ویسکوزیته روغن توربین (فیلم آموزشی)

در این فیلم 3 دقیقه ای در مورد ویسکوزیته روغن توربین به شما میگویم:

تعریف ویسکوزیته سینماتیک و ویسکوزیته دینامیک
عوامل کاهش و افزایش ویسکوزیته
حد مجاز تغییرات ویسکوزیته
مقدار روغن و هزینه آزمایش اندازه گیری ویسکوزیته طبق استاندارد ASTM D 445

ویسکوزیته روغن توربین

به نام خدا دوستان سلام من سعید کردی زاده هستم، کارشناس ارشد مکانیک و در این ویدیو قصد دارم در مورد ویسکوزیته روغن توربین مطالبی را با شما درمیان بگذارم.

گرانروی مقاومتی است که سیال به دلیل اصطکاک داخلی مولکولها، در مقابل جاری شدن از خود نشان میدهد. عسل ویسکوزتر از آب است چون عسل در برابر جاری شدن از خودش مقاومت بیشتری نشان میدهد. گرانروی سیال با تغییرات درجه حرارت تغییر میکند. بدین صورت که اگر درجه حرارت کاهش یابد، گرانروی زیاد میشود و بالعکس. به همین دلیل، گرانروی همیشه با ذکر درجه حرارت بیان میگردد

واحدهای اندازه گیری ویسکوزیته

گرانروی سینماتیک

ویسکوزیته سینماتیک که واحد آن mm²/s است. برای محاسبه ویسکوزیته به این روش روغن از داخل یک لوله مویین یا Capillary tube با نیروی جاذبه جاری شده و مدت زمانی را که طول میکشد روغن در طول مشخصی از این لوله مویین جابه جا شود را ثبت میکنند.

از حاصل تقسیم مساحت مقطع لوله به زمان، ویسکوزیته سینماتیک محاسبه میشود.

معمولا گرانروی سینماتیک با واحد سانتی استوک (1cSt=0.01st) و در سیستم SI با واحد میلیمتر مربع بر ثانیه گزارش میشود. اندازه‌گیری این نوع گرانروی طبق روش استاندارد (445-ASTMD)، و در دو دمای و صورت میگیرد.

گرانروی دینامیک

گرانروی دینامیک که فقط تابعی از اصطکاک داخل یک مایع است، یکی از اساسی‌ترین عوامل در محاسبات طراحی یاتاقانهای توربین و جریان مایع می‌باشد و میزان آن با اندازه‌گیری مقدار نیروی لازم برای غلبه بر نیروی اصطکاک بین دولایه با ابعاد مشخص تعیین میشود.

تفاوت سرعت بین دو لایه سیال که به تغییرات خطی آنها بستگی دارد، سرعت برشی نام دارد و با (s) نشان داده میشود. گرادیان سرعت به تنش برشی نیز بستگی دارد.

گرانروی دینامیکی معمولا با نشان داده میشود و واحد آن پوآز – سانتی پوآز (cp=0.01p) و در سیستم بینالمللی SI، با واحد پاسکال – ثانیه (1pas = 10p) گزارش میشود.

برای تبدیل ویسکوزیته سینماتیک به ویسکوزیته دینامیک کافیست، ویسکوزیته سینماتیک را در چگالی روغن ضرب کنید.

عسل ویسکوزتر از آب است چون عسل در برابر جاری شدن از خودش مقاومت بیشتری نشان می دهد.

تغییرات ویسکوزیته نشان دهنده چیست؟

تغییرات ویسکوزیته برای روغن توربین فوق العاده مهم می باشد.

کاهش ویسکوزیته

کاهش ویسکوزیته به دلیل شکست حرارتی روغن یا Thermal Cracking بوده و میتواند باعث کاهش و شکست فیلم روغن در یاتاقان توربین شود.

افزایش ویسکوزیته

افزایش ویسکوزیته معمولا بیشتر گزارش میشود، به دلایل زیر میتواند باشد:

اکسید شدن روغن
ورود ضد یخ به روغن
نفوذ آب و تشکیل امولسیون

افزایش ویسکوزیته روغن توربین باعث ایجاد پدیده ای به نام شلاق روغن یا Oil whip در یاتاقان های ژورنال شود.

همچنین کاهش فلو و درنتیجه، کاویتاسیون در پمپ و یاتاقان را ینز به همراه دارد. همچنین افزایش ویسکوزیته باعث داغ روشن روغن شده و این داغ شدن، Varnish و Sludge را به همراه دارد.

با پدیده وارنیش بیشتر آشنا شوید.

شاخص گرانروی(Viscosity Index) چیست؟

میزان تغییرات گرانروی بر اثر تغییر دما را شاخص گرانروی مینامند که به اختصار به صورت VI نشان داده میشود. هرچه VI روغنی بالاتر باشد، تغییرات ویسکوزیته آن روغن براثر تغییرات دما کمتر خواهد بود. شاخص گرانروی عددی بدون بعد است و از صفر تا مقادیر بالاتر از ۱۰۰ نیز تغییر میکند.

مواد افزودنی با هدف بهبود کیفیت و تامین خواص مورد نظر، به روغنها افزوده میشود. بمنظور بهبود شاخص گرانروی روغنها نیز، از مواد افزودنی بهبود دهنده شاخص گرانروی (VI Improvers) استفاده میشود. این مواد پلیمری، وظیفه کاهش تغییرات گرانروی در برابر تغییرات درجه حرارت را بعهده دارند. زیرا گرانروی روغنها خاصیت ثابتی نبوده و با تغییر درجه حرارت، فشار و سرعت برشی، مقدار آن تغییر میکند.

تغییرات گرانروی با دما

وقتی دمای روغن روانکار بالا میرود، کشش میان مولکولها کم شده و گرانروی آن کاهش مییابد.

معادله ابلود – والتر که رابطه بین گرانروی و درجه حرارت را نشان میدهد به عنوان مبنای محاسبات توسط استانداردهای

International Standards Organization :ISO

Deutsche Industrie Norm :DIN

American Society Testing and Material: ASTM

به کار میرود.

T: دمای کلوین

C , K : عدد ثابت

m : شیب نمودار V-T

مقدار C برای روغن معدنی در معادله (۴)، بین 0.6-0.9 میباشد.

m در معادله ابلود – والتر نشان دهنده شیب منحنی V-T است و برای روغن پایه بین 5، 4-1، 1 میباشد. مقادیر کوچکتر برای روغنهایی که گرانرویشان به میزان کمتری با دما تغییر میکنند ، استفاده میشود

تغییرات گرانروی با فشار

با وجود آنکه بررسی رفتار V-P درمورد برخی از روانکارها نادیده انگاشته شده است، اما وابستگی نمایی گرانروی با فشار به این معناست که گرانروی به شدت با افزایش فشار، افزایش مییابد. به طور مثال گرانروی روغنهای عملیات ماشین کاری میتواند با افزایش فشار با توان ۱۰ افزایش یابد.

: گرانروی دینامیک در فشارp

: ضريب گرانروی – فشار (نسبت عکس با دما دارد)

: گرانروی دینامیک در فشار یک اتمسفر

تغییرات گرانروی با سرعت برشی

سیالات نیوتنی سیالاتی هستند که با تغییر سرعت برشی گرانروی دینامیکی آنها ثابت بماند. در غیر اینصورت آنها را سیالات غیر نیوتنی مینامند. در واقع رابطه بین سرعت برشی (تفاوت سرعت بین دو لایه) و تنش برشی به صورت زیر تعریف میشود:

که گرانروی دینامیک سیال است.

روغنهای حاوی مواد افزودنی پلیمری و روغنهای معدنی در درجه حرارتهای پایین، نمونههایی از سیالات غیرنیوتنی هستند. در دماهای کاربرد معمولی، اکثر روغنهای پایه هیدروکربنی و استرهای سنتزی مانند سیالات نیوتنی عمل میکنند کرده و نیروهای برشی خیلی زیادی را تحمل میکنند.

برای تنظیم گرانروی و بهبود شاخص گرانروی به روغنها مواد افزودنی پلیمری به نام (VI-Improvers) اضافه میکنند، اگر این پلیمرها دارای مقاومت لازم در برابر تنشهای برشی نباشند، به مولکولهای کوچکتر شکسته شده، گرانروی روغن نیز کاهش مییابد. بنابراین در روغنهایی که از این مواد افزودنی در تولید آنها استفاده میشود (مانند روغنهای موتور چند درجهای)، باید از پلیمرهایی با پایداری خوب در برابر تنشهای برشی استفاده کرد.

کاهش گرانروی بر اثر تنش برشی در سیالات غیرنیوتنی برگشتپذیر است و بعد از آنکه تنش برشی متوقف شود، گرانروی به مقدار اولیه خود باز میگردد. در چنین مواردی، نیروهای برشی منجر به تغییر مکانیکی یا کاهش اندازه مولکولهای پلیمر میشوند. این نتایج به خصوص در روغنهای موتور چند درجهای و روغنهای هیدرولیک با VI بالا مشاهده شده است. پایداری برشی این پلیمرها مشخصه کیفیتی بسیار مهمی است.

مکانیسم عمل بهبود دهندههای شاخص گرانروی (VI-improver)

بهبود دهندههای شاخص گرانروی پلیمرهایی هستند که حلالیتشان به طول زنجیره، ساختار و ترکیب شیمیایی آنها بستگی دارد. این پلیمرها در دماهای بالا تغییر شکل داده و با افزایش دما، حلالیتشان در روغن افزایش مییابد. افزایش گرانروی و VI به وزن مولکولی و غلظت بهبود دهنده گرانروی به کار رفته در فرمولاسیون روغن بستگی دارد. در عمل و بسته به کاربرد، وزن مولکولی معمولا gr/mol – 250000-10000 و غلظت آنها معمولاً بین ۳ تا ۲۵ درصد وزنی میباشد.

نمودار ۲- تغییرات پایداری برشی با وزن مولکولی بهبود دهندههای شاخص گرانروی

نمودار ۳- تغییرات غلظت با وزن مولکولی بهبود دهندههای شاخص گرانروی

به غیر از وابستگی غلظت پلیمر (بهبود دهنده شاخص گرانروی) به وزن مولکولی که در نمودار ۲ نشان داده شده است. در صورت ثابت ماندن غلظت، با افزایش وزن مولکولی، به علت تخریب مکانیکی – حرارتی زنجیر پلیمر، پایداری برشی کاهش مییابد ( نمودار 3) . این عمل به وسیله دو مکانیسم زیر رخ میدهد:

1- شکست موقتی

تحت شرایط مشخصی از تنش برشی (shear stress) اتفاق میافتد و نتیجه آن کم شدن موقتی گرانری است. ظاهرا تحت این شرایط مولکولهای بلند ماده افزودنی خود را در جهت فشار وارده قرار داده و در نتیجه مقاومت کمتری در برابر جریان ایجاد میکنند و این عمل باعث پایین آمدن گرانروی میشود. وقتی که فشار برداشته شود مولکولها به حالت اولیه خود بر میگردند و کم شدن گرانروی موقتی از بین میرود. این عمل دارای یک نتیجه سودمند میباشد و کم شدن موقتی گرانروی سبب میشود تا در شرایط آب هوای سرد موتور راحتتر روشن شود.

2- شکست دائمی

در این حالت مولکولهای بلند زنجیر پلیمر تحت اثر تنش و ضربه کاملا شکسته شده و تبدیل به مولکولهای کوچکتر میشوند. مولکولهای کوچک تولید شده دارای خاصیت بالابرندگی شاخص گرانروی به اندازه کافی نمیباشد و این شکست مولکولی یک عامل محدود کننده در میزان افزایش این مواد به روغن پایه میباشد.

آیا شاخص گرانروی(Viscosity Index) بیانگر کیفیت روغن است؟

شاخص گرانروي (VI) نشانگر ميزان تغييرات گرانروي نسبت به تغييرات دما است.

هرچه رقم شاخص گرانروي روغني بزرگتر باشد، در اثر تغيير دما گرانروي روغن كمتر تغيير مي كند و برعكس.

با توجه به مطلوب بودن محدودیت تغییرات گرانروی در عموم سیستم ها می توان گفت این مشخصه می تواند بیانگر کیفیت روغن باشد.

از آنجایی که دمای تانک روغن توربین توسط کولر روغن کنترل می شود، این پارامتر در روغن توربین پر رنگ نمی باشد.

اظهار نظر توربین سازها در مورد ویسکوزیته

توربین سازهای مختلف در مورد رنج تغییرات ویسکوزیته روغنی که قرار است در توربینشان استفاده شود، اظهار نظر کرده اند.

به عنوان مثال استانداردASTM D 4378 تغییرات 5%± را به عنوان حد مجاز تغییرات ویسکوزیته عنوان کرده است.

توربین سازهایی مثل زیمنس و مپنا تغییرات 10%± را برای ویسکوزیته روغن توربین اعلام نموده اند.

اندازه گیری ویسکوزیته

پیشنهاد میشود از روغن توربین به صورت ماهیانه نمونه گیری کرده و ویسکوزیته را ماهیانه اندازه گیری کنید. این کار را میتوانید با پروتکل استاندارد ASTM D 445 و با مقدار 25ml از روغن انجام دهید.

هزینه انجام تست در کشور ما یازده هزار تومن است.