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
ویسکوزیته یا گرانروی روغن توربین یکی از مهمترین ویژگیهای روغن توربین است زیرا ضخامت فیلم روغن در روانکاری هیدرودینامیک یاتاقان ژورنال توربین به شدت تابع ویسکوزیته روغن است. ویسکوزیته یک سیال، نمادی از مقاومت آن سیال در برابر جاری شدن است. بر پایه این تعریف، عسل ویسکوزتر از آب است؛ زیرا عسل در برابر جاری شدن، مقاومت بیشتری از خود نشان میدهد.
واحدهای اندازه گیری ویسکوزیته
گرانروی سینماتیک
برای ویسکوزیته دو واحد اندازهگیری وجود دارد؛ «ویسکوزیته سینماتیک» که واحد آن میلیمتر مربع بر ثانیه mm2/s یا سانتی استوک است. برای محاسبه ویسکوزیته سینماتیک، روغن از یک لوله مویین عبور داده میشود و مدت زمانی که طول میکشد روغن از این لوله خارج شود، ثبت میگردد. از حاصل تقسیم مساحت مقطع لوله به زمان، ویسکوزیته سینماتیک به دست میآید.
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
یکی دیگر از واحدهای اندازهگیری ویسکوزیته، ویسکوزیته دینامیکی یا سانتی پُز است و با میلی پاسکال ثانیه (mPa.s) نشان داده میشود. در این روش اندازهگیری، مقدار گشتاور اعمال شده به اسپیندل دوار ، که در روغن غوطهور است و دوران میکند، معیاری برای تعیین ویسکوزیته روغن میباشد. 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. برای تبدیل ویسکوزیته سینماتیک به ویسکوزیته دینامیک، تنها کافیست ویسکوزیته سینماتیک را در چگالی روغن ضرب کنید. شایان ذکر است که روغنISO VG 32 و ISO VG 46 به طو معمول در توربین های بدون گیربکس استفاده میشود اما روغن ISO VG 68 در توربینهای مجهز به گیربکس و همچنین در شرایطی که دمای کاری روغن زیاد است کاربرد دارد.
تغییرات ویسکوزیته نشان دهنده چیست؟
همانطور که گفتهشد تغییرات ویسکوزیته روغن توربین فوقالعاده مهم است و تغییر هرچند ناچیز ویسکوزیته میتواند به تغییرات ناخواسته در موقعیت محوری و شعاعی شفت توربین منجرشود. به عنوان مثال، افزایش ویسکوزیته روغن توربین به ارتعاشات شعاعی شفت توربین منجر شده و پدیده شلاق روغن از پیامدهای خطرناک این اتفاق است.
دلایل کاهش ویسکوزیته روغن
مولکولهای هیدروکربن روغن در اثر شکست حرارتی روغن به مشتقات کوچکتری شکسته میشوند. مولکولهای بوجود آمده نسبت به مولکولهای اولیه ریزتر هستند (همانند خردشدن سنگ و تبدیل شدن آن به ماسه) و به همین علت در مقابل جاری شدن 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 زمانی اتفاق میافتد كه روغنی با ویسكوزیته پایین، به اشتباه به عنوان روغن سرریز استفاده شود. این مسئله میتواند کاهش و شکست فیلم روغن در یاتاقان توربین را موجب شود.
دلایل افزایش ویسکوزیته روغن
ترکیب روغن با اکسیژن به تشکیل موادی با ویسکوزیته بیشتر منجرمیشود. به عبارت 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. 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.
تبعات افزایش ویسکوزیته روغن
افزایش ویسکوزیته روغن توربین مشکلات زیر را در پی دارد.
- پدیده شلاق روغن در یاتاقانهای ژورنال
شفت توربین روی فیلم روغن دائماً در حال لغزش است و ناپایداریهای فیلم روغن به پدیده شلاق روغن ختم میشود. در پدیده شلاق روغن، موقعیت مرکز شفت توربین دائماً به بالا، پائین، چپ و راست منحرف
شده و حرکت مذکور مانند حرکت شلاق درشکهرانها است. نامگذاری پدیده شلاق روغن نیز به همین خاطر میباشد. تکنیکهای آنالیز ارتعاشات مانند اربیت شفت و مشاهده طیف فرکانسی در تشخیص پدیده شلاق روغن میتوانند موثر باشند.
- کاهش فلوی روغن و درنتیجه، کاویتاسیون در پمپ و یاتاقان توربین
- داغ شدن روغن
- افزایش مصرف انرژی
به طور کلی 2% از توان تولیدی توربینها در یاتاقانها به حرارت تبدیل میشود. لذا افزایش ویسکوزیته روغن به افزایش توان تلف شده توربین در یاتاقان منجر میشود.
- افت خواص عملکردی روغن
افزایش ویسکوزیته، کاهش توانایی روغن برای جدا شدن هوا و جداشدن روغن از آب را به همراه داشته و این مشکلات معمولا با کف کردن روغن توربین و افت فشار روغن خروجی از پمپهای روانکاری همراه است. کف آلود بودن روغن در بعضی توربینها به عدم توانایی استارت توربین بویژه در فصول سرد سال منجر میشود.
تبعات کاهش ویسکوزیته روغن
روی دیگر سکه، مسئله کاهش ویسکوزیته روغن توربین است. مشکلات گزارش شده از توربینها به دلیل کاهش ویسکوزیته روغن به قرار زیر است:
- شکست فیلم روغن
خطرناکترین پیامد کاهش ویسکوزیته، کاهش ضخامت فیلم روغن است. هرچقدر ویسکوزیته روغن کمتر شود، فیلم روغن تشکیل شده در یاتاقان توربین نازکتر شده و استحكام کمتری دارد. فیلم روغن نازکشده به شدت مستعد پاره شدن و شکسته شدن بوده و در صورت وقوع این فاجعه، آسیبدیدگی بابیت یاتاقان حتمی خواهد بود.
شکست فیلم روغن به دلیل کاهش ویسکوزیته در مواقعی که توربین در بار پیک مشارکت دارد، بیشتر گزارش شده است. همچنین زمانی که دور شفت توربین از دور نامی پایینتر است (یعنی موقع دور دادن و متوقف شدن توربین) خطر شکست فیلم روغن به دلیل کاهش ویسکوزیته افزایش میابد.
- افزایش اثر مخرب آلودگیها روی بابیت یاتاقان توربین
- افزایش نرخ شکست حرارتی روغن
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.
نظر سازندگان توربین در مورد حد مجاز تغییرات ویسکوزیته
معمولاً تخریب روغن توربین به ندرت به تغییر ویسکوزیته روغن منجر میشود و هدف اصلی از پایش ویسکوزیته روغن تشخیص آلودگیهای روغن است. بیشتر مواقع ویسکوزیته روغن به دلیل وارد شده به روغن توربین، افزایش مییابد. توربینسازهای مختلف در مورد محدوده مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن توربین اظهار نظر کردهاند. به عنوان مثال شرکت زیمنس دامنه مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن توربین را 10%± معرفی کرده است. به عبارتی دیگر اگر از روغن با ویسکوزیته 32cSt در توربین زیمنس استفاده شده باشد، تغییرات ویسکوزیته روغن در محدوده 28.8cSt تا 35.2cSt قابلقبول خواهد بود. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، استاندارد 4378 ASTM D محدوده 5%± را به عنوان حد مجاز تغییرات ویسکوزیته روغن اعلام نموده است.
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.
همچنین میتواند با مراجعه به وب سایت نشریه نگهداری و تعمیرات
در صنایع سیمان و معدن، مقاله ویسکوزیته روغن توربین
که در این نشریه چاپ شده است را مشاهده کرده و فایل pdf آن را
از اینجا دانلود کنید.