بخشی از مقاله
چکیده
راندمان حرارتی و قدرت خروجی توربین های گازی با افزایش دمای ورودی به توربین افزایش می یابد. دمای ورودی به توربین در موتور توربین های گازی پیشرفته امروزی حدود 1200 تا 1450 درجهی سانتی گراد می باشد. پوسته1 توربین وظایف مهمی را بر عهده دارد و یکی از قطعاتی میباشد که می تواند تحت تاثیر این مقدار درجهی حرارت قرار بگیرد. به دلیل دمای زیاد سیال داخل توربین صرف نظر از اندازه توربین اتلاف انرژی و هزینهی زیادی در پوسته صورت میگیرد.
هدف این مقاله شبیهسازی جریان سه بعدی داخل توربین، انتقال حرارت پوسته و بدست آوردن توزیع دما و شار حرارتی عبوری از پوسته میباشد. جریان سیال در داخل توربوماشینها کاملا سه بعدی بوده و به همین دلیل رفتار واقعی جریان در این تجهیزات از پیچیدگی زیاد برخوردار است. به منظور شبیه سازی جریان داخل توربین و انتقال حرارت پوسته از کد تجاری ANSYS 16 CFX استفاده شده است. در این پژوهش، توربین دو طبقه محوری E32، بهصورت سه بعدی شبیه سازی و نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شده است.
انتقال حرارت نواحی سیال و جامد با استفاده از رویکرد انتقال حرارت مزدوج3 انجام شده است. در این کار از شبکهی باسازمان و مدل توربولانسی SST استفاده شده است. تغییرات شار حرارتی عبوری از پوسته و توزیع دمای پوسته در پنج سطح متفاوت ضریب رسانایی و ضخامت پوسته بررسی شده است. نتایج نشان می دهد که شار حرارتی عبوری از پوسته با افزایش ضخامت و کاهش ضریب رسانایی، کاهش می یابد. هم چنین دمای میانگین سطح بیرونی پوسته با افزایش ضخامت و کاهش ضریب رسانایی کاهش قابل ملاحضه ای دارد.
-1 مقدمه
راندمان حرارتی و قدرت خروجی توربینهای گازی با افزایش دمای ورودی به توربین افزایش می یابد. دمای ورودی به توربین در موتور توربین های گازی پیشرفتهی امروزی حدود 1200 تا 1400 درجهی سانتیگراد می-باشد. این مقدار درجهی حرارت بسیار بیشتر از نقطهی ذوب پوسته1 و پرههای توربین می باشد. بنابراین خنک سازی پره و پوسته و همچنین عایق کاری پوسته برای جلوگیری از اتلاف انرژی از اهمیت زیادی برخوردار می-باشد. با افزایش دمای ورودی به توربین، انتقال حرارت به پوسته نیز افزایش مییابد.
از طرفی مقدار و تغییرات دما در مادهی پوسته توربین که باعث تنشهای حرارتی و شکست میشوند باید بررسی گردد تا مسئلهی دوام پوسته با مشکل جدی روبرو نگردد. بنابراین پیشبینی ضرایب انتقال حرارت، توزیع دما و شار حرارتی عبوری از پوسته برای افزایش عمر پوسته و کاهش اتلاف انرژی ضروری است. در توربینهای پیشرفته، با عایق کاری مناسب پوستهها از اتلاف انرژی جلوگیری میگردد. این مسئله باعث کاهش شار حرارتی عبوری از پوسته، محافظت کارکنان در برابر گرمای عبوری از پوسته و در نهایت افزایش راندمان حرارتی و توان خروجی توربین میگردد.
در سال های اخیر استفاده از تحلیل عددی و دینامیک سیالات محاسباتی در محاسبه توربوماشین ها به طور قابل ملاحضه ای افزایش یافته است. بسیاری از پژوهشگران مانندتاکر[1]، هادسن[2]، ابزار تحلیل عددی را به طور وسیعی در تحلیل جریان های توربوماشینی به ویژه توربین های محوری مورد استفاده قرار داده اند.
در تحقیقات پیشین، پژوهشی شامل تحلیل عددی انتقال حرارت پوسته توربین همراه با جریان داخل آن شامل روتورو استاتور چه به طور جداگانه و یا همزمان برروی همه طبقات یک توربین چند طبقه به صورت کامل و توربین حاضر صورت نگرفته است.
دومینک و همکاران، در سال 2017 توزیع دما و شار حرارتی عبوری از پوستههای داخلی و بیرونی یک مدل توربین بخار فشار متوسط را در شرایط بارگذاری مختلف مورد مطالعه قرار دادهاند. هدف آنها توسعه طراحی توربین، محدویت های انتخاب مواد پوسته و در نهایت بهبود راندمان توربین میباشد
فازل در سال 2006، چرخ و پوسته یک طبقه توربین شعاعی مربوط به یک توربوشارژر را مورد تجزیه و تحلیل حراراتی قرار داده است. در این کار از رویکرد انتقال حرارت مزدوج استفاده شد. یک مقایسه بین دمای اندازه گیری شده بیرون پوسته توسط سنسورهای ترموکوپل و دمای بهدست آمده از حل عددی یک موافقت خوب در نتایج را نشان میدهد.
فردریک ویستین و همکاران در سال2004، اتلاف حرارت توربین یک توربوشارژر را اندازه گیری و شبیه سازی نمودهاند. آنها در این کار تلفات حرارتی از طریق مکانسیمهای مختلف را در یک موتور SI اندازهگیری میکنند . بهصورت مرسوم از اتلاف حرارتی توربین در محاسبات توربوماشینها2 و همچنین شبیهسازی موتورها صرفنظر میشود. در موتور SI با دمای خروجی بسیار بالا با این فرض، منجر به خطا در محاسبات خواهد شد. مقدار قابل توجهی از گرما از طریق چندین مکانسیم در توربین تلف میشود. تلفات حرارتی آب و روغنکاری 3 الی5 درصد کل تلفات حرارتی میباشد. علاوه بر اتلاف حرارت به محیط، اتلاف حرارت داخل توربوشارژر نیز وجود دارد. با این وجود قسمت عمده شار حرارتی از طریق انتقال حرارت هدایتی پوسته و تشعشع خارجی از عبور میکند
جان سو پارک و همکاران در سال2013، تاثیر عایق حرارتی3 را روی یک میکرو توربین بررسی کرده اند. آنها در این مطالعه انتقال حرارت و توزیع دمای کل توربین را بررسی کردهاند. در این پژوهش آنها ضریب هدایت رسانایی عایق حرارتی را از 1 تا 100 تغییر دادند و نتایج آن را روی انتقال حرارت و شار حرارتی مورد بحث قرار دادند. یک انتقال حرارت مزدوج در این پژوهش به کار گرفته شد. جهت بررسی جریان داخل توربین و به دست آوردن نیروی جسمی گرانشی میباشد که مقدار آن در این تحقیق قابل صرفنظر میباشد.
شرایط مرزی برای حل انتقال حرارت هدایتی در نواحی جامد ANSYS CFX12 بکار گرفته شده است. برای ایمنی قطعات داخل توربین یک عایق حرارتی با ضریب رسانایی نزدیک 600 بسیار مناسب تر میباشد چون گرما داخل سریعتر به بیرون پوسته هدایت میکند و اگر هدف کاهش اتلاف حرارتی باشد ضریب رسانایی باید در حدود 0.03 باشد.
در این پژوهش، پس از مدل سازی توربین و اعمال شرایط مرزی، اعتباربخشی به آن صورت می پذیرد. سپس انتقال حرارت پوسته توربین در شرایط مختلف مورد واکاوی قرار می گیرد.
-2 معادله های حاکم بر جریان برای شبیه سازی
برای تحلیل رفتار جریان برای تمام جریان ها، معادله های بقای جرم و مونتوم حل می شود. برای جریان های تراکم پذیر یا جریان های شامل انتقال حرارت، معادله های بقای انرژی نیز حل می گردند. هنگامی که جریان، آشفته باشد باید از معادله های مدل سازی اغتشاش استفاده نمود. هدف از مدل سازی جریان های آشفته، تعیین ترم هایی مانند تنش رینولدز، شار جرمی آشفته و یا سار حرارتی آشفته با استفاده از ارتباط دادن مقادیر گرادیان های موجود در جریان متوسط می باشد.
مدل توربولانسی به کار گرفته شده در این پژوهش"1"SST است. این مدل برای کسب نهایت دقت در پیش بینی شروع و مقدار جریان جدایی، تحت گرادیان فشار نامساعد طراحی شده است. این مدل هم کارایی بالایی در مشاهدهی جریان نزدیک دیواره و هم جریان های ثانویه دارد. نتایج محاسبات با این مدل، پیشرفت قابل توجهی را در زمینهی جدایی جریان نشان می دهد. کارایی بالای این مدل در تعداد قابل توجهی از مطالعات اعتبارسنجی نشان داده شده است. مدل SST برای شبیه سازی لایه مرزی با دقت بسیار بالا نیز پیشنهاد می شود.
-1-2 معادلهی پیوستگی
معادلهی پیوستگی یا بقای جرم به صورت رابطه - 1 - نوشته می شود که در آن چگالی سیال و مولفه های سرعت می باشد.
-2-2 معادلهی اندازه حرکت
معادلهی اندازه حرکت در حالت کلی بهصورت رابطهی - 2 - است.
معادلهی مونتوم یک جملهی اضافی شامل تانسور اینرسی اغتشاش X'LX'M دارد که در هیچ جریان توربولانسی قابل صرف نظر کردن نیست و علت اصلی پیچیدگی های تحلیل جریان آشفته است.
-3-2 معادلهی انرژی
معادلهی انرژی بهصورت رابطهی - 3 - بیان می شود. ترم همبستگی بین نوسانات سرعت و دما و بیانگر انتقال آنتالپی در راستای و برگردان است و شار حرارتی آشفته2 نامیده می شود.
