بخشی از مقاله
چکیده :
زبری سطح خارجی و همچنین سطح کانالهای خنک کاری پرههای توربین تحت تأثیر عوامل مختلفی است. شیوهی ساخت، ماشینکاری و پرداخت سطوح، شرایط عملکرد، کیفیت احتراق، نوع سوخت و شرایط هوای ورودی به موتور ازجمله این عاملاند. باگذشت زمان و تحت تأثیر این عوامل، سایش و خوردگی ایجادشده در این نواحی باعث افزایش زبری سطح میگردد .
در این پژوهش به شبیهسازی عددی میدان جریان بین پرههای کمپرسور توربین گاز با زبری مختلف و کانال خنک کاری بر توزیع دمای پرهها پرداختهشده است. به دلیل پیچیدگی و داشتن حالت گذرا در میدان جریان استفادهشده است. از روش حجم محدود با گسسته سازی مرتبه 10-5در مکان و زمان برای شبیهسازی میدان جریان بهره گردیده است. بهمنظور کو پل کردن معادلات سرعت و فشار، الگوریتم تکرار نمونه به کار گرفتهشده است.
نتایج نشان داد که بیشترین مقاومت حرارتی در ناحیه انتقال حرارت جابجایی بین سیال خنککن و دیواره وجود دارد، لذا افزایش زبری سطح حتی در حالتی که سطح نیمه زبر باشد نیز در کاهش دمای پره بسیار مؤثر است و همچنین در ناحیه مکش پره، یک حباب جدایش تشکیل میشود که در نتایج تجربی هم نمایان شده است. این حباب جدایش با افزایش عدد رینولدز باریک شده و رفتهرفته لایهمرزی به حالت کاملاً مغشوش تبدیل میشود. علاوه بر آن در یک زبری بحرانی، ما شاهد لایهمرزی کاملاً مغشوش خواهیم بود. همچنین نتایج نشان میدهد که با افزایش زبری عملکرد کمپرسور بهشدت کاهش مییابد.
مقدمه
توربینهای گازی مقادیر قابلتوجهی از هوا که شامل ذرات ریز معلق هست، در خود میمکد. این ذرات ریز با عبور از سیستم فیلتر ورودی در برخورد با پره کمپرسور، بر روی پره باعث ایجاد رسوب میشود که ضمن ایجاد تغییر در پروفیل پره، عملکرد تعمیرات موتور را نیز کاهش میدهد. رسوب بر روی پره منجر به افزایش دماهای موتور و افزایش در مصرف سوخت، کاهش افت قدرت و همچنین کاهش عمر پره میشود. رسوب، فرسایش، خوردگی و خرابیهای مکانیکی از منابع اصلی خرابی عملکرد کمپرسورها هست.
مشخصات پرهها در یک کمپرسور جریان محوری یکی از قسمتهای مهم در طراحی کمپرسورها هست. در سالهای اخیر بخش عمدهای از توجه طراحان و محققین معطوف به همین مطلب بوده است.پرههای کمپرسورها در محدوده جریان غیرقابل تراکم تا جریان مافوق صوت کار میکنند. جریان بین پرهها - Blade to blade flower - را معمولاً بهصورت دوبعدی - Cascade - مدل میکنند که این کار در آزمایشها و کارهای عددی موردپذیرش قرارگرفته است. البته Cascade فقط بهمنظور ارائه یک مدل هست چراکه جریان واقعی سهبعدی بوده و صرفنظر کردن از بعد سوم ممکن است نتایج دیگری داشته باشد.
در Cascade flow جهت جریان و افزایش فشار استاتیکی در خروج بهوسیله هندسه Cascade و جریان ورودی عمدتاً جهت جریان ورودی تعیین میشود. برای Blade to blade flower بهویژه در یک موقعیت span wise شکل محلی پره جهت جریان خروجی یا افزایش فشار را تعیین نمیکند. این پارامترها درواقع بهوسیله سراسر پره و نه یک مقطع span wise از پره تعیین میشوند و همچنین برای تعیین عملکرد یک پره ممکن است ردیفهای پرههای همسایه نیز در نظر گرفته شوند.
هنر طراح ،انتخاب پره با شکل مناسب هست. استفاده واقعی از اطلاعات دوبعدی از قبیل آنچه آزمایشهای مختلف روی Cascade به دست میآید فراهم ساختن اطلاعاتی در مورد میزان چرخش، افزایش فشار استاتیکی و افت فشار سکون و ... که ورودیهای واقعی طراحی میباشند، است. طراحی شکل پره بهگونهای است که مقادیر مطلوب تأمین شوند.
بهوسیله پارامترهای آئرودینامیکی ورودی میتوان مقادیر واقعی زاویه جریان خروجی و زاویه چرخش جریان را به دست آورد و ازآنجا میتوان با توجه به مقادیر مطلوب درباره Solidity و Stagger و Camber و توزیع ضخامت تصمیم گرفت.مسئله مهم دیگر این است که چه ماکزیمم باری در حالت واقعی و امن میتواند سبب توقف شود و روش بهینه برای دستیابی به آن و زاویه ورودی بهینه چه هست.
زبری سطح خارجی و همچنین سطح کانالهای خنک کاری پرههای توربین تحت تأثیر عوامل مختلفی است. شیوهی ساخت، ماشینکاری و پرداخت سطوح، شرایط عملکرد، کیفیت احتراق، نوع سوخت و شرایط هوای ورودی به موتور ازجمله این عاملاند. باگذشت زمان و تحت تأثیر این عوامل، سایش و خوردگی ایجادشده در این نواحی باعث افزایش زبری سطح میگردد. زبری سطح میگردد. زبری سطح خارجی پره سبب افزایش اصطکاک جریان و کاهش بازده طبقه توربین میشود . - 1 -
سودر و همکارانش - 2 - افت عملکرد درنتیجه زبری سطح پره و تغییرات ضخامت ایرفویل در رو تور کمپرسور محوری سرعتبالا گزارش کردند. نتایج نشان میدهند که زبری اضافهشده به قسمت لبه حمله پره باعث ضخیمتر شدن لایهمرزی پره میشود. حامد و همکارانش - 3 - نتایج شبیهسازی کاهش عملکرد توربین به علت فرسایش پرهها بیان کردند. در این شبیهسازی هر دو اثر زبری سطح و فاصله باز نوک پره در دو حالت شرایط طرح و خارج از طرح موردبررسی قرارگرفته است. نتایج بهدستآمده، افت مشخصی ناشی از فرسایش پره بر روی بازده آدیاباتیک کمپرسور و اثر کمتری را بر نسبت فشار نشان دادند.
هیلتون و همکاران - 4 - تحقیق جامعی درباره توزیع انتقال حرارت روی سطح پره انجام دادند. این تحقیق شامل دو بخش آزمایشگاهی و تحلیلی بود و پایه و اساس بسیاری از تحقیقات بعدی قرار گرفت. آنها با انجام آزمایشهای تجربی روی دو نوع پره C3X و Mark 2 تأثیر شرایط جریان را بر انتقال حرارت بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که حرارت منتقلشده به سطح با افزایش عدد رینولدز خروجی و افزایش شدت آشفتگی جریان ورودی افزایش مییابد. در بخش دوم کار هیلتون یک مدل تئوری برای شبیهسازی پره توربین با استفاده از روش انتقال حرارت ترکیبی ارائه داد و پرههای C3X و Mark را با استفاده از آن بهصورت دوبعدی شبیهسازی کرد.
جهت بهبود بخشیدن الگوی عملکرد توربین و کمپرسور که به دلیل معیوب شدگی پره دچار کاهش عملکرد شده بودند، استفاده کردند. نتایج بهدستآمده از شبیهسازی تعدادی از دلایل مشترک خرابی پره از قبیل رسوب زدگی کمپرسور، خرابی مکانیکی کمپرسور، رسوب زدگی توربین و فرسایش توربین که در یک یا چند مرحله بهطور همزمان اتفاق میافتد، در این مطالعه گزارششده است. اثر رسوب بر روی یک مرحله کمپرسور با شبیهسازی عددی سهبعدی از طریق یک کد تجاری توسط مورینی و همکارانش - 5 - موردبررسی قرار گرفت.
آنها پس از بررسی اعتبار سنجی نقشههای عملکرد محاسبهشده و میدان جریان اصلی با نتایج تجربی موجود، به مطالعه ترکیبات مختلف ضخامت اضافهشده و سطوح زبری اعمالشده درنتیجه وقوع رسوب پرداختند تیلور - 6 - در سال 1989 مقدار زبری سطح دو نوع پره توربین متفاوت را اندازهگیری کرد. او مشاهده کرد که جذر میانگین مربعات ارتفاع زبری بیش از 300میکرومتر و بیشترین ارتفاع قله تا دره برابر 73 میکرومتر بود. حسنی و همکاران - 7 - در سال 1990 صفحه تختی را که روی آن المانهای زبری نیم کروی بهصورت مصنوعی ایجادشده بود را موردمطالعه قراردادند. آنان با اندازهگیری دما و فشار و بررسی پروفایل سرعت در امتداد صفحه زبر نشان دادند که با افزایش زبری سطح حرارت منتقلشده نیز افزایش مییابد.
استریف و همکاران - 8 - اولین کسانی بودند که المانهای زبری را بهصورت نظاممند بررسی کردند و با انجام آزمایش روی پره توربینی که مخروطهایی مصنوعی روی آن برای مدل کردن زبری ایجادشده بود.نشان داد هر دو عامل ارتفاع و تراکم زبری در افزایش انتقال حرارت تأثیر دارد. تائو بای و همکاران - 9 - در سال 2014 با شبیهسازی جریان پیرامون پره توربین با استفاده از مدل آشفتگی اس. تی. تی. و لحاظ نمودن زبری در معادلات با استفاده از ارتفاع معادل دانههای شن به بررسی تأثیر زبری بر رشد لایهمرزی و افت ناشی از آن پرداختند.
نتایج حاکی از آن بود که با افزایش زبری، پروفایل سرعت در لایهمرزی بزرگتر شده و افت آئرودینامیکی و ضریب افت فشار کل افزایش مییابد. بهخصوص این تأثیرات در جریانهای با رینولدزهای بالا بهتر نمایان بود. سیورون و بکن - 10 - با اعمال زبری سطح و توزیع رسوب نمک در یک کمپرسور محوری در موتور جت GEJ85-13 آزمایشی را طرحریزی کردند. اطلاعات بهدستآمده از این تست باکارهای منتشرشده قبلی درزمینه زبری سطح، مقایسه و تطابق قابل قبولی مشاهده گردید.
