ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ
Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών
Μονάδα Παράλληλης γ ής μ ής &
Βελτιστοποίησης
ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΗΧΑΝΕΣ
(5 ο Εξάμηνο Σχολής Μηχ .
Μηχ . ΕΜΠ )
Κυριάκος Χ . Γιαννάκογλου
K αθηγητής ΕΜΠ
@ l http://velos0.ltt.mech.ntua.gr/research/

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής
3
2
1
Αξονική είσοδος (V ) ), ακτινική έξοδος (V ) ) της ροής .
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 2

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 3

Ακτινικός Συμπιεστής – Ορολογία Μερών
Πτερωτή – Impeller
Επαγωγός – Inducer
Καθαρά Ακτινικό Τμήμα
Shrouded Impeller???
Διαχωριστικά Πτερύγια
(Splitter Vanes)
Διαχύτης (Diffuser)
(Vaned or Vaneless)
Σπειροειδές Κέλυφος
(Collector, Volute)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 4

Ακτινικός Συμπιεστής – Πως Αυξάνει η Στατική Πίεση
Θ . Euler στην Πτερωτή h tR 1 h
2
−
= h
1 h tR 2
=
1
2
( (
⇒
W
1
2 − h
1
W
2
2
+
W
1
2
) (
2
U
2
2
2
−
−
U
1
2
U
1
2
)
2
= h
2
⇒
+
W
2
2 h
2
− h
1
=
2
1
2
1
− 2
2
+
2
U
1
2
2
2 −
W
1
2
R
1
2
Επιβράδυνση Φυγοκέντριση
(De Haller)
1
⎞
⎟
2
−
U
2
2
2
« Ένα Σενάριο r
W
1 r
U
» ( α
1
=0 ο ):
β
1
V r
<
0
⇒
β
1
=
45
ο
⇒
U
1
W
1
= sin
β
1
=
0 .
7
⇒
U
1
2
W
1
2 h
2
− h
1
=
W
1
2
4
⎛
⎜
1
+
R
2
2
⎝ R
1
2
−
1
⎟
⎠
⎞
⎟
=
0 .
5
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 5

Ακτινικός Συμπιεστής – Πως Αυξάνει η Στατική Πίεση
« Ένα Σενάριο » ( α
1 r
W r
U
1
=0 ο ):
β
1 r
<
V
1
0
Αν R
2
/R
1
=2, τότε : h
2
− h
1
=
W
1
2
⎛
⎜
1
+
⎝
R
2
2
( επιβράδυνση / αλλαγή ακτίνας ) = 1/3 !!!!
1
2
−
1
⎟
⎠
⎞
⎟
Στον ακτινικό συμπιεστή , η ανάκτηση στατικής πίεσης
( θυμηθείτε Δ h= Δ p ρ , αν μ η & ρ ή ) )
οφείλεται κυρίως στην αλλαγή ακτίνας ( φυγοκέντριση ,
Coriolis), παρά στην επιβράδυνση της ροής .
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 6

Ακτινικός Συμπιεστής – Σύγκριση με Αξονικό Συμπιεστή
• Ίδ ί βά ί Αξ C
• Χειρότερη αεροδυναμική απόδοση από Αξ C.
( πιο πολύπλοκο πεδίο ροής )
• Για την ίδια παροχή αέρα , μεγαλύτερη εμβαδόν εμπρόσθιας όψης , άρα μεγαλύτερη οπισθέλκουσα ( σε αεροπορικούς κινητήρες ).
• Πιο ασφαλής / στιβαρή (robust) μηχανή ( άντληση φυσικού αερίου , ελικόπτερα ,
) ).
• Μικρότερο μήκος από Αξ C.
• Π θ ό FOD ό ώλ β .
όδ
επικαθήσεις .
ό
• Πιο εύκολο matching με το στρόβιλο , στον αεριοστρόβιλο .
• Πολύ μεγάλο π ανά βαθμίδα ( )
• Οικονομικοί « καθημερινής χρήσης » Ακτ C με πτερύγια από αλουμίνιο .
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 7

Ακτινικός Συμπιεστής – Πτερωτή (Impeller)
Splitter Vanes
Διαχωριστικά Πτερύγια
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 8

Ακτινικός ή Φυγοκεντρικός Συμπιεστής
Vaneless Diffuser
2
3
R
2
V u 2
=
R
3
V u 3
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 9

Διατομές που διαρρέει το ρευστό στις θέσεις 1 & 2
A
1
= π
(
R
2
2 T
−
R
1
2
T
)
=
ΕΙΣΟΔΟΣ ΠΤΕΡΩΤΗΣ (1)
2
π
R
1 m b
1
ΕΞΟΔΟΣ
ΠΤΕΡΩΤΗΣ
A
2
=
2
π
R
2 b
2 R
2 b
2
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 10

Τρίγωνα Ταχυτήτων (1-2)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 11

Τρίγωνα Ταχυτήτων (1-2)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 12

Τρίγωνα Ταχυτήτων (1-2)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 13

Χρήση Στροβιλοϋπερπληρωτή σε μηχανή Diesel
Έτος ς
Ο λόγος πίεσης π c
του
στροβιλοϋπερπληρωτών
συμπιεστή των
(turbochargers) της
εταιρίας ΑΒΒ ( παλιό σχήμα ). Η αύξηση
αντιστοιχεί στην αύξηση του β . απόδοσης της
μηχανής από τη χρήση
στροβιλοϋπερπλήρωσης .
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 14

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( ΑΒΒ )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 15

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( ΑΒΒ )
Χάρτης του συμπιεστή ενός
στροβιλοϋπερπληρωτή (turbocharger) της
εταιρίας ΑΒΒ .
Παροχή όγκου
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 16

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 17

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 18

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 19

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 20

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 21

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 22

Στροβιλοϋπερπληρωτής ( αυτοκινήτου )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 23

Τρίγωνα Ταχυτήτων στην Είσοδο r
U
1 T r
W
1 T r
U
1 H r
W
1 H
1 T
β
1 H r
V
1
Προσοχή σε ποιο επίπεδο είναι τα
δύο αυτά τρίγωνα !!!!
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 24

Μεταβολές p &V σε Φυγοκεντρικό Συμπιεστή
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 25

Τύποι Πτερωτών ( με κριτήριο τη β
2
’)
Καθαρά ακτινική έξοδος (radial/straight blades)
Εύκολη , φτηνή κατασκευή .
Οπισθοκλινή Πτερύγια (Backward leaned)
Καλύτερη απόδοση από τα ίσια .
Μεγαλύτερο κόστος κατασκευής .
Ε θ λ ή Π ύ (F d l d)
Όχι συχνή χρήση , λόγω δυναμικής αστάθειας .
….
αποτελεί απόφαση του σχεδιαστή …..
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 26

Πτερύγια με καθαρά ακτινική έξοδο r
U
2 r
V
2 r
W
2
ω
β
2
=
0
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 27

Πτερύγια με οπισθόκλιση r
U
2 r
V
2 r
W
2
ω
β
2
<
0
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 28

Πτερύγια με εμπροσθόκλιση r
U
2 r
V
2 r
W
2
β
2
>
0
ω
W
2
( υπό παραδοχές )
λιγότερη επιβράδυνση
⇒
W
2
/ W
1
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece
⇒ η
29

Στην πράξη …
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 30

Περί κλίσης πτερυγίων στη θέση 2
Ψ
>
0
Εμπροσθοκλινή Πτερύγια
( (Forward leaned) )
Καθαρά ακτινική έξοδος
=
0
β
2
<
0
Φ
Οπισθοκλινή Πτερύγια
Δ h t
=
2
V u 2
−
U
1
V u 1
=
2
V u 2
=
2
( (
2
W u 2
) )
= 2
2 2
V r 2
Ο θ ό ί του λό ί με την ύξ της ή ί
ενδεικτικός παράγοντας ευστάθειας .
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece
2
31

Ερώτηση
Ποιος από τους δύο ακτινικούς συμπιεστές έχει οπισθόκλιση ;;;
Φ
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 32

Ερώτηση – Διαχύτης (2-3) με ή όχι πτερύγια ;
Ποιος ο vaned και ποιος ο vaneless diffuser ;;;
(c p
= συντελεστής ανάκτησης πίεσης ) c p c p
= p
3 p t 2
−
− p
2 p
2
« καλές » τιμές :
0.50 ως 0.70
40 o 50 o 60 o 70 o
Max. εύρος λειτουργίας vs. max. πίεσης στο διαχύτη
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 33

Η Ροή στο Διαχύτη με Πτερύγια
Η ροή στο διαχύτη ( με πτερύγια )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 34

Η Ροή στην Έξοδο της Πτερωτής ( Θέση 2)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 35

Ολίσθηση (Slip)
W u 2
W u
′
2 r
W
2 r
W
′
β
2
β ′
2 r
U
2
V u 2
V u
′
2 r
V
2
V r
2
′
Τρίγωνο ταχυτήτων για « άπειρα πτερύγια » = διακεκομμένη γραμμή
Πραγματικό τρίγωνο ταχυτήτων = συνεχής γραμμή
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 36

Ολίσθηση (Slip)
Παράγοντας Ολίσθησης (slip factor):
σ =
V u
V u
′ ′
2
2
≤
1
Παράγοντας Ολίσθησης (slip velocity):
V us
=
V u
′ ′
2
−
V u 2
=
W u 2
−
W u
′ ′
2
>
Για αξονική είσοδο της ροής ( α
1
=0 ο ):
Δ h t
=
U
2
V u 2
=
U
2
(
U
2
+
W u 2
)
=
U
2
2
+
U
2
V r 2 tan
β
2 ήή
Δ h t
=
U
2
V u 2
= σ
U
2
V u
′
2
= σ (
U
2
+
W u
′
2
)
= σ
U
2
(
U
2
+
V r 2 tan
β ′
2
)
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 37

Ολίσθηση (Slip)
Παράγοντας Ολίσθησης – Εμπειρική σχέση Stanitz:
σ =
1
−
0 .
63
π n
⋅
1
+ Φ
2 tan
β ′
2 όπου n ο αριθμός των πτερυγίων και
Φ
2
=
V r
U
2
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 38

Χαρακτηριστικές Λειτουργίας Ακτινικού Συμπιεστή
Αδιάστατες χαρακτηριστικές ποσότητες :
Φ = a 1
U
2
Ψ =
Δ h t t
U
2
2
Γενικά :
• Ευρύτερη περιοχή λειτουργίας από ότι οι Αξ C.
• Λειτουργία σε μεγαλύτερο εύρος παροχών
• Πάνω όριο παροχής = ηχητικός στραγγαλισμός (choking)
• Κάτω όριο παροχής = ασταθής λειτουργία
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 39

Χαρακτηριστικές Λειτουργίας Ακτινικού Συμπιεστή
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 40

Μηχανικές διατάξεις σε αεριοστροβίλους
Ελικοφόρος Στροβιλοαντιδραστήρας με διβάθμιο φυγοκεντρικό συμπιεστή
λή όδ ( του έ )
K.C. Giannakoglou, Lab. Thermal Turbomachines, NTUA, Greece 41