şükela:  tümü | bugün
  • turbochargerlardan, doğal gaz santrallerine kadar oldukça geniş bir aralıkta kullanımı olan kompresörleri tasarlayacak olan mühendislere verilecek tavsiyelerdir.

    1) kompresörün sürekli çalışma şartlarını ve bu şartların esneklik marjını belirlemek gerekir. bu kompresörden beklenecek olan performanstan bağımsız bir konudur.

    mesela doğal gaz çevrim santrallerindeki kompresörler daha dar bir hava debisi aralığında çalışırlar çünkü fizikî olarak durağan bir sisteme aittirler. jet motoru kompresörü veyahut turbocharger kompresöründe giriş debisi sürekli oynadığından dolayı çalışma koşulları daha esnek bir bantta hareket edecektir. bu kullanılacak olan bıçak profillerini değiştirir.

    2) çalışma şartları belirlendikten sonra kompresörün kullanılacağı bölgedeki fiziki imkanları dikkate almak gerekir. bu fizikî şartlar her zaman çok serbest olmayabilir veyahut kompresör primer değil sekonder yardımcı bir sistem olarak işlev görüyor olabilir.

    mesela kaputun altında motorun emiş manifoldu önüne yerleştirilecek olan, veya intercooler girişi de olabilir, bir turbocharger’da kompresörü dar bir hacme sığdırmak zorunda kalırsınız. bu durum sizde verimi değil performansı ön plana çıkarmaya çalışan tasarım koşulları yaratır. bu nedenle, eksenel değil de radyal kompresör kullanmak daha isabetli bir tercih olacaktır.

    euler turbomakina denklemine göre bir akışkanın momentumunu artırmanın iki yolu vardır, ya akışanın dönüş açısını radyal olarak artırırsınız ya da kompresör bıçaklarının devrini artırırsınız. dönüş açısını çok artırırsanız kompresör stall’a*, bıçakların devrini biteviye artıramazsınız zira yüksek dönüş hızında biriken merkezkaç kuvvetleri çok yüksek normal stres yaratır. amma velakin havanın daha doğrusu streamline’ın bıçağa radyal eksende giriş ve çıkışını farklılaştırırsanız kompresör size daha yüksek momentumu artırımı getirir, ki radyal kompresörlerde yapılan iş budur.

    gel gelelim, radyal kompresörlerde yüksek radyal hızlara ulaşılır, ki bu durum meşhur coriolis kayıpları yaratarak radyal kompresörlerde izentropik verimin eksenel muadillerine göre daha düşük kalmasına yol açar. genel olarak radyal kompresörlerde verim %75 aralığındayken, eksenel kompresörde %85-90 arasında değişir.

    özetle, kompresörün kullanılacağı fiziksel ortama ve performans/verim önceliklendirmesine bağlı olarak yeri geldiğinde kullanılacak kompresör tipine dikkat etmek gerekir.

    3) kompresörün performans/verim önceliklendirmesine dikkat etmek gerekir. mesela turbocharger’da öncelik ikincil yardımcı ekipman olması nedeniyle kompresörün kaput altına sığdırılabilmesi ve yanma öncesi havayı sıkıştırmasıdır. fonksiyonellik ve performans için %10-15’lik bir verim kaybını bir mühendis olarak gözden çıkarabilmelisiniz.

    bu önceliklendirme sadece kompresör tipine karar verirken göz önüne alacağınız bir parametre olmamalıdır. mesela ikisi de uçak olmasına rağmen bir avcı savaş uçağının kompresöründeki performans önceliği verime baskın gelirken, yolcu uçağı motorundaki kompresörde verim performansa baskın gelir. tabii ki bu verim ya da performans tamamdır diğerini boşver demek değildir, sadece tasarım bir tradeoff’tur ve tasarım sırasındaki öncelik katsayılarınızı bu tradeoff belirler.

    4) çalışma koşullarına bağlı stall/choked ikilemi kompresör tasarımında bir mühendisin dikkat etmesi gereken bir başka tradeoff’tur. genel kompresör tasarımında bu durum, çalışma şartları esnekliği ve bu bant dışında* kompresörden istenen verime ve performansa bağlıdır.

    mesela doğalgaz çevrim santralinde off design conditionları pek bir önem teşkil etmez. bunun temel nedeni çıktının sabit tutulmak istenmesi ve kompresörün hep aynı şartlar altında çalıştırılmasıdır. tek fark yaz ve kış aylarındaki sıcaklık farklarından dolayı kompresöre giren hava sıcaklığının yıl içindeki değişimidir.

    öte yandan bir uçak motoru kompresöründe, off design conditionları da çok önemlidir. yolcu uçakları ömürlerinin çoğunu 10 km irtifada geçirir. burada sıcaklık 230 kelvin basınç 0.3 atmosfer basıncı civarında gezer, hızları da 0.85 mach sayısında gezinir. tasarım koşullarınızı bu şekilde alabilirsiniz ama bu uçak sahra çölündeki bir havaalanından +50 celcius derece sıcaklıkta da kalkmak zorunda kalabilir veya novosibirsk bölgesinde -50 derecede olan bir yerdeki havaalanından da kalkabilir.

    çevrim santralindeki kompresörün aksine, jet motoru kompresöründen bu şartlar altında da ciddi bir performans ve verim beklentisi oluşacaktır.

    5) çok kademeli eksenel kompresörlerde de ayrıca kompresör içi akış için stall/choked ikilemi yaşanır. öncelikle stall ve choked nedir onu açıklayalım.

    stall daha doğrusu compressor stall hava akışı ile kompresör bıçağının chord ekseni arasındaki açı olan hücum açısının çok yükselmesi sonucu akışın bıçak yüzeyinde tutunamayarak ayrılması sonucu girdap oluşturup kompresör girişini bloke etmesidir. yani hava debisi çok düşük olursa girişi stall nedeniyle tıkanan kompresör birden ciddi performans kaybı yaşar, eğer bu stall çok şiddetlenirse motorun içinde geri akış yaratıp compressor surge denilen aşamaya varır ve yanma odasındaki gazlar geri kompresöre akarak bıçakları yakar ve motor yanmaya başlar.

    choked ise stall’un tam tersidir. kompresöre giren debi aşırı yükselirse kompresör içi lokal mach sayısı 1’e dayanır. bu durumda kompresör performansı yani sıkıştırma oranında kayıplar yaşanır. choked en iyi debi sabit kalmışken sabit devirde giderek düşen sıkıştırma oranında görülür, ki bu bir kompresör performans haritasının alt bandıdır.

    tanımları açıkladığımıza göre gelelim choked/stall ikileminin çok kademeli kompresörlerde yarattığı temel sorunlara.

    eksenel kompresörler, daha önce de dediğim gibi, sıkıştırma oranının radyal muadillerine göre oldukça düşük olduğu kompresörlerdir. bu nedenle, uçak motoru gibi yüksek sıkıştırma oranı ve yüksek verime ihtiyaç duyulan kompresörlerde çok kademeli olarak tasarlanırlar. bu durumda kompresörün ilk kademesinde düşük basınç ve düşük hız varken, son kademesinde yüksek basınç ve yüksek hız oluşur.

    böylece ilk kademe için stall riski oluşurken, son kademe için choked riski oluşacaktır. kompresörün çalışma bandı ve off design conditionlarındaki performansı bu nedenle kompresör içi stall/choked ikilemine de yol açacaktır. kompresörde kademe sayısı artırıldıkça, stall/choked aralığı giderek daralacaktır. bu nedenle iki farklı kompresör ve bu kompresörler süren iki adet yüksek basınç ve alçak türbin/kompresör çifti bulunur.

    bir mühendise bu durum tasarım esnekliği ve çalışma bandı genişliği sağlayacaktır.

    6) transonik/subsonik profile göre seçilen bıçak profilleri oldukça önemli başka bir unsurdur. artan kademe sayısı ve son kademelerde artan ses ve mach sayısı nedenli choked riskine karşı meridional düzlemde choked riski iki farklı kompresörle çözülebilir. öte yandan bıçaklar arası düzlemde oluşacak boğulma ve dahi şok tabanlı kayıpların önüne geçmek için standart naca 65 profiller yerine double veya multiple dairesel bıçak profillerine ihtiyaç duyulur.

    transonik rejimde bu bıçak profilleri sesüstü rejime sert şekilde çıkılmasını engelleyerek şok kayıplarını tamamen ortadan kaldırır/ciddi oranda azaltır. öte yandan bu profillerin yükleme performansı ses altı rejimde naca 65 profillerine nazaran hayli düşük olduğundan dolayı ses altı rejimde performansları düşüktür. bu yüzden ilk kademelerde pek tercih edilmezler.

    7) sınır tabaka kayıpları dikkate alınması gereken bir diğer kayıp olmakla beraber engellenmesi için pek de bir çözümün olmadığı profillerdir. lieblein, bu kayıplar üzerinde naca profilleri için bir korelasyon seti geliştirmiştir. sınır tabaka kayıplarının minimize edildiği aralık ise döner bıçaklara hücum açısının sıfır dereceyle girdiği aralıktır. bu açıdan her iki yönlü sapma bıçağın bir tarafındaki hız profilini etkileyerek hızın karesiyle doğru orantılı olan sınır tabaka kayıplarının toplamını artıracaktır. bu nedenle, kompresörün maksimum performans bandı hayli dar olup, bıçak profillerindeki toplam yükleme arttıkça stall ve sınır tabaka kayıplarına karşı hassasiyeti artıracaktır.

    8) blisk kullanımı hub-shroud arası mesafenin yüksek olduğu ilk kademelerde bıçak boyunun uzun olduğu profillerde zaruri hale gelebilir. özellikle stall’un oluştuğu koşullarda stall’un dönme frekansı bıçakların doğal frekansını yakalarsa bu durumda sönümlenemeyen bu stall titreşimleri vibrational fracture gibi vakalara yol açabilir. ayrıca merkezkaç kuvvetinin oldukça yükseldiği bu durumlarda blisk kullanımı yapısal nedenlerle de zaruri hale gelecektir. kuşkusuz artan ağırlık ve yüzey alanı nedeniyle blisk verimden götürecektir.

    9) girdap kayıpları da bambaşka bir problem olarak dikkate alınmalıdır. farklı sıcaklık bantlarında çalışan kompresörlerde kompresör bıçağıyla dış duvar arasında bir clearance boşluğu bırakmak zorunludur. temel neden ise bıçağın farklı sıcaklıklarda termal genleşme nedeniyle boyundaki değişimlerin bu mesefayi daraltma riskidir. güvenli bir çalışma için bu boşluğun yeterince geniş olması ve varlığının ise hem meridional hem de bıçağın iki farklı yüzeyi arasında girdap akımları geliştirerek kayıplar yaratması kaçınılmazdır. bu da kuşkusuz ayrı bir tradeoff demektir.

    bir diğer girdap akıntısı ise at nalı girdabı*dır. meridional eksen boyunca kompresörün hub ve shroud yüzeyindeki duvarlarda hız sıfır olacaktır. bu arada bu durum ayrı bir sınır tabaka kaybı demektir. dolayısıyla radyal aks üzerinde bıçakların hücum kenarına çarpan akışın da sıfır hıza sahip olmasını beklemek gerekir. öte yandan radyal denge denklemindeki koşulları varsaydığınız durumda bir toplam basınç farklılığı, ki hücum kenarında hız sıfır olacağından dolayı toplam basınç farkı statik basınç farkına eşit olacaktır, mean line üzerinden meridional hız profiline bağlı olarak hub ve shroud kısmına doğru bir girdap akıntısı başlatacaktır.

    lukshrimiyana’nın kitabında bu girdabın meridional akış tarafından bıçaklararadı düzleme taşınacağı fakat chord aksının 1/3’üne kadar sönümleneceği deneysel olarak belirtilmiştir. nal girdabı etkisini azaltmak için hub yüzeyindeki bıçak profillerinin uygun radyus ile fillet verilerek tasarlanması önerilmektedir.

    bir diğer tradeoff ise pasaj girdapları tarafından mühendise problem olarak geri verilir ve çözümü istenir. stall riskinin önüne geçmek için radyal aks boyunca artan rölatif hız nedeniyle sabit hücum açısını korumak için bıçak profili twist edilerek design conditionı için bir optimizasyon sağlanması gerekirdi. öte yandan bıçaklararası düzlem boyunca farklı açılarda yüklenen hava akışı kendi içinde radyal eksende bir basınç farklılığı yaratır. bu durumda da, ardışık bıçak yüzeylerinin ve radyal eksen boyunca bıçak yüzeylerinin üzerinde bir girdap üretilmiş olacaktır. bu girdaplara pasaj girdapları denir.

    bu girdapların yarattığı kayıpları azaltmak içinse bıçakların yüklemesini ya da bıçaklarası mesafeyi azaltmak gerekir. yüklemeyi, stall riski hariç konuşuyorum, azaltmak demek kompresör performansından yemek demektir. teoride daha verimli ama daha düşük sıkıştırma oranlı bir kompresör tasarlamış olursunuz. bıçaklar arası mesafeyi azaltmak ise bıçak sayısı artırılarak mümkün olabilir. bu durumda da, artan bıçak sayısı artan yüzey ve artan yüzey de artan sınır tabaka kayıpları demektir. günün sonunda pasaj girdapları bir mühendis olarak size sınır tabaka kayıpları ile bir design tradeoff konusu olarak geri dönecektir.

    özet: kompresör tasarlayacak bir mühendis olarak akış karakteristiği özelinde dikkat edilmesi gereken konular hemen hemen bunlardır. ayrıca unutmamak gerekir ki, kompresör tasarımı ayrıca birçok yapısal, üretimsel bilgi ve tasarım hassasiyetleri de gerektirecektir. adını unuttuğum bir mühendis abimin de dediği gibi tasarım bir süreçtir ve bu süreçte sizi bir mühendis olarak sınayacak birçok tradeoff ile yüzleşmek zorunda kalacaksınız meslek hayatınız boyunca.
  • hayatta sevdiklerinize ve size her gun lazim olacak cogumuzun bildigi kolay onerilerdir.