بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر به بررسی اثر فیلم خنک کننده بر تیغه توربین می پردازیم. مدل هندسی مورد استفاده در این بررسی دارای ابعاد مشابه با ابعاد مورد استفاده برای آزمایشات تجربی توسط اکاد [ 1] می باشد. در شبیه سازی هندسی از تیغه نیمه استوانه ای و سطح صاف متصل به آن برای نمایش لبه جلویی تیغه استفاده کرده ایم. مدل هندسی توسط نرم افزار GridGen شبکه بندی شده و جریان سیال توسط حلگر Fluent شبیه سازی شده است. نسبت دمش به عنوان نسبت شار جرم خنک کننده و جریان اصلی تعریف شده است. شبیه سازی برای مقادیر مختلف نسبت دمش 0/5 و 1 و با مدل توربولانس k- و k- انجام شده است.
فرض می شود جریان دارای شدت اغتشاش آزاد % 0/75 می باشد. نتایج بدست آمده نشان می دهد که برای نسبت دمش های پایین ، فیلم خنک کننده دارای اثربخشی بیشتری در پایین دست جریان دارد و همچنین در مجاورت خروجی جت خنک کننده مشاهده می شود که افزایش نسبت دمش باعث افزایش اثربخشی فیلم خنک سازی می شود.
مقدمه
تیغه های توربین های گازی به علت قرار گرفتن معرض دمای بالا به صورت طولانی مدت در معرض شکست و نقص قرار می گیرند. به دلیل دمای بالای ناحیه جلوی تیغه توربین ها بررسی جریان و گرمای منتقل شده در این منطقه بسیار بحرانی می باشد.
شکل -1 سوراخ های خنک سازی لایه ای بر روی تیغه توربین
در این مطالعه به بررسی اثرات خنک سازی برای محافظت از لبه تیغه توربین می پردازیم. خنک سازی لایه ای به وسیله ایجاد محیطی بین سطح و جریان دارای دمای بالا توسط سیال ثانویه ایجاد میگردد. این سیال ثانویه باعث کاهش تبادل گرما بین سطح و جریان شده و از تیغه محافظت می نماید. توربین های گازی نیاز به دمای بالا در ورودی دارند تا بازده خود را افزایش دهند پس به همین علت نیاز به وجود خنک سازی لایه ای می باشد. نتایج تجربی در مورد انتقال حرارت برای هندسه هایی شبیه هندسه استفاده شده در این مقاله توسط آقای او [2] و آقای میک و آقای مایل [ 3] استخراج شده است.
مطالعات تجربی او برای اعداد رینولدز 25000 ، 40000 و 100000 با شدت اغتشاش جریان آزاد % 0/75 موجود می باشد. نتایج تجربی میک و مایل برای اعداد رینولدز 000،100 و شدت اغتشاش جریان % 0/4 می باشد. اکاد خنک سازی لایه ای را برای نسبت دمش های 0/25 تا 2 بر روی هندسه ای شبیه آنچه در این مطالعه موجود می باشد را بررسی کرد. اکاد مفهوم جدیدی از استفاده خنک کننده متناوب را ارائه کرد که هوای خنک کمتری استفاده می کرد و به رسیدن تراست بالاتر در توربین های گازی کمک می کرد. آقای او همچنین در مطالعه دیگری نشان داد که چگالی بالاتر خنک کننده باعث موثرتر بودن خنک سازی لایه ای برای تمام نسبت های دمش می باشد. ژنگ [4] نیز به صورت عددی به بررسی اثر خنک سازی لایه ای در 1/4 مدل سیلندر پرداخت.
بررسی انتقال حرارت در لبه تیغه توربین
بررسی انتقال حرارت در لبه تیغه توربین به صورت دو بعدی انجام شده و هدف از آن پیشبینی انتقال حرارت سطح تیغه توربین به صورت عدد فراسلینگ می باشد، همچنین تاثیر مدل توربولانسی بر پیشبینی انتقال حرارت نیز بررسی مس شود. خنک سازی لایه ای نیز در مدل 2 بعدی بررسی می شود. برای مقایسه با نتایج تجربی چهار مقدار عدد رینولدز شامل 000،40 و 000،60 و 800،70 و 000،100 در نظر گرفته می شود.
شبیه سازی هندسه و شبکه بندی آن
ابعاد هندسه مورد استفاده در این پژوهش دارای مقادیر یکسان با مطالعات تجربی او می باشد و مدل هندسی شامل نیم استوانه متصل به سطح صاف پشت آن می باشد. مدل مورد استفاده در محیط محاسباتی و ابعاد مدل دو بعدی در شکل های 2و3 نشان داده شده است.
شکل -2 مدل پره استوانه ای توربین داخل تونل باد
شکل -3 محیط محاسباتی دو بعدی
شبکه ترکیبی مورد استفاده برای شبیه سازی توسط نرم افزار Gridgen تولید شده است.
شکل -4 شبکه محیط محاسباتی دو بعدی
مدل توربولانس
برای شبیه سازی حاضر مدل k- - SST - به منظور پیش بینی انتقال حرارت به صفحه در نظر گرفته می شود. مدل k- - SST - توسط آقای منتر [5] برای ترکیب مدل k- برای ناحیه نزدیک دیواره با مدل k- برای ناحیه جریان آزاد دورتر از سطح بسط و گسترش یافت.
مدل توربولانس k- - SST - برای جریان های دارای جدایش منجر به جواب های دقیق تر و قابل اعتماد تر می شود. جریان در این شبیه سازی دارای جدایش بوده بنابراین مدل توربولانس k- - SST - برای پیش بینی خصوصیات جریان و همچنین انتقال گرما به خدمت گرفته می شود. مدل توربولانس k- - SST - از مدل استاندارد توربولانس k- در نزدیکی دیواره و از مدل توربولانس k- در جریان آزاد بهره می برد. همان طور که توسط منتر مطرح گردید مدل - SST - k- از معادله زیر جهت شبیه سازی جریان استفاده می کند.
شرایط مرزی برای مطالعه انتقال حرارت بدون جت خنک کننده
برای مطابق سازی شبیه سازی با تست تجربی ، ورودی جریان به صورت پروفیل یکنواخت سرعت و دمای 332 K در نظر گرفته می شود. فشار اولیه در مرز خروجی به صورت یکنواخت و برابر 1 atm بوده و با توجه به روند شبیه سازی جریان می تواند گسترش یابد. سطح جسم دارای دمای ثابت و برابر 295K می باشد. جنس جسمپلکسی گلاس در نظر گرفته شده و دارای چگالی 1162 3 ، ضریب هدایت 0/21 2 و ضریب c p=1465 می باشد. بالاترین عدد ماخ برای شبیه سازی 0/037 بوده ، بنابراین جریان تراکم ناپذیر در نظر گرفته می شود.
شکل -5 شرایط مرزی برای محیط محاسباتی دو بعدی
مدل دو بعدی جریان به عنوان مرحله نخست به منظور بررسی اثرات خنک سازی لایه ای در مدل سه بعدی در نظر گرفته می شود.
شرایط مرزی برای بررسی انتقال حرارت در اثر وجود جت خنک کاری
در این شبیه سازی ، ابعاد و شبکه ، مشابه با مدل دو بعدی بدون خنک سازی می باشد. خنک کننده از طریق سوراخی در لبه تیغه توربین که دارای زاویه 21.5 درجه در جهت مثبت محور توربین می باشد مهیا می شود. جریان و انتقال حرارت در مدل دو بعدی با نسبت دمش ثابت 1 و عدد رینولدز 000،60 شبیه سازی می شود. جریان توربولانسی با شدت اغتشاش % 0/75 در نظر گرفته می شود . مدل توربولانسی مورد استفاده مدل k- - SST - می باشد.
شرایط مرزی در این حالت نیز بجز دیواره جسم مانند حالت بدون خنک سازی می باشد. در این شبیه سازی دیواره جسم دارای شرط مرزی آدیاباتیک بوده و همچنین شبیه سازی از سوراخ خنک کاری به منظور تزریق ماده خنک سازی به سطح استفاده می کند. جت خنک سازی دارای پروفیل سرعت یکنواخت و دمای 297.4K و چگالی 1.19 3 می باشد. جریان دارای دمای 332 K و چگالی 1.0657 3 بوده و نسبت دمش M=1 برای شبیه سازی جریان استفاده می شود.
شکل -6 شرایط مرزی برای محیط محاسباتی دو بعدی با خنک کننده
خنک سازی لبه تیغه توربین در حالت 3 بعدی
تولید هندسه سه بعدی هندسه سه بعدی دارای ابعاد ذکر شده در حالت 2 بعدی بوده و پهنای لبه تیغه توربین دارای ابعاد 364 mm می باشد. سوراخ خنک کاری تقریبا در وسط قسمت استوانه ای بوده و دارای قطر 4.76 mm و نسبت طول به قطر - - ، 11.69 می باشد. زاویه سوراخ خنک کاری برابر 20 درجه در جهت پهنای تیغه می باشد.
شبکه بندی و شرایط مرزی مدل هندسی سه بعدی
شبکه بندی در حول جسم و مخصوصا در خروجی جت خنک کننده با بالاترین حساسیت انجام شده است.
شکل -8 شبکه بندی مدل سه بعدی در ناحیه خروجی جت
شرایط مرزی در این حالت نیز مانند حالت دو بعدی بوده و در ورودی پروفیل سرعت یکنواخت و فاصله آن از لبه تیغه 720 mm و مقدار آن مطابق تست تجربی انجام شده توسط اکاد 12.63 می باشد.
در ورودی سوراخ خنک کننده ، دما 297 K و سرعت ورودی به صورت یکنواخت در نظر گرفته شده که از مقدار نسبت دمش - M - مشخص می شود. - نسبت دمش ،نسبت شار جرمی هوا به خنک کننده می باشد -
دو مقدار متفاوت نسبت دمش 0.5 و 1 برای عدد رینولدز 60.000 در نظر گرفته شده است.
شکل -9 شرایط مرزی در حالت سه بعدی
نتایج
بررسی انتقال حرارت در حالت دو بعدی بدون خنک سازی- جریان آرام
شکل -7 ابعاد لبه تیغه توربین و جهت سوراخ خنک سازی از زاویه دید بالا شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Fluent برای چهار عدد رینولدز 40.000 و 60.000 و 70.800 و 100.000 انجام شده است. نتایج حاصله با نتایج تجربی بدست آمده از آقای او ، میک و مایل و نتایج عددی بدست آمده از آقای لیتزلر [6] با مدل مشابه مقایسه می شود.
شکل -7 ابعاد لبه تیغه توربین و زاویه سوراخ خنک کاری از دید کناری
