Eksenel akıĢlı kompresör kademe hız incelemesi ve vektörel hız diyagramları Kompresördeki herhangi bir kademedeki havanın kanatçığa geliş açısı akışın hızıyla

Şekil-4.1.8 Sürtünme ve kaldırma katsayıları eğrileri (Gresh-2001)

4.1.1.2.1 Eksenel akıĢlı kompresör kademe hız incelemesi ve vektörel hız diyagramları Kompresördeki herhangi bir kademedeki havanın kanatçığa geliş açısı akışın hızıyla ilişkilidir. Bu nedenle bir stator ve rotor kanadından oluşan kompresör kademesinin hız profilini inceleyecek olursak ve bu inceleme esnasında kolaylık olması bakımından açıları pozitif olarak alırsak; normal bir kompresör kademesi, kademe çıkışındaki mutlak hızın ve akış doğrultusunun, kademe girişindekinin aynı olduğu kademe olmaktadır. Mutlak hız, sabit bir gözlemciye göre olan hızdır ve indisi ile belirtilmektedir. Bağıl hız ise, kanatçıkla birlikte hareket ettiği varsayılan gözlemciye göre olan hızdır ve indisi ile belirtilmektedir.

Kanatçık hızı ise ile gösterilmiştir. Aşağıdaki şekilde bir kompresör kademesi hız diyagramı gösterilmiştir.

Bir önceki kademeden veya kılavuz kanatçıklarından (kompresör girişinde bulunup havayı yönlendirmek ile görevli) rotora gelen akışın mutlak hızı ve doğrultusu dir. Bundan kanatçık hızı U‟nun vektörel olarak çıkarılması ile bağıl hız ve açısı belirlenir. Akış, rotor kanatçıklarına bağlı olarak, çıkışta hızı ile ‟den küçük doğrultusuna yönelir.

Mutlak hız ve doğrultusu , vektörel olarak kanatçık hızının ‟ ye eklenmesiyle elde edilir.

43

Şekil-4.1.9 Eksenel akışlı kompresör kademesi hız diyagramı (Meherwan-2006)

Stator kanatçıkları, akışı eksene doğru saptırarak, hızının doğrultusunda olmasını sağlar. Normal kademede ve dir.

Rotora giren hava eksenel akışlı bileşen olarak vektörel hızına ve açısına göre tanjant bileşen olarak vektörel hızına sahiptir. Euler’ in türbin denklemlerinden denklem (4)‟ teki ve kompresörde önemli olan basınç artışını hesaplamamız mümkündür.

(5)

Ve yine denklem (3)‟ teki enerji değişimi Euler’ in türbin denklemlerine vektörel hız diyagramları uygulanarak entalpi :

şeklinde hesaplanabilmektedir. (6)

Şekil-4.1.1.6‟ daki vektörel hızları toplayarak hepsini vektörel hız üçgenleri olarak aynı düzlemde göstermemiz mümkündür.

44

Şekil-4.1.10 Vektörel hız üçgenleri (Meherwan-2006)

Vektörel hız diyagramlarına bağlı olarak Euler denklemini eksenel akışlı kompresör kademesindeki işi bulmak için uygulayacak olursak, kompresör işini

şeklinde ifade ederiz. (7) 4.1.1.2.2 Eksenel akıĢlı kompresörlerde reaksiyon oranı

Havanın rotor ve stator kanatçıkları arasından geçişi esnasında, bir miktar difüzyon (yayılma, dağılma) olmaktadır ve buda her bir kanat kolonunda hızla artan kayıplara neden olmaktadır. Rotorun basınç artışına katkısı, reaksiyon oranıyla ifade edilmektedir. Eksenel akışlı kompresörlerde reaksiyon oranı entalpi, basınçlar veya akış geometrisi cinsinden ifade edilebilir. Reaksiyon oranı basınç cinsinden: şeklinde ifade edilmektedir.

Fakat biz burada reaksiyon oranını entalpiler ve akış geometrisi cinsinden hesaplayacağız;

reaksiyon oranı, entalpi cinsinden rotordaki statik entalpi artışının, tüm kademedeki artışa oranıdır ve aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir.

(8)

Burada;

(9)

(10)

(11)

45

(12)

(13)

Sadeleştirmeler yapılırsa bir kademedeki reaksiyon oranı vektörel hız diyagramlarından akış geometrisi cinsinden:

olur. (14)

Simetrik eksenel akışlı kademede rotor ve stator kanatçıkları birbirlerine göre simetrik olarak dizilirler. Simetrik eksenel akışlı kademede bağıl hızlar mutlak hızlara eşit olmakta ve

ve olduğu aşağıdaki şekilde de görülmektedir.

Şekil-4.1.11 % 50 Reaksiyon kademesi için simetrik vektörel hız üçgenleri (Meherwan-2006)

Reaksiyon oranı, kademe verimi üzerinde önemli etkiye sahip olan bir dizayn parametresidir. Genel olarak ve simetrik kademelerde % 50 reaksiyon kademesi kullanılmaktadır. Eğer kompresör simetrik kademeli olarak dizayn edilecekse bu tür dizayn da ilk rotor kademesine gelen havanın hızını ve geliş açısını düzenlemek için kılavuz kanat uygulaması kullanılır. Simetrik kademe kullanmanın avantajlarını sıralayacak olursak:

1- 0.7-0.75 giriş Mach sayısını aşmadan yüksek kanat hızlarına çıkılabilir buda kompresörlerin düşük çaplarda ve ağırlıklarda üretilmesine imkan tanımaktadır.

2- Kademedeki statik basınç artışı, rotor ve statorun eşit katkısıyla sağlanmaktadır.

3- İstenilen sıkıştırma oranına az sayıda kademe ile ulaşılabilmekte bu sonuçta da kompresörlerin hafif olmasını sağlamaktadır. Uçak endüstrisinde genellikle simetrik kademeli bu tip kompresörler kullanılmaktadır.

4- Bu tür uygulama ile durağanlık yada hız düşmesi (stall) ve ayrılmalar minimize edilmektedir.

46

Simetrik kademeli kompresörün dezavantajı ise düşey vektörel hız bileşeninden kaynaklanan yüksek kompresör çıkış kayıplarıdır.

Asimetrik kademe ise reaksiyon oranı % 50‟ den farklı olan kademe olarak tanımlanmaktadır. Asimetrik kademeli kompresörlerde eksenel akışlı iç akışlı ve eksenel akışlı dış akış kademeli olmak üzere ikiye ayrılırlar. Eksenel akışlı iç akış kademesi kademeye giren mutlak hızın eksenel akış yönünde olduğu asimetrik kademenin özel bir durumudur.

Hareketli kanatlar kanadı terk eden akışa dönüş vermekte bu hareket, takip eden stator kanadı tarafından düzeltilmektedir. Bu dönüş hareketi ve hız aşağıdaki şekilde görülmekte olup kademenin büyük bölümünde basınç artışı hareketli kanat kolonlarında % 60 ile % 90 aralığında değişen reaksiyon derecesinde olmaktadır.

Şekil-4.1.12 Eksenel akışlı iç akış kademesi (asimetrik) hız diyagramı (Meherwan-2006)

Reaksiyon oranı % 50 den büyük olan bu tip kademenin avantajı, eksenel akışlı hız ve kanat hızından kaynaklanan çıkış kaybının az olmasıdır. Asimetrik iç akış kademeli kompresörlerin dezavantajı ise sabit kanatlarda statik basınç artışının düşük olması nedeniyle istenilen sıkıştırma oranını elde edebilmek için kademe sayısının arttırılmasıdır. Kademe sayısı arttırıldıkça daha önce belirtildiği üzere kompresör boyutları artmakta ve kompresör ağırlaşmaktadır.

Reaksiyon kademesi % 50‟ den büyük asimetrik kademe uygulamasının bir çeşidi de eksenel akışlı dış akışlı kademe uygulamasıdır. Bu tip dizaynda mutlak çıkış hızı eksenel akış yönünde olur ve statik basınç artışı rotorda statik basınç azalması ise statorda meydana gelmekte, bu nedenle reaksiyon oranı % 100‟ ü aşmaktadır. Bu tip kademe uygulamasının avantajları ise;

1- Düşük eksenel hız ve kanat hızının olması ve bu nedenle çıkış kayıplarının azlığı.

2- Düşük çıkış kayıplarının olması nedeniyle bu tip kademede yüksek verim elde etmek mümkündür.

47

3- Bu tip kompresör uygulaması daha düşük miktarlarda havanın kompresöre verilerek kompresörde statik basıncın arttırılması nedeniyle kapalı çevrim gaz türbinleri için daha uygundur.

Eksenel akışlı dış akışlı asimetrik kademe uygulamasının dezavantajı kompresör çapı ve ağırlığının büyük olmasıdır.

Şekil-4.1.13 Eksenel akışlı dış akışlı asimetrik kademe hız diyagramı (Meherwan-2006)

Kompresör kanatlarına gelen havanın hızı önemlidir. Eğer kanatlara gelen havanın hızı çok yüksek olursa kanatlarda darbe etkisi oluşacak ve kanatları geçen hava ses hızının üzerine doğru ivmelenecektir. Bu darbe etkisi kanatlarda türbülanslı akışa ve sürtünmenin artmasına neden olmaktadır. Üreticiler bu sorunu ortadan kaldırmak için kanatçık yapısı üzerinde çalışmalar yapmışlar ve çözümü kanatçıkların boyunu uzatarak ve genişliğini arttırarak bulmuşlardır.