موضوع: بررسی وشبیه‌سازی عددی انتقال حرارت پره‌های یک توربین در شرایط طرح و غیر طرح
ارائه دهنده: امیرحسین زمانی
استادان راهنما: دکتر محمود اشرفی‌زاده
استادان مشاور: دکتر احمدرضا پیشه‌ور
استادان داور: دکتر محسن ثقفیان، دکتر مهدی نیلی احمد آبادی
چیکده :
افزایش راندمان توربین‌های گازی، از اهمیت بالایی در صنایع امروزی برخوردار است. موثرترین راه برای بالا بردن راندمان سیکل توربین گاز، افزایش دمای ورودی به توربین می‌باشد. در توربین‌های گاز پیشرفته امروزی، دمای ورودی به توربین بسیار بالاتر از حد مجاز تحمل فلز این پره‌ها می‌باشد. در نتیجه پره‌های واقع شده در ردیف‌های ابتدایی توربین، با روش‌های مناسب برای جلوگیری از تخریب خنک می‌گردند. در این پژوهش از روش حل هم‌زمان، به منظور بررسی دقیق انتقال حرارت و آیرودینامیک استفاده شد. نتایج تجربی حاصل از خنک‌کاری داخلی و ترکیبی پره C3X برای ارزیابی نتایج حاصل از این پژوهش برگزیده شد. از نرم افزار ICEM CFD برای تولید یک شبکه سازمان یافته و با کیفیت به روش بلاک استفاده شد که منجر به کاهش هزینه محاسباتی نیز گردید. نتایج حاصل از مدل‌های آشفتگی Spalart-Allmaras،RNG k-ε ، SST و SST-γ-Reθ
در ارزیابی اولیه، با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گشتند. نتایج حاصل از مدل SST-γ-Reθ به خاطر قابلیت‌های آن در پیش‌بینی ناحیه‌ی انتقال در سطح مکش توربین، از تطابق بهتری با نتایج آزمایشگاهی برخوردار می‌باشد. سپس تأثیر مشخصه‌های شدت آشفتگی، طول مشخصه ورودی اغتشاش، عدد ماخ و رینولدز جریان اصلی بر افزایش انتقال حرارت بین جریان اصلی و پره مورد بررسی قرار گرفت که نتایج نشان می‌دهد با افزایش ۵ تا ۸ درصدی شدت اغتشاش و همچنین افزایش ۳۰ تا ۴۰ درصدی طول مشخصه، مقدار انتقال حرارت بر روی سطح فشار حدود ۸ درصد افزایش می‌یابد. این در حالی است که افزایش عدد ماخ و رینولدز خروجی جریان، سبب افزایش ۵۰ درصدی انتقال حرارت بر روی سطح فشار و افزایش ۱۷ درصدی بر روی سطح مکش می‌گردند. استفاده از هوای کمپرسور برای خنک‌کاری سبب افت راندمان کلی سیکل توربین گاز می‌گردد. به منظور کاهش افت کمپرسور و همچنین افزایش دفع حرارت از سطح توربین، از آشوب‌گر‌های طولی بر روی کانال‌های داخلی استفاده گردید. سپس تأثیر عرض و ارتفاع این آشوب‌گرها بر ضریب عملکرد هیدرولیکی حرارتی مورد ارزیابی قرار گرفت که نتایج در بهترین حالت نشان‌دهنده کاهش ۲۲ درصدی دبی هوای خنک‌کاری و افزایش 17/79 درصدی ضریب عملکرد آیرودینامیکی حرارتی می‌باشند. همچنین در این حالت مقدار دما در سطح میانی پره حدود ۴ درصد کاهش می‌یابد. پس از بررسی عملکرد خنک‌کاری داخلی و عوامل موثر بر آن، در بخشی دیگر به ارزیابی خنک‌کاری لایه‌ای پرداخته شد. نتایج آیرودینامیکی حاصل از توزیع فشار و نتایج حرارتی حاصل از توزیع دما در خنک‌کاری ترکیبی دارای اختلافی کمتر از ۴ درصد در مقایسه با نتایج تجربی می‌باشند. با افزایش دبی سیال خنک‌کننده، دما در نیمه ابتدایی پره و موقعیت‌های نزدیک به محل تزریق کاهش می‌یابد؛ در حالی که با فاصله گرفتن از محل تزریق و نزدیک شدن به انتهای پره تأثیر خنک‌کننده کاهش می‌یابد. برای افزایش عمر پره‌های توربین باید علاوه بر طراحی در شرایط مخصوص ( طرح)، آگاهی کافی از شرایطی که در حقیقت برای این پره‌ها ایجاد می‌گردد، داشته باشیم. زبری سطح یکی از مهم‌ترین شرایط غیرطرح برای پره‌های ساکن ردیف اول می‌باشد. در این پژوهش نیز با استناد به نتایج آزمایشگاهی در دسترس، اعداد مختلفی برای ارتفاع زبری به گونه‌ای در نظر گرفته شد که تأثیر ناحیه نیمه زبر و کاملا زبر بر جریان مشخص شود. نتایج نشان می‌دهد که سطح نیمه زبر پره سبب افزایش 3/5 درصدی دما و سطح کاملا زبر سبب افزایش ۵/۵ درصدی دما در مقطع میانی پره می‌گردد. حداکثر افزایش ضرایب انتقال حرارت جابه‌جایی برای سطح نیمه زبر حدود ۴۵ درصد و برای سطح کاملا زبر حدود ۵۵ درصد در مقایسه با سطح کاملا صاف می‌باشد.
کلمات کلیدی: پره‌های ساکن توربین گاز، انتقال حرارت هم‌زمان، خنک‌کاری داخلی و ترکیبی، گرادیان فشار معکوس ، شرایط طرح و غیر طرح
