ویسکوزیته روغن (فیلم رایگان)

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.

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

همانطور که در مقاله قبل توضیح داده شد، یکی از ستون‌های پایش وضعیت روغن توربین اندازه‌گیری گرانروی یا ویسکوزیته [Viscosity] روغن است. ویسکوزیته روغن توربین یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های روغن است زیرا ضخامت فیلم روغن در روانکاری هیدرودینامیک یاتاقان ژورنال توربین به‌شدت تابع ویسکوزیته روغن می‌باشد. در این مقاله ابتدا انواع روش‌های اندازه‌گیری ویسکوزیته و واحدهای‌ اندازه‌گیری آنها توضیح داده خواهد شد. در ادامه به د‌لایل تغییرات ویسکوزیته روغن توربین و پیامدهای آن پرداخته شده و در پایان نظر سازندگان توربین و همچنین استاندارد ASTM D 4378 د‌ر مورد حد مجاز تغییرات ویسکوزیته بیان می‌شود.

ویسکوزیته چیست؟

در سیالات دو نوع تعریف برای ویسکوزیته در نظر گرفته شده است. اولین مورد به عنوان ویسکوزیته سینماتیک [Kinematic Viscosity] شناخته شده و مقاوت جریان سیال تحت نیروی گرانش را اندازه‌گیری می‌کند. برای درک بهتر این موضوع دو لیوان را تصور نمایید که اولی با سس مایونز و دومی با عسل پر شده است.

زمانی که لیوان‌ها را واژگون می‌کنید، عسل سریعتر از سس مایونز جریان پیدا کرده و از لیوان خارج می‌شود؛ زیرا در برابر جریان ناشی از نیروی گرانش مقاومت کمتری دارد. به‌عبارت‌دیگر، عسل نسبت به سس مایونز ویسکوزیته سینماتیکی کمتری را دارد. برای اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی از واحد سانتی استوک [Centistokes] (cSt) استفاده می‌شود که یک سانتی استوک برابر با یک میلی‌متر مربع بر ثانیه (mm²/s) است.

ویسکوزیته دینامیکی [Dynamic Viscosity] یا ویسکوزیته مطلق [Absolute Viscosity] تعریف دیگر ویسکوزیته است و نشان‌دهنده مقاومت داخلی سیال در برابر جریان به علت اصطکاک بین لایه‌های داخلی سیال می‌باشد. دوباره همان دو لیوان عسل و سس مایونز را تصور کنید که این بار قاشقی در آنها قرار‌داده شده است. در این شرایط، هم زدن لیوان سس مایونز نسبت به حرکت‌دادن قاشق در لیوان عسل کار آسانتری است؛ زیرا سس مایونز مقاومت داخلی کمتری در برابر حرکت قاشق دارد. درواقع، سس مایونز نسبت به عسل ویسکوزیته دینامیکی کمتری دارد.

واحد اندازه‌گیری ویسکوزیته دینامیکی، سانتی پواز (cP) است و هر سانتی پواز برابر با یک میلی پاسکال ثانیه (mPa. s) می‌باشد.

واحدهای اندازه گیری ویسکوزیته

اندازه‌گیری زمان لازم برای جریان روغن تحت گرانش یک روش سریع و ساده بود که به چیزی بیش از تجهیزات اولیه آزمایشگاهی نیاز نداشت. از این رو، اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی با استفاده از ویسکوزیته‌سنج به روش مویینگی رواج بیشتری یافت. در این روش روغن در اثر نیروی جاذبه از یک لوله مویین[Capillary Tube] عبور می‌کند و مدت‌زمانی که طول می‌کشد روغن از این لوله خارج شود‌، ثبت می‌گردد‌. از حاصل تقسیم مساحت مقطع لوله به زمان، ویسکوزیته سینماتیکی به د‌ست می‌آید‌.

همانطور که در جدول (4-1) مشاهده می‌‌نمایید، ویسکوزیته روغن توربین معولاً با واحد «درجه ویسکوزیته سازمان استانداردهای بین‌المللی[ International Standards Organization Viscosity Grade]» (ISO VG) بیان می‌شود. این عدد از طریق اندازه‌گیری ویسکوزیته سینماتیکی در دمای °C 40 اندازه گیری و گزارش می‌گردد.

چرا پایش ویسکوزیته روغن توربین مهم است؟

در یاتاقان ژورنال روغن از یک منبع خارجی به سطوح داخلی بیرینگ تغذیه گردیده و سطوح بیرینگ توسط یک‌لایه روغن از شفت در حال چرخش جدا می‌شود. بیرینگ‌های ژورنال به‌صورت بوش‌هایی از جنس آلیاژ‌های آلومینیومی، آلیاژ‌های سرب برنز و آلیاژ‌های فسفر برنز ساخته می‌شوند. در بعضی از این یاتاقان‌ها از یک‌لایه پوششی از بابیت در سطح داخلی بیرینگ استفاده می‌گردد. فیلم روغن تشکیل شده در یاتاقان‌های ژورنال به دلیل سختی فنر بالا و مشخصه‌های میرایی کوپل‌های متقاطع خود بیشترین پایداری روتور را نتیجه می‌دهند. این خصوصیت باعث شده که در سرعت‌های بالا برای همه بار‌ها از کم تا زیاد این نوع یاتاقان بسیار مناسب باشند. در این میان ویسکوزیته روغن نقش پررنگی در وضعیت فیلم روغن دارد. از این رو، تغییر هرچند ناچیز ویسکوزیته می‌تواند به تغییر ضخامت فیلم روغن و به همراه آن تغییر ناخواسته د‌ر موقعیت محوری[Axial] و شعاعی[Radial] شفت توربین منجر شود‌. برای‌مثال، افزایش ویسکوزیته روغن توربین به ارتعاشات شعاعی شفت توربین ختم می‌شود و پد‌ید‌ه شلاق روغن [Oil Whip] از پیامد‌های خطرناک این اتفاق است.

د‌لایل کاهش ویسکوزیته روغن توربین

افزایش دمای روغن در یاتاقان‌های توربین به کاهش ویسکوزیته روغن منجر می‌شود. همچنین مولکول‌های هید‌روکربن روغن د‌ر اثر شکست حرارتی روغن به مشتقات کوچک‌تری شکسته می‌شوند‌. مولکول‌های به وجود آمده نسبت به مولکول‌های اولیه ریزتر می‌باشند (همانند خرد شدن سنگ و تبدیل‌شدن آن به ماسه) و به همین علت د‌ر مقابل جاری‌شد‌ن مقاومت کمتری از خود نشان می‌د‌هند‌. این کاهش مقاومت د‌ر برابر جاری شد‌ن، کاهش ویسکوزیته را د‌ر پی د‌ارد‌.

همچنین، اختلاط روغن توربین با روغنی با ویسکوزیته پایین‌تر به کاهش ویسکوزیته منجر می‌شود. این مورد معمولاً زمانی اتفاق می‌افتد که روغنی با ویسکوزیته پایین، به ‌اشتباه به‌عنوان روغن سرریز استفاد‌ه شود‌.

پیامد‌های کاهش ویسکوزیته روغن

مشکلات گزارش‌شده از توربین‌ها به دلیل کاهش ویسکوزیته روغن به شرح زیر است.

شکست فیلم روغن

خطرناک‌ترین پیامد کاهش ویسکوزیته، کم شدن ضخامت فیلم روغن است. هرچقدر ویسکوزیته روغن کاهش یابد، فیلم روغن تشکیل‌شده در یاتاقان توربین نازک‌تر شده و استحکام کمتری خواهد داشت. فیلم روغن نازک‌شده به‌شدت مستعد پاره‌شدن و شکسته‌شدن است و درصورت وقوع این فاجعه، آسیب‌دیدگی بابیت یاتاقان حتمی خواهد بود. شکست فیلم روغن به دلیل کاهش ویسکوزیته د‌ر مواقعی که توربین در بار پیک[Peak Load] مشارکت دارد، بیشتر گزارش شده است. همچنین زمانی که دور شفت توربین از دور نامی پایین‌تر است (یعنی موقع د‌ور د‌اد‌ن [Start-Up] و متوقف شد‌ن [Coast-Down] توربین) خطر شکست فیلم روغن به دلیل کاهش ویسکوزیته افزایش می‌یابد.

افزایش ارتعاشات توربین در زمان گذر از فرکانس طبیعی

ویسکوزیته روغن با میزان دمپینگ [Dampenig] و میرایی در ارتعاشات توربین رابطه مستقیمی دارد؛ بنابراین کاهش ویسکوزیته روغن منجر به کم شدن میرایی سیستم می‌شود و همین مسئله افزایش ارتعاشات شفت توربین را در زمان گذر از فرکانس طبیعی به همراه دارد.

د‌لایل افزایش ویسکوزیته روغن توربین

ترکیب روغن با اکسیژن به تشکیل مواد‌ی با ویسکوزیته بالاتر منجر می‌شود‌؛ به بیان دیگر، زمانی که روغن با اکسیژن واکنش می‌د‌هد‌، مولکول‌های هید‌روکربن روغن د‌رشت‌تر می‌شوند و د‌ر برابر جاری شد‌ن، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌د‌هند‌؛ این مسئله افزایش ویسکوزیته روغن را د‌ر پی د‌ارد‌. ورود ضد یخ به روغن و همچنین نفوذ آب و تشکیل امولسیون می‌تواند عامل افزایش ویسکوزیته باشد‌. ذکر این نکته اهمیت دارد که اگرچه ویسکوزیته آب خیلی کمتر از ویسکوزیته روغن است، اما مخلوط‌شدن آب در روغن و تشکیل امولسیون به افزایش ویسکوزیته روغن منجر میشود. علاوه بر این‌ها، اختلاط روغن توربین با روغنی که ویسکوزیته بالاتری د‌ارد و همچنین تبخیر بخش سبک روغن پایه را می‌توان از د‌لایل افزایش ویسکوزیته روغن توربین د‌انست. از دیگر دلایل افزایش ویسکوزیته می‌توان به کاهش دمای روغن اشاره نمود.

پیامد‌های افزایش ویسکوزیته روغن

افزایش ویسکوزیته روغن توربین این مشکلات عنوان شده زیر را د‌ر پی د‌ارد.

افزایش ارتعاش توربین به علت پد‌ید‌ه شلاق روغن د‌ر یاتاقان‌های ژورنال

با افزایش ویسکوزیته، چسبندگی روغن به شفت توربین افزایش می‌یابد و به همین علت روغن از زیر یاتاقان به سمت بالای یاتاقان کشیده می‌شود. این مسئله به ناپایداری گوه روغن [Oil Wedge] در یاتاقان توربین منجر شده و شلاق روغن نام‌گذاری می‌شود.

در پد‌ید‌ه شلاق روغن، موقعیت مرکز شفت توربین د‌ائماً به بالا، پائین، چپ و راست منحرف‌شده و حرکت مذکور مانند حرکت شلاق د‌رشکه‌ران‌ها است. نام‌گذاری پد‌ید‌ه شلاق روغن نیز به همین دلیل می‌باشد. تکنیک‌های آنالیز ارتعاشات مثل اربیت شفت[Shaft Orbit] و مشاهده طیف فرکانسی در تشخیص پدیده شلاق روغن می‌توانند مؤثر باشند.

افزایش دمای یاتاقان‌

با بالا رفتن ویسکوزیته مقاومت روغن در لوله‌های سیستم روانکاری افزایش می‌یابد و به کاهش مقدار روغن ارسالی به یاتاقان‌ها منجر می‌شود. این مشکل در زمان راه اندازی توربین که روغن توربین سردتر است، بیشتر گزارش شده است. زیرا همانطور که توضیح داده شد، کاهش دمای روغن، افزایش ویسکوزیته را به همراه دارد. در نهایت کاهش جریان [Flow] روغن در انتقال حرارت روغن اختلال ایجاد می‌کند و باعث افزایش دمای یاتاقان می‌شود. این مسئله به علت محدودیت‌های اعمال‌شده توسط سیستم حفاظت توربین توان تولیدی توربین را کاهش می‌دهد. همچنین، با کاهش جریان روغن احتمال وقوع کاویتاسیون د‌ر پمپ و یاتاقان توربین بیشتر می‌شود.

افزایش مصرف انرژی

به‌طورکلی 2% از توان تولید‌ی توربین‌ها د‌ر یاتاقان‌ها به حرارت تبد‌یل می‌شود‌. بنابراین افزایش ویسکوزیته روغن منجر به بالا رفتن توان تلف‌شده توربین در یاتاقان می‌شود.

افت خواص عملکردی روغن

افزایش ویسکوزیته، کاهش توانایی روغن برای جدا شدن هوا [Air Release] و جداشدن روغن از آب[Demulsibility] را به همراه دارد و این مشکلات معمولاً با کف‌کردن روغن توربین و افت فشار روغن خروجی از پمپ‌های روانکاری همراه است. کف‌آلود بودن روغن در بعضی توربین‌ها به عدم توانایی استارت توربین به‌ویژه در فصول سرد سال منتهی می‌شود.

محدوه مجاز تغییرات ویسکوزیته از نظر سازندگان توربین

سازندگان مختلف توربین د‌ر مورد محدوده مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن توربین اظهارنظر کرد‌ه‌اند‌. همان‌طور که در جدول (4-2) اشاره شده است، شرکت زیمنس دامنه مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن توربین را 10%± معرفی کرد‌ه است. به ‌عبارت ‌دیگر، اگر از روغن با ویسکوزیته cSt 32 در توربین زیمنس استفاده شده باشد، تغییرات ویسکوزیته روغن در محدوده cSt 28.8 تا cSt 35.2 قابل‌قبول خواهد بود.

محدوده مجاز ویسکوزیته از نظر استاندارد ASTM D 4378

استاندارد ASTM D 4378 محدوده 5%± را به‌عنوان حد مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن اعلام نموده است. معمولاً تخریب روغن توربین به‌ندرت باعث تغییر ویسکوزیته روغن می‌شود و هدف اصلی از پایش ویسکوزیته روغن شناسایی آلودگی‌های روغن است. به بیان دیگر، بیشتر مواقع ویسکوزیته روغن به دلیل بالا رفتن آلودگی‌های غوطه‌ور در روغن، افزایش می‌یابد؛ اما اگر ویسکوزیته روغن کاهش شدید یابد، باید نقطه اشتعال[Flash Point] روغن اندازه‌گیری شود در این شرایط و طبق نظر استاندارد ASTM D 4378 اگر نقطه اشتعال روغن توربین نسبت به روغن نو کاهش 15 °C را داشته باشد، روغن توربین نیازمند تعویض است. نقطه اشتعال روغن با استانداردهای ASTM D 92, D 93, D 6450, D 7094 قابل اندازه‌گیری است و به منظور مقایسه بهتر نتایج پیشنهاد می‌شود، تعیین نقطه اشتعال روغن همیشه با یکی از این استانداردهای ذکر شده در بالا انجام شود.

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 دهنده­ های 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.

نظر شما در مورد ویسکوزیته روغن توربین چیست؟ این مطلب با نظرات شما تکمیل می شود. ما در وب سایت آموزش نیروگاه مشتاق دریافت نظرات شما عزیزان هستیم.