بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، محفظه احتراق میکروتوربین گازی GTCP85-180 با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت مدل شده و پدیده احتراق به صورت سه بعدی و با استفاده از مدل غیر پیش آمیخته مورد بررسی قرار گرفته است . برای مدلسازی آشفتگی از مدل کا اپسیلن Realizable و برای بدست آوردن شدت تشعشع از مدل DO استفاده شده است. سوخت اصلی که در حال حاضر در این نوع میکروتوربین استفاده میشود JP4 میباشد.
با توجه به اینکه این نوع سوخت از خارج از کشور وارد میشود و همچنین با توجه به آلودگی که این نوع سوخت ایجاد میکند، سوخت متان به عنوان یک سوخت در دسترس، پاک و ارزان میتواند یک جایگزین مناسب برای این میکروتوربین باشد. شعله بدست آمده در این تحقیق قابل قبول بوده و متوسط دمای خروجی از محفظه احتراق متناسب با کارکرد میکروتوربین میباشد. نتایج بدست آمده با نتایج شبیه سازی همین محفظه با سوخت کروسین مقایسه گردیده است و درصد خطا بسیار ناچیز است.
مقدمه :
یکی از تجهیزات پر کار در زمینه آماده سازی و پشتیبانی هواپیما جهت انجام مقدمات پرواز، دستگاه تولید توان جانبی1 میباشد. در بیشتر موارد، موتور مولد این ماشین از نوع میکروتوربین است که قادر به تولید توان محوری برای تولید برق و سیستم هیدرولیک و هوای فشرده جهت سیستم تهویه هواپیما و استارت موتور اصلی آن است. درحال حاضر میکروتوربینهایی که بر روی این نوع دستگاهها نصب شده است از سوخت JP4 استفاده میکنند و در صورت تغییر سوخت به متان، به لحاظ آلایندگی، هزینه تهیه و میزان مصرف سوخت وضعیت بسیار بهتری خواهند داشت.
جریان سیال درون محفظه احتراق شامل پیچیدگیهای فراوانی نظیر فرآیند احتراق، آشفتگی، انتقال حرارت، تغییر فاز و انتقال جرم میباشد. به همین دلیل شناخت دقیق و صحیح میدان جریان نیاز به شبیهسازی دقیق جریان درون محفظه دارد. باتوجه به پیچیده بودن جریان، شناخت میدان جریان تنها با روشهای سه بعدی عددی پیشرفته امکانپذیر است. پژوهشهایی نیز در این زمینه انجام شده است که مختصری از آنها ارائه شده است.
یاشایاهو لوی2و همکاران محفظه احتراق یک میکروتوربین را با سوخت متان به صورت عددی شبیه سازی کردند .[1] در محفظه طراحی شده در این تحقیق ترکیب سوخت و هوا توسط شش نازل به محفظه تزریق و از مدل احتراق غیر پیش آمیخته و مدل آشفتگی کا اپسیلن استاندارد3 استفاده شد و مدل با شبکههای با سازمان به تعداد 609000 المان، شبکهبندی شد. نتایج بدست آمده از محفظه طراحی آنها، با نتایج تجربی مقایسه گردید و مناسب بود.
گوسب4و همکاران تأثیر سوخت بر محفظه احتراق از نوع استوانهای یک توربین گاز را مورد بررسی قرار دادند .[2] آنها از نرم افزار انسیس فلوئنت5 برای شبیه سازی استفاده کردند. ابتدا محفظه با سوخت گاز متان شبیه سازی گردید و سپس شبیه سازی با سوختهای90 درصد متان به علاوه 10درصد دی اکسید کربن، 75 درصد متان به علاوه 25درصد دی اکسید کربن و 70 درصد متان به علاوه 30 درصد دی اکسید کربن انجام شد و اثرات این تغییر بر روی محفظه احتراق محاسبه گردید و به این نتیجه رسیدند که دی اکسید کربن در سوخت، منجر به کاهش درجه حرارت شعله میگردد.
علیگودرز، محفظه احتراق توربین 600SGT که از نوع حلقوی6 و دارای 18 برنر مشابه میباشد را از خروجی کمپرسور تا ورودی توربین به صورت عددی با استفاده از نرم افزار ANSYS CFX مدل کرده و پدیده احتراق را به صورت سه بعدی با مدل آشفتگی کا اپسیلن RNG و مدل احتراقی TFC مورد تحلیل و بررسی قرار داد .[3] برای شبیه سازی عددی، یک قطاع 20 درجه از محفظه احتراق مدل و از شبکههای با سازمان به تعداد 5578000 المان استفاده شد. وی به دمای خروجی مناسبی دست یافت.
اغنیا محفظه احتراق میکروتوربین GTCP85-180 را که در شکل 1 نشان داده شده است با استفاده از سوخت کروسین شبیه سازی کرد .[4] وی از مدل آشفتگی کا اپسیلن Realizable و از مدل احتراق غیر پیش آمیخته استفاده نمود. وی شعله قابل قبول و دمای خروجی مناسبی بدست آورد.
شکل :1 نمای برش خورده میکروتوربین GTCP85-180
بیان مسئله
میکروتوربین مورد نظر برای تولید توان محوری و هوای فشرده استفاده میشود. توان محوری ایجاد شده، توسط شفت به یک ژنراتور منتقل شده و این ژنراتور، برق 115 ولت 400 هرتز را برای سیستمهای الکتریکی هواپیما تولید میکند.هوای فشرده بوجود آمده نیز غالباً صرف استارت اولیه موتور و سیستم تهویه هواپیماها میشود. محفظه احتراق این میکروتوربین از نوع استوانهای میباشد.
این محفظه دارای سوراخهای ورودی هوا برای اکسیژن رسانی به شعله در دو شکل ساده و چرخشی7 میباشد که در ناحیه اولیه محفظه قرار دارند. همچنین دارای سوراخهای رینگی برای خنککاری دیواره محفظه احتراق و سوراخهایی جهت رساندن اکسیژن به شعله در ناحیه ثانویه محفظه احتراق است. در انتهای محفظه، سوراخهایی جهت تعدیل دما در پروفیل دمای خروجی از محفظه تعبیه شده است.
جهت انجام این شبیه سازی از نرم افزار انسیس فلوئنت [5] 14 در مدلسازی احتراق، انتقال حرارت و جریان آشفته انتخاب شد. هدف در این تحقیق این است که بدون تغییر در هندسه اصلی محفظه و دبی هوای ورودی به محفظه، با بدست آوردن یک هندسه مناسب برای پاشش سوخت متان، یک شعله قابل قبول بدست آورده شود. همچنین دبی سوخت باید طوری تنظیم شود که بدون تغییر در دبی هوای ورودی، انرژی لازم ورودی به توربین برای رساندن دور موتور به 41100 دور در دقیقه - دور کارکرد موتور - را تأمین نماید.
تشریح هندسه
هندسه این محفظه احتراق با استفاده از نرم افزارسالیدورک1 ایجاد شد. هندسه محفظه احتراق با دقت مناسبی تهیه گردید و در مدل سه بعدی تهیه شده، تمامی جزئیات هندسه در نظر گرفته شده است. قطر محفظه احتراق 170 میلی متر و طول محفظه 398 میلی متر میباشد.
شکل :2 - الف - هندسه حجم کنترل محفظه - ب - هندسه برش خورده حجم کنترل محفظه
همانطورکه در شکل 2 - ب - دیده میشود قسمتهای اصلی محفظه احتراق عبارتند از : -1 سویرل، -2 سوخت پاش، -3 شمعک، -4 سوراخ های خنککاری که سبب ایجاد جریان لایهای شده و دیواره محفظه احتراق را خنک میکند، -5 سوراخهایی برای حفظ شعله در وسط محفظه، -6 سوراخهایی با زاویه 120 درجه نسبت به هم برای رقیق سازی محصولات احتراق، -7 سوراخهایی با زاویه 120 درجه نسبت به هم برای رقیق سازی محصولات احتراق. با حفظ همه جزئیات هندسه یک حجم کنترل محفظه احتراق تهیه گردید.
شکل :3 هندسه حجم کنترل محفظه احتراق
شبکه محاسباتی
این مرحله یکی از اساسیترین قسمتهای فرایند شبیه سازی پیش از شروع حل عددی میباشد. برای تولید شبکه محاسباتی هندسه محفظه احتراق از شبکههای بیسازمان استفاده شد. در دیوارهها از تورم لایه-ای2 استفاده شد تا باعث افزایش دقت حل گردد. در نهایت شبکهای قابل قبول با تعداد المان 7261796 ایجاد گردید .
شکل :4 شبکه ایجاد شده بر روی حجم کنترل محفظه احتراق
