اهميت ايجاد تست سل کسکيد

تست کسکید (Cascade) جایگاه خود را به عنوان یک ابزار ارزشمند در طی سالیان برای دستیابی به فهم بیشتر از رفتار جریان در گذرگاه‌های تیغه‌های توربین و کمپرسور و در نتیجه بهبود عملکرد موتورهای توربین گاز تثبیت کرده است.

امروزه با پیشرفت ابزارهای عددی برای پیش‌بینی جریان‌های توربوماشین، آزمایش‌های تجربی کسکید، کاربرد دیگری در صحه‌گذاری (Verification) و اعتباربخشی (Validation) کدهای دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) پیدا کرده است.

پدیده‌های جریان در تیغه‌های توربین جریان محوری

اگرچه، برای اینکه نتایج تست کسکید قابل استفاده باشد، باید مراقبت زیادی به عمل آید تا این اطمینان به دست آید که شرایط آزمایش ردیف پره‌ها (کسکید) و شرایط مرزی برای  شبیه‌سازی جریان درون ردیف پره‌ها یکسان می‌باشد. به همین دلیل تجهیزات آزمایشگاهی و شیوه‌های اندازه‌گیری جدیدی در طی سال‌های گذشته با هدف تعیین واقعی‌تر و دقیق‌تر کمیت‌های جریان توسعه داده شده‌اند.

کاربرد گسترده‌ی کسکید در طراحی توربوماشین‌ها است. فشارهای افزاینده‌ی اقتصادی برای استخراج انرژی بیشتر با راندمان بالاتر از توربین‌ها، که انتظار می‌رود کوچک‌تر و بی‌صداتر از توربین‌ها پیشین باشند، منجر به پیچیدگی بیشتر در روش‌های طراحی آیرودینامیکی شده است. در این میان طراحی پروفیل‌های پره با اتلاف انرژی کمتر نقش عمده‌ای در دست‌یابی به این هدف ایفا می‌نماید. آزمایشگاه‌های تست ردیف پره اطلاعاتی را در خصوص جریان در کمپرسورها، فن‌ها، ملخ‌ها، پمپ‌ها و توربین‌ها اراده می‌نماید.

یک نمونه‌ی متداول از تونل باد کسکید (Cascade) سرعت پایین کمپرسور با کارکرد پیوسته

در سال‌های اخیر، انواع تست کسکید توربین خطی و حلقوی در رژیم‌های زیرصوت پایین، زیرصوت بالا و گذرصوتی در مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی طراحی و ساخته شده است. کاربردهای این نوع تست‌ها نیز گسترده‌تر شده است. در حال حاضر این گونه سکوهای تست با اهداف گوناگونی چون:

• تعیین میزان اتلافات پروفیل، اتلافات ثانوی و اتلافات ناشی از نشتی
• بررسی انتقال حرارت در پره‌های توربین
• بررسی پدیده فلاتر

طراحی و ساخته می‌شود. لزوم انجام تست‌های گوناگون موجب ایجاد مجموعه‌ایی از سکوهای تست کسکید گوناگون در دانشگاه‌هایی چون کمبریج، آکسفورد، ام‌آی‌تی، دانشگاه فنی ملی آتن، انستیتو ون کارمن، ویرجینیا تک و بسیاری دیگر از مراکز تحقیقات توربوماشین شده است.

طرحی از مقطع آزمایش یک تونل کسکید گذرصوت/فراصوت

آزمایش کسکیدهای گردنده نیز منجر به پیشرفت‌های بسیاری در فهم فرآیند‌های ناپایا در توربین شده است. روند همه‌ی این آزمایش‌ها به سمت ایجاد تاسیسات پیچیده و گران‌قیمت با صرف زمان زیاد شده است. ساخت این تاسیسات سال‌ها به طول می‌انجامد و نیازمند تجربه و تربیت تیم‌های کارآزموده است.

تأسیسات تست کسکید تیغه‌‌ی توربین گذرصوت مرکز پژوهشی لویس ناسا

نمای از مقطع آزمایش تأسیسات تست کسکید توربین گذرصوت ناسا

مراحل تست برای دستیابی به فهم بیشتر جریان‌ در توربوماشین‌ها

 شکل زیر گام‌های لازم برای تست توربوماشین‌ها و رسیدن به فهم بیشتر در رابطه با جریان در توربوماشین‌ها را از دیدگاه سادگی اندازه‌گیری و پیچیدگی میدان جریان نشان می‌دهد.

مراحل تست برای رسیدن به فهم بیشتر جریان‌ در توربوماشین‌ها

در این شکل مشاهده می‌شود که کسکید‌های خطی (Linear Cascade)، نخستین گام و در عین حال، ساده‌ترین راه برای دستیابی به فهم بیشتر در جریان توربوماشین‌ها است. با ورود به کسکیدهای حلقوی (Annular Cascade)، پیچیدگی میدان جریان بیشتر شده و اندازه‌گیری در آن دشوارتر می‌شود. به همین ترتیب، برای سکوهای تست مقیاس بزرگ سرعت پایین، سکوهای تست سرعت بالا و سیستم تست موتور به ترتیب پیچیدگی میدان جریان بیشتر و اندازه‌گیری دشوارتر می‌شود. از سیستم‌های تست کسکید خطی تا سیستم‌های تست نزدیکی به شرایط واقعی موتور بیشتر می‌شود.