بررسی اثرات خنک‌کاری لایه‌ای بر مشخصه‌های عملکردی یک توربین محوری

در این مقاله به مطالعه عددی عملکرد کلی و ساختار جریان در یک توربین محوری واقعی‌ و اثر خنک‌کاری لایه‌ای بر آن پرداخته می‌شود. مطالعات انجام‌شده در گذشته پیرامون اثر خنک‌کاری لایه‌ای بر ساختار جریان، عمدتا بر هندسه ساده‌شده پره‌ها و جایگزین کردن پره‌های توربین توسط یک شعاع انحنای سطح، متمرکز بوده‌اند و پیچیدگی‌ها و جزئیات ساختار جریان واقعی سه‌بعدی در طبقات توربین محوری لحاظ نگردیده‌است. در تحقیق حاضر این موضوعات لحاظ گردیده‌است. بدین منظور، تحلیل جریان در یک توربین با استفاده از نرم‌افزار تجاری ANSYS-CFX انجام شده‌است. در ابتدا، منحنی‌های عملکرد توربین محوری با استفاده از شبیه‌سازی عددی استخراج و با نتایج تجربی مقایسه گردیده که تطابق خوبی را نشان می‌دهند. خنک کاری از طریق سوراخ‌هایی با نرخ دمش (B.R) برابر 0/82، نرخ سرعت (V.R) برابر 0/4 و زاویه جت 30 درجه اعمال گردیده است. البته به دلیل تزریق جت به منطقه سکون در لبه‌ی‌حمله پره و همچنین افزایش دما در سطح فشار نسبت به مکش، دبی بیشتری برای خنک‌کاری در این نواحی لحاظ گردیده‌است. بررسی منحنی عملکرد توربین نشان‌دهنده کاهش ناچیز نسبت فشار و راندمان در اثر اعمال خنک‌کاری است که با توجه به قابلیت افزایش دمای ورودی در حالت خنک‌کاری، این کاهش قابل جبران است. خطوط جریان در اطراف پره، ایجاد لایه‌ای از سیال با دمای کم در اطراف پره استاتور که به صورت مانعی بین جریان گرم و سطح پره می‌باشد را نشان می‌دهد. اعمال خنک‌کاری موجب کاهش دمای سطوح فشار و مکش پره در حدود 300 درجه و دمای سطح‌ جلوی پره حدود 200 درجه می‌گردد. بررسی نمودارهای تغییرات شعاعی و محوری پارامترهای ترمودینامیکی حکایت از آن دارد که با اعمال خنک‌کاری عدد‌ماخ و دمای کل جریان در ورود و خروج جریان کاهش یافته و در مقابل افت فشار افزایش می‌یابد.