Μοντελοποίηση αεριοστροβίλου LM2500 για χρήση ναυτικής πρόωσης και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας - Παπαστελιανού, Αναστασία (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών, 2014)
Αντικείμενο της παρούσας μελέτης αποτελεί ένας από τους πιο εμπορικούς αεριοστρόβιλους, ο LM2500 της General Electric, κυρίαρχη επιλογή στο πολεμικό ναυτικό και με επιπλέον χρήση στις βιομηχανικές μονάδες παραγωγής ενέργειας. Η ευρέως διαδεδομένη χρήση του, τόσο σε διεθνές όσο και εθνικό επίπεδο καθιστά αναγκαία την ύπαρξη υπολογιστικών μοντέλων που θα αναπαράγουν πιστά τη λειτουργία ενός πραγματικού κινητήρα. Η χρήση αυτών έχει πολλαπλά οφέλη και κύριο σκοπό την ελάττωση του κόστους και χρόνου στη διαχείριση και παρακολούθηση λειτουργίας των μηχανών. Έτσι, στη παρούσα διπλωματική εργασία δημιουργούνται δύο υπολογιστικά μοντέλα που προσομοιώνουν, αφενός, τη χρήση του αεριοστροβίλου στη ναυτιλία και , αφετέρου, τη χρήση του στο βιομηχανικό τομέα ως μέσο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Για το σκοπό αυτό, αρχικά, συγκεντρωθηκε όλη η διαθέσιμη πληροφορία, προερχόμενη από την ανοιχτή βιβλιογραφία, σχετικά με τον κινητήρα LM2500 και τις εκδόσεις του. Στο ίδιο σημείο γίνεται εκτενέστερη αναφορά στις επιδόσεις των εκδόσεων, στις εφαρμογές τους σε διεθνές αλλά και εγχώριο επίπεδο. Η επιλογή των μοντέλων των κινητήρων που μοντελοποιούνται βασίστηκε στην ύπαρξη του αεροστροβίλου σε ελληνικές εφαρμογές. Έτσι, επιλέχθηκε η έκδοση LM2500-30, όπως συναντάτε σε ελληνικές φρεγάτες, καθώς και η LM2500+, όπως συναντάτε σε ελληνικές μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και μοντελοποιήθηκαν στο υπολογιστικό περιβάλλον του Proosis. Για τη μοντελοποίηση του κινητήρα ναυτικής προώσεως LM2500-30 συλλέχθηκαν δεδομένα από εγχειρίδιο που παρείχε ο κατασκευαστής. Απαραίτητο βήμα πριν την έναρξη κάθε μοντελοποίησης είναι η συλλογή, αξιολόγηση και επεξεργασία των διαθέσιμων δεδομένων. Για το λόγο αυτό, δημιουργήθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο στο υπολογιστικό πρόγραμμα Proosis το οποίο μέσω θερμικών ισοζυγίων υπολόγιζε σημαντικές παραμέτρους που χρησιμοποιήθηκαν για τη μοντελοποίηση του αεριοστροβίλου. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε περιγραφή της μοντελοποίησης στο υπολογιστικό πρόγραμμα Proosis. Αρχικό βήμα της μοντελοποίησης, ήταν η δημιουργία της σχηματικής διάταξης του κινητήρα καθώς και δύο νέες συνιστώσες για την μοντελοποίηση των αγωγών εισόδου και εξόδου. Δεύτερο βήμα ήταν η επιλογή δεδομένων και χαρτών για τα χαρακτηριστικά κάθε συνιστώσας. Στο τρίτο βήμα πραγματοποιείται η επιλογή του σημείου σχεδίασης και η ανάλυση σε αυτό. Από την διαδικασία αυτή προέκυψαν οι συντελεστές κλίμακας των χαρτών λειτουργίας καθώς και μεγέθη, απαραίτητα για την προσομοίωση του μοντέλου σε σημεία εκτός του σημείου σχεδίασης. Στο επόμενο βήμα, μελετήθηκαν οι επιδόσεις των σημείων εκτός του σημείου σχεδίασης όπου δημιουργήθηκε η γραμμής λειτουργίας. Οι αποκλίσεις των σημείων αυτών από τα αντίστοιχα δεδομένα του εγχειριδίου ήταν μη-ικανοποιητικές. Προς ελαχιστοποίηση αυτών, πραγματοποιήθηκε μια σειρά βελτιώσεων. Πρώτη βελτίωση ήταν η αλλαγή του χάρτη λειτουργίας του στροβίλου ισχύος. Η δεύτερη πραγματοποιήθηκε με την εύρεση της βέλτιστης θέσης του σημείου σχεδίασης, πάνω στους χάρτες των συνιστωσών. Ύστερα από προσομοίωση όλων των διαθέσιμων σημείων του εγχειριδίου, προστέθηκε μια ακόμη βελτίωση μέσω της τοπικής προσαρμογής του χάρτη του στροβίλου ισχύος, σε σημεία όπου το μοντέλου ήταν μη-ικανοποιητικό. Επιπλέον, έγινε μία επισκόπηση της διαδικασίας της καθολικής προσαρμογής των χαρτών χάριν πληρότητας. Κατά την ολοκλήρωση του μοντέλου LM2500-30, ακολουθεί προσομοίωση των δεδομένων του εγχειριδίου και γίνεται γραφική αναπαράσταση των διορθωμένων μεγεθών. Για τη μοντελοποίηση του κινητήρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας LM2500+, συλλέχθηκαν, αρχικά, δεδομένα μετρήσεων από πραγματικό κινητήρα ΑΗΣ Κρήτης. Σαν πρώτο βήμα της μοντελοποίησης, δημιουργήθηκε μια νέα συνιστώσα θαλάμου καύσης που προσομοιώνει την δυνατότητα έγχυσης νερού/ατμού εντός αυτού. Στη συνέχεια, τα διαθέσιμα δεδομένα προσομοιώθηκαν στο μοντέλο που είχε ήδη κατασκευαστεί (LM2500-30), και αξιολογήθηκε η συμπεριφορά του. Καθώς απέκλινε σημαντικά από τα δεδομένα μετρήσεων, κρίθηκε απαραίτητη η δημιουργία νέου μοντέλου. Το μοντέλο αυτό, βασίστηκε στο προηγούμενο, έχοντας όμως αναβαθμίσεις και βελτιώσεις. Μια από αυτές είναι η δημιουργία νέου σημείου σχεδίασης και η προσαρμογή στις μετρήσεις . Ολοκληρώνοντας, συμπεραίνεται ότι δημιουργήθηκε αξιόπιστο μοντέλο Α/Σ LM2500 χρήσης ναυτικής προώσεως, με μέγιστη απόκλιση σε σημεία μέσης ισχύος της τάξης του 1,5%. Αξιόπιστα μοντελοποιήθηκε και ο Α/Σ LM2500+ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, με μέγιστες αποκλίσεις της τάξης του 1% σε σημεία κοντά στη μέγιστη ισχύ.