بررسی عددی خنک کاری پره های توربین گاز

توربین های گاز در صنایع مختلف کاربرد های بسیاری دارند. افزایش دمای ورودی در توربین های گازی باعث افزایش راندمان آنها خواهد شد. با توجه به محدودیت دمایی آلیاژهای مورد استفاده در ساخت توربین های گازی، به راه حلی برای کاهش دمای اجزای توربین به خصوص پره های توربین نیاز است. خنک کاری پره های توربین به صورت داخلی و خارجی انجام می شود. در خنک کاری داخلی با عبور سیال سرد از درون پره ها دمای آنها کاهش می یابد. در خنک کاری خارجی سیال خنک با ایجاد یک لایه محافظ، از برخورد مستقیم جریان داغ با بدنه پره ها جلوگیری می کند. با توجه به مشکلات و هزینه های بالا در انجام کارهای تجربی، تحقیقات عددی بسیاری در این زمینه صورت گرفته است. در این شبیه سازی عددی، مدل هندسی و شبکه محاسباتی به کمک نرم افزار گمبیت ایجاد شده است. ضریب انتقال حرارت در نوک پره بیشترین مقدار خود را داراست، به همین دلیل در تحقیق حاضر و اکثر کارهای مشابه سوراخ های خنک کاری در لبه پره واقع شده است. از نرم افزار فلوئنت نیز برای حل معادلات حاکم و تحلیل جریان استفاده شده است. با توجه به مغشوش بودن جریان در توربوماشین ها استفاده از معادلات اغتشاشی مناسب برای مدل کردن اغتشاشات جریان یکی از مسائل مهم در تحلیل حرارتی جریان های موجود در توربین ها است. در پژوهش حاضر نیز برای یافتن مدل اغتشاشی مناسب ابتدا از چندین مدل اغتشاشی برای حل مساله استفاده شد. مدل های اغتشاشی مورد بررسی مدل های دو معادله ای k-?، k-? و. مدل چهار معادله ای v2f است. صحت نتایج بدست آمده از طریق مقادیر گزارش شده در کارهای تجربی تأیید شده است. بهترین پیش-بینی ها توسط مدل های k-?-sst و v2f انجام شده که به دلیل هزینه محاسباتی بالا از مدل اغتشاشی v2f استفاده نشده است. به دلیل اینکه در مدل اغتشاشی k-?-sst ازتابع دیواره استفاده نشده، نیاز به شبکه محاسباتی مناسب در کنار مرز پره باعث افزایش حجم شبکه محاسباتی شده است. پیش بینی های انجام شده در سمت فشاری انطباق بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد اما در سطح مکشی به دلیل ناپایداری های ایجاد شده در جریان نتایج بدست آمده با نتایج تجربی انطباق خوبی ندارد. در اکثر کارهای تجربی و عددی انجام شده در این زمینه پره های توربین به صورت ثابت و بدون حرکت مورد بررسی قرار گرفته اند در حالیکه در شرایط واقعی پره-های توربین با سرعت بالا در حال دوران هستند. در پژوهش حاضر ابتدا با استفاده از مقادیر آزمایشگاهی گزارش شده برای شرایط مرزی، به بررسی حرارتی جریان اطراف پره های توربین در حالت وجود و عدم وجود خنک کاری لایه ای پرداخته شده، سپس با تغییر پارامترهای موثر در خنک کاری به بررسی چگونگی تغییر ضریب انتقال حرارت پرداخته شده است. بعد از بررسی پره در حالت ساکن به بررسی اثر دوران بر خنک کاری لایه در حالت متحرک پرداخته شده است. دما و دبی سیال خنک از پارامترهای مهم در خنک کاری لایه ای پره های توربین است. در حالت ساکن نشان داده شده که با تغییر دمای سیال خنک تغییر چندانی در ضریب انتقال حرارت بر روی بدنه پره ایجاد نشده است. با کاهش دمای سیال خنک فقط در نواحی کوچکی از ناحیه فشاری پره کاهش اندکی در ضریب انتقال حرارت ایجاد شده است. افزایش دبی سیال خنک در حالت ساکن تا 1 درصد جریان گرم اصلی در کاهش ضریب انتقال حرارت مفید بوده درحالیکه با افزایش بیشتر دبی سیال خنک ضریب انتقال حرارت در قسمت هایی از بدنه پره افزایش می یابد. در حالت متحرک با سرعت دوران کم و متوسط افزایش دبی سیال خنک تا 5/1 درصد باعث کاهش ضریب انتقال حرارت خواهد شد، در حالیکه در سرعت های دوران بالا، با افزایش دبی سیال خنک تا 1 درصد جریان گرم اصلی، ضریب انتقال حرارت کاهش خواهد یافت و با افزایش 5/1 درصدی سیال خنک در قسمت هایی از بدنه پره ضریب انتقال حرارت در اثر افزایش اغتشاشات افزایش خواهد یافت.