחית את הסיכון של אירועים פונדקאות שיכולים להוביל לכשל.

בעוד יצרני המנוע דוחפים לעבר יחסי לחץ גבוהים יותר, שריפת דלק נמוכה יותר, וחוסן גדול יותר לעיוות, בקרת שכבת הגבולות תהפוך לתכונה סטנדרטית יותר ויותר בטורבינות גז צבאיות ואזרחיות.העתיד הוא אחד שבו הדחיסה אינה דוקטריסט פסיבי, אלא מרכיב פעיל נשימה אשר מגיב לסביבה האירודינמית שלו בזמן אמת.

(FLT:0) לקריאה נוספת, ראה את עבודת מרכז המחקר של נאס"א על יציבות דחיסה (https: www.grc.nasa.gov/research/research/), האגודה האמריקנית של מהנדסי מכונות (ASME) על שליטה פעילה בזרימה ב- turbomachinery (https: www.asme.org/), ואת תוכניות הטכנולוגיה הנקיות של האיחוד האירופי (https: www.R.R.R.I.R.R.I.R.R.R.R.I.R.I.R.I.I.R.R.I.I.I.R.R.R.R.I.I.I.R.R.R.I.I.R.R.I.I.I.I.R.R.R.R.R.I.R.R.R.R.R.R.I.I.I.R.R.R.I.R.R.R.R.R.R.I.I.I.I.I.R.R.R.R.R.I.R.R.I.R.R.R