بخشی از مقاله
تحليل همزمان خنک کاري پره نازل توربين جريان محوري و مقايسه آن با نتايج تجربي
چکيده :
تحقيق حاضر در ارتباط باتحليل همزمان سيال و جامد بر روي پره نازل رديف اول توربين دو طبقه جريان محوري ميباشد که از سيستم خنک کاري در پره هاي نازل خود بهره گرفته است . سيستم خنک کاري پره نازل از نوع خنک کاري لايه اي ميباشد. شبيه سازي سيالاتي و جامداتي با استفاده از نرم افزار ١٤ ANSYS CFX صورت پذيرفت . پس از انجام شبيه سازي ، فعل و انفعال بين جريان خنک کاري، جريان ورودي از محفظه احتراق به توربين نازل و انتقال حرارت بين جريان سيال و جسم جامد تيغه نازل توربين بدست آمده و توزيع دماو نيز توزيع هواي خنک کاري از سوراخهاي پره نازل استخراج گرديده است . نتايج شبيه سازي همزمان سيال و سازه پره نازل نشان ميدهدکه جريان خنک کاري به صورت مناسبي در پره توزيع نگرديده است . نتايج شبيه سازي حاکي از آن است که ريشه پره نازل در لبه حمله تيغه داراي دماي بالاتري نسبت به ديگر نقاط پره بوده و تحت تنش هاي حرارتي بالاتري قرار دارد. نتايج حاصل از تحليل همزمان جامدو سيال به عنوان بار حرارتي به منظور تحليل استحکامي مورد استفاده قرار گرفته است . نتيجه حاصل از تحليل استحکامي به صورت توزيع تنش ون ميزز که ناشي از بار حرارتي مي باشد ارائه شده است .مقاسيه نتايج حاصل از شبيه سازي عددي سيال و جامدو تحليل استحکامي با کارکردتوربين در حالت تجربي نشان ميدهدکه نتايج عددي حاصل در تطابق بسيارخوبي با نتايج تجربي بوده و از آنجائيکه ريشه پره نازل داراي دماي بالاتري نسبت به ديگر قسمتهاي تيغه ميباشدو لبه فرار تيغه نيز داراي ضخامت کمتري ميباشد، پديده سوختگي و ذوب پره نازل در اين ناحيه اتفاق افتاده است .
کلمات کليدي :انتقال حرارت در پره هاي توربين ،تحليل همزمان سيال و جامد، توربين جريان محوري، خنک کاري لايه اي
مقدمه :
به منظور افزايش توان در توربين هاي گازي ميتوان دماي ورودي به توربين را افزايش داد. افزايش دماي ورودي به توربين باعث افزايش کارايي سيکل ترموديناميکي ميگردد. از سوي ديگر افزايش دماي ورودي باعث تسريع روند خوردگي و آسيب ديديگي در پره هاي طبقات اول توربين ميگردد. براي برطرف کردن اين مشکل و بهره مندي از مزاياي افزايش دماي ورودي به توربين از سيستم هاي خنک کاري پره استفاده ميشود. خنک کاري براي توربين هاي مدرن در طبقات اول آنهاو در تيغه - هاي نازل و روتور انجام ميگيرد. شبيه سازي سه بعدي به عنوان ابزاري کارآمد در ساليان اخير بسيار مورد توجه طراحان قرار گرفته است تا با استفاده از آن جريانهاي پيچيده درتوربوماشين ها را با دقت قابل قبولي پيش بيني و بررسي نمايند. جريانهاي خنک کاري در تيغه هاي توربين از هندسه داخلي پيچيده به همراه سوراخهايي ميباشد که جريان خنک را براي خنک کاري تامين مينمايد. اهميت شبيه سازي آنجا دوچندان ميشودکه بخواهيم سيال و سازه را با هم در شبيه سازي مد نظرقرار دهيم .
روش شبيه سازي همزمان بر پايه محاسبات توام جريان سيال ، انتقال حرارت در مرزهاي سيال و جامدو هدايت حرارتي در ديواره هاي جامد ميباشد. در واقع در شبيه سازي هاي سه بعدي همزمان سازه و سيال ،برهم کنش ميان سيال و سازه -Fluid (FSI)Structure Interaction درشبيه سازي در نظر گرفته ميشود. برهم کنش ميان سيال و سازه معمولا در نواحي مرزي مدل سازه که فصل مشترک سيال و سازه ميباشد، اتفاق ميافتد که نتايج يکي از تحليل ها براي تحليل ديگري به عنوان load بکار گرفته ميشود. تحقيق حاضر در ارتباط با تحليل همزمان سيال وجامد بر روي پره نازل توربين دو طبقه جريان محوري ميباشدکه از سيستم خنک کاري لايه اي در پره هاي نازل رديف اول خود بهره گرفته است .
ساختار خنک کاري پره و مدلسازي هندسي طبقه توربين
همان گونه که عنوان گرديد در پره هاي نازل رديف اول از سيستم خنک کاري لايه اي استفاده شده است . در ابتدا مفيد خواهد بود تا به طور مختصر در مورد سيستم خنک کاري لايه اي توضيحاتي ارائه گردد. در سيستم خنک کاري لايه اي سوراخ هايي روي سطح پره وجود دارد که اجازه مي دهدسيال خنک از حفره داخلي به سطح بيروني راه يابد. تزريق هواي خنک کننده ازميان سوراخ هاي درون بدنه ي ايرفويل منجربه تشکيل يک فيلم (غشاءيالايه نازک )هواي خنک کننده ميشود که در امتداد سطح بيروني ايرفويل جريان پيداميکند. از آنجاکه هواي خنک کننده در دماي کمتري نسبت به جريان اصلي قرار دارد، انتقال حرارت به ايرفويل کاهش مي يابد.اثربخشي فيلميآدياباتيک يکياز پارامترهاي مهمي است که اثر غالب رادر طراحي خنک کاري کليايرفويل دارد. پروسه اصولي که طيآن سيستم خنک کاري انتقال حرارت رابه ديواره کاهش ميدهد از طريق کاهش دما در مجاورت ديواره انجام مي شود. ساختارپره نازل رديف اول به همراه سوراخهاي خنک کاري در شکل ١زير نشان داده شده است .
شکل ١- نازل طبقه اول به همراه خنک کاري
همان گونه که از شکل مشاهده ميگردد، پره نازل طبقه اول داراي سه رديف سوراخ در لبه حمله تيغه ميباشدکه از ريشه تا نوک تيغه گسترش يافته است . يک رديف شيار نيزدر قسمت فشاري و در نزديکي لبه فرار تيغه قرار دارد که همانند سوراخهاي لبه حمله ،از ريشه تا نوک تيغه گسترش يافته است . جريان هواي خنک از قسمت بالايي تيغه وارد آن ميگرددو توسط منحرف کننده جريان (Baffle)که در شکل نشان داده شده است ، قسمتي به سمت لبه حمله تيغه و قسمتي به سمت لبه فرار تيغه تقسيم ميگردد. مدلسازي جسم جامد تيغه نازل توربين طبقه اول نيز در شکل ٢نشان داده شده است . پس از مدلسازي سيالاتي و جامداتي تيغه توربين نازل ، تلفيق آنها صورت گرفت و با روتور طبقه اول و نيز نازل و روتور طبقه دوم تلفيق گرديد.قلمرومحاسباتي شامل دو طبقه توربين جريان محوري در شکل ٣نشان داده شده است .لازم به ذکر است که تحليل همزمان سيال و جامد تنها براي توربين نازل طبقه اول که از سيستم خنک کاري بهره گرفته است ، انجام شده است .
شکل ٢- مدلسازي جامداتي توربين نازل طبقه اول
شکل ٣- قلمرو محاسباتي دو طبقه توربين به همراه جسم جامد تيغه
شبکه بندي و شبيه سازي عددي
در شبکه بندي سيالاتي و جامداتي نازل طبقه اول که از سيستم خنک کاري استفاده کرده است از روش شبکه بندي چهاروجهي (مثلثي )استفاده شده است . درشکل ٤شبکه بندي تيغه نازل طبقه اول نشان داده شده است .همان گونه که مشاهده ميگردد، در اطراف نازل از شبکه بندي لايه مرزي استفاده گرديده است . شبکه بندي بقيه تيغه هاي نازل و روتور با استفاده از شبکه بندي سازمان يافته (Structured Mesh) در نرم افزار TurboGrid انجام گرديده است . در اطراف تيغه ها از روش شبکه بندي (O)و در ديگر قسمت هاي پره از روش شبکه بندي (H) استفاده شده است . مقدار +y محاسبه شده که يکي از پارامترهاي مهم از ديدگاه تابع ديواره (Wall Function) ميباشد، داراي مقدار کمتر از ١٠ميباشد. شکل ٥به صورت نمونه شبکه بندي تيغه روتور طبقه اول رانشان ميدهد.
شکل ٤- شبکه بندي نازل طبقه اول به همراه خنک کاري
شکل ٥- شبکه بندي سازمان يافته تيغه روتور
در شبيه سازي سه بعدي به عمل آمده از نرم افزار ANSYS-CFX که از روش حل عددي حجم محدود ( Finite Volume Method) بهره ميگيرد، جهت حل معادلات سه بعدي دائمي جريان آشفته استفاده گرديده است . نتايج بر اساس شبيه سازي در حالت پايدار (Steady State) انجام شده است . روند کلي براي حل با حالت پايدار با بکارگيري روش شبيه سازي طبقه
(Stage) انجام گرفته است . مرحله زماني مورد استفاده در اين شبيه سازي با در نظر گرفتن سرعت دوراني توربين ، برابر با در نظر گرفته شده است . با استفاده از شرط مرزي تناوبي اين امکان فراهم گرديده است تا تنها يک تيغه از هر رديف پره هاي نازل و روتور مدل گردد. در ارتباط با شرايط مرزي، فشارو دماي کلي به عنوان ورودي به نازل و فشار استاتيک به عنوان خروجي از روتور در نظر گرفته شده است . مدل توربولانسي مورد استفاده در اين شبيه سازي k-omega ميباشد.به منظور حصول به حل عددي مطلوب ، معيار همگرايي براي حداکثر باقيمانده در هر مرحله زماني برابر با ٤-١٠ در نظر گرفته شده است .لازم به ذکر است در ورودي به توربين نازل پروفيل دماي توتال خروجي از محفظه احتراق اعمال گرديده است .
توضيح اينکه دماي سکون خروجي از محفظه احتراق به صورت يکنواخت وارد توربين نازل نمي گردد بلکه در ارتفاع مياني داراي دماي بالاتري نسبت به ارتفاع ريشه و نوک تيغه ميباشد. پروفيل دماي ورودي به توربين نازل درشکل ٦نشان داده شده است . از آنجائيکه جسم جامد تيغه نازل طبقه اول نيز مدلسازي گرديده است ، جنس و ضخامت تيغه در شبيه سازي اعمال گرديده است .
شکل ٦- پروفيل دمايي ورودي به توربين نازل
نتايج شبيه سازي عددي
پس ازاعمال شرايط مرزي مناسب ، شبيه سازي انجام گرفت . در اين قسمت نتايج سه بعدي را مورد بررسي و تحليل قرار ميدهيم . شکل ٧خطوط جريان را در لبه حمله نازل نشان ميدهد. همان گونه که مشاهده ميگردد، جريان از سوراخ وسط وارد پره نازل ميگرددو از سوراخهاي کناري که معمولا در موقعيت پايين تري نسبت به سوراخ وسطي باشند خارج ميگردد.
توزيع دماي خطوط جريان نشان ميدهدکه جريان در ورود به سوراخ وسط داراي دماي بالاتري بوده و در خروج از سوراخهاي کناري دما کاهش يافته است .
نتايج بدست آمده ازشبيه سازي نشان ميدهد که جريان هواي داغ خروجي از محفظه احتراق از سوراخهايي که در وسط تيغه قرار گرفته اندبه داخل هدايت ميشودو با هواي خنکي که از بالاي تيغه وارد تيغه نازل ميگردد مخلوط گرديده و گاز با دماي پائين تر از سوراخهاي کناري تيغه که در ارتفاع پايين تري از سوراخ وسطي واقع شده اند، خارج ميگردد. نکته اي که بايستي به آن اشاره کرد اين است که مقدار جريان ورودي از طريق سورخهاي وسطي به داخل تيغه بسيار مقدار کمي بوده که اين امربه علت وجود اختلاف فشار کم بين دو طرف سوراخ وسطي تيغه ميباشد.در واقع جريان هواي خنک وارد شونده به داخل تيغه از طريق سورخهاي کناري به پايين دست توربين راه مييابند.
در قسمت بعدي نحوه توزيع جريان هواي خنک که وارد تيغه نازل ميگردد را مورد بررسي قرارميدهيم . هواي خنک از طبقات انتهايي کمپرسور از طريق ورودي که در بالاي تيغه نازل قرار گرفته است ، وارد تيغه نازل ميگردد. شکل ٨و ٩ نحوه توزيع جريان هواي ورودي از کمپرسور به داخل تيغه نازل را نشان ميدهد. همان گونه که از شکل مشاهده ميگردد، هواي خنک ورودي از کمپرسور از بالاي تيغه وارد قسمت داخلي تيغه گرديده ، قسمتي به سمت لبه حمله تيغه و قسمتي به سمت لبه فرار تيغه جريان مييابد. آنچه که ازشکل ها مشاهده ميگردد اين است که در راستاي شعاعي تيغه نازل ، شدت عبور جريان در راستاي شعاعي کاهش يافته است . به عبارت ديگر در ريشه نازل سهم هواي خنک در لبه حمله و لبه فرار تيغه بسيار کمتر از قسمت هاي بالايي
