توضیحات

انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی

عملکرد یک موتور توربین گازی تا حد زیادی تحت تاثیر دمای ورودی توربین می باشد و افزایش عملکرد قابل توجه را می توان با حداکثر دمای ورودی توربین مجاز بدست آورد. از یک نقطه نظر عملکردی احتراق با دمای ورودی توربین در حدود می تواند یک ایده ال به شمار آید چون هیچ کاری برای کمپرس کردن هوای مورد نیاز برای رقیق کردن محصولات احتراقی به هدر نمی رود. بنابراین روند صنعتی جاری, دمای ورودی توربین را به دمای استوکیومتری سوخت  بخصوص برای موتورهای نظامی, نزدیکتر می کند.

۲۱۹صفحه فونت ۱۶ فایل ورد فرمت:پایان نامه

پس از پرداخت آنلاین میتوانید فایل کامل این پروژه را دانلود کنید

بعد از ۴ دهه پیشرفت در تحلیل عددی و تحقیقات دستگاه توربین، تکنیک های تحلیلی هنوز در ارائه یک پیش بینی عمر دقیق برای مولفه ها، محدود می باشند. بنابراین, کالیبره کردن تجربی و اثبات درستی تحلیل ها نقش اصلی را در چرخه توسعه ایفا می کند. معتبر سازی تجربی تجزیه و تحلیل ها بعد از اینکه یک تیم طراحی بر اساس پیش بینی تحلیلی و مفهومی به سطح رضایت بخشی رسیدند انجام می شود. بخش مربوط به خنک سازی کمبوستور عوامل اصلی معتبر سازی تجربی را شرح میدهد.

تعریف پارامترهای شباهت انتقال جرم و حرارت اصلی

پدیده انتقال حرارتی مجرایی در زمان تجزیه و تحلیل مولفه های توربین باید در نظر گرفته شود که عبارتند از:

۱-انتقال حرارت با رسانایی

۲-انتقال حرارت با همرفتی

۳-انتقال حرارت با پرتو تابی

انتقال حرارت بصورت پرتوتابی اغلب در پیش بینی تحلیلی لینر کمبوستور و پره های پروانه مرحله ۱ که بالینر کمبوستور در تماس هستند حائز اهمیت است. انتقال حرارتی مزدوج در یک مولفه توربین مثلاً در یک تیغه توربین, شامل ترکیبی از انتقال حرارت بیرونی همرفتی از گاز داغ به پره ها, رسانایی از طریق دیواره تیغه توخالی, انتقال حرارت درونی همرفتی از تیغه به هوای خنک سازی و پرتوتابی شعله ای احتمالی و نیز انتقال حرارتی بصورت پرتو تابی از دیوارهای دارای دمای بالا در لیز می باشد.

کنش متقابل انتقال جرم – حرارت در لایه مرزی ایرفول

انتقال حرارت در یک سیال می تواند از طریق رسانایی و نیز از طریق حرکت سیال اتفاق بیافتد. (اصطلاح همرفتی در موقع رجوع به حمل و نقل تراکمی با حرکت تصادفی ملکول ها و اصطلاح adwection در موقع رجوع به حمل و نقل بخاطر حرکت سیال انبوه، استفاده می شود). انتقال حرارت کلی که همرفتی و رسانایی را در یک محیط در حال حرکت ترکیب می کند معمولاً به عنوان انتقال حرارت همرفتی مطرح می شود. انتقال جرم و حرارت که میزان شدت جریان و دما را تعریف می کند قویاً با هم مزدوج شده و کنش متقابل انجام می دهد و روی یکدیگر تاثیر می گذارند. همرفتی اجباری نقش مهمی را برای اکثر مولفه های توربین در مقایسه با همرفتی طبیعی ایفا می کند. عوامل مهم در انتقال حرارت بیرونی از گاز داغ به دیواره تیغه, لایه مرزی است که در سطح و دمای کل جریان آزاد توسعه می یابد.

لایه مرزی که بعنوان یک بافر بین جریان اصلی و ماده خشک عمل می کند, مقاومت در برابر انتقال حرارت را نشان میدهد. انتقال حرارت در این لایه بین ماده خشک و سیال از طریق مکانیسم های همرفتی و رسانایی اتفاق می افتد. اگر سطح مولفه در یک دمای بالاتر باشد, انتقال حرارت از سطح به سیال اتفاق می افتد و اگر دمای سیال بیشتر از سطح باشد برعکس این روند اتفاق خواهد افتاد وقتی حرارت در جریان نفوذ می کند انتقال انرژی عمدتاً از طریق همرفتی با محیط در حال حرکت اتفاق می افتد.

بنابراین منطقه بافر و لایه مرزی، نقش بسیار مهمی را در انتقال حرارت ایفا می کنند. شرایط و ویژگی‌های این لایه سرعتی را تعیین می کند که در آن حرارت انتقال داده می شود.

یک شناخت فیزیکی خوب از انتقال حرارت همرفتی را می توان با بررسی معادله انرژی بدست آورد که در آن یک طرف معادله به انتقال انرژی و طرف دیگر به ترتیب به انتقال حرارت توسط رسانایی ملکولی سیال مربوط می شود و این کاری است که با نیروهای فشار و تنش های خطی و کار انجام شده توسط تنش های نوسانی و انتقال حرارت با شدت جریان نوسانی و نوسانات دمایی صورت می‌گیرد

از آنجایی که انتقال حرارت با پدیده مکانیک های سیال قویاً فرد و زوج می شود، هر یک از این مناطق شامل یک تجزیه و تحلیل جداگانه معتبر برای آن منطقه خاص می باشد. انتقال حرارت به تعداد mach. عدد رینولد, آشفتگی جریان آزاد, نسبت دمای دیواره به جریان آزاد, همواری و تحدب تیغه، ماده و ویژگی های گاز بستگی دارد.

در کاربردهای انتقال حرارت, استفاده از تجزیه و تحلیل بعدی بعنوان انتقال حرارت حائز اهمیت بوده و به تعداد زیاد پارامترها بستگی دارد. تجزیه و تحلیل بعدی کاهش تعداد زیاد متغیرها به عدد معنی دارد گروههای غیر بعدی را فعال می سازد. این در عوض آزمونگران را قادر به طراحی آزمایشاتی برای انجام یک تحقیق پارامتری می نماید.

آزمونهای قابل توجهی در تحلیل انتقال حرارت همرفتی بخاطر شکل هندسی پیچیده و کنش متقابل پیچیده بین جریان و میدان های انتقال حرارت وجود دارد. گروههای زیر را می توان با یک تجزیه و تحلیل بعدی شناسایی کرد:

عدد رینولد مبتنی بر یک طول مرجع یا مبتنی بر قطر هیدرولیک.

عدد mach                               ma=v/a

عدد Prandti

عدد Eckert

در کاربردهای انتقال حرارت (بیرونی و درونی) گروههای غیر بعدی مضاعف متعددی مهم هستند. انتقال حرارت کلی با اختلاف دمای بین سیال و دیواره خشک (Tw) از طریق قانون خنک سازی نیوتن ارتباط دارد: ضریب انتقال حرارت را می توان با عدد نوزلت بصورت غیر بعدی در آورد.

همانطور که قبلاً نشان داده شد, لایه مرزی بعنوان یک مقاومت در برابر انتقال حرارت عمل می کند و این ویژگی با تنش برشی معین می شود. گروه غیر بعدی که عدد استانتون ST نامیده می شود ضریب انتقال حرارت غیر بعدی را نشان میدهد.

همچنین

انتقال حرارت تابعی از عدد رینولد و عدد پرانده می باشد و مستقیماً متناسب با مورد لایه مرزی آشفته به کسر پوسته می باشد.

و یا

یک لایه مرزی نازک (مقاومت کمتر), یک انتقال حرارت بزرگتر را نشان میدهد. در حالت ضخامت لایه مرزی صفر (مثل نقطه سکون) حداکثر انتقال حرارت وجود دارد. ضخامت لایه مرزی شدت جریان و حرارت مثل حالت مربوط به هوا بوده و شدت جریان و دما مثل حالت مربوط به یک صفحه تخت می باشد (گرادیان فشار صفر).

در یک لایه مرزی آشفته، شار حرارتی آشفته را می توان به همان روش کاربردی برای تنش رینوار اصلاح کرد. رابطه دمای شدت جریان متناسب با گرادیان دما در راستای y فرض می شود (نرمال به دیواره) از اینرو شار حرارتی بخاطر نوسانات آشفتگی را می توان بصورت زیر نوشت

که در آن  قابلیت پراکندگی حرارتی گردابی است.

تشابهات بین تبادل های حرارت و حرکت با نوسانات آشفتگی باید در هنور گرادیان شدت جریان تاکید شود. یک رابطه مزدوج نزدیک بین انتقال حرارت و انتقال حرکت وجود دارد که بصورت یک رابطه مزدوج نزدیک بین شار حرارتی و برش تنش ترجمه و تفسیر می شود. چون نگرانی اصلی در اینجا انتقال حرارت بین سیال و ماده خشک است، تنش برش در دیواره یک نقش کلیدی را ایفا می‌کند.

عدد پراندل نوسانی بدون بعد رابطه بین انتقال حرکت و حرارت مزدوج شده را نشان میدهد.

نقش تشابه در رقابت تجربی حرارت ایرفویل توربین و انتقال جرم

یکی از مهمترین معیارهایی که روی عمر پروانه تیغه و تیغه توربین اثر می گذارد دمای فلز آنهاست یک دمای فلز خوب پیش بینی نشده به راحتی       می تواند باعث ۵۰% کاهش در عمر گسیختگی خزش تیغه شود. پیش بینی دقیق این دما اغلب مبتنی بر شبیه سازی تجربی کیفیت انتقال حرارت مولفه است که شرایط موتور واقعی را نشان میدهد. این خصوصاً برای یک ایرفویل توبین خنک شده که در آن انتقال حرارت همرفتی بیرونی و درونی باید بعنوان شرایط مرزی برای انتقال حرارت رسانایی در مولفه در نظر گرفته شود, حائز اهمیت می باشد. استفاده از یک آبشار حرارتی برای آزمونهای پیوسته یا تسهیلات دارای دوام کم برای آزمونهای گذرا یک الزام برای بدست آوردن داده‌های قابل اطمینان و معتبر سازی سیستم های خنک سازی ایرفویل می باشد. آزمونهای آبشار حرارتی پیوسته شبیه سازی شده که در آن سخت افزار موتور واقعی با تنظیمات خنک سازی درونی/بیرونی صحیح استفاده می‌شود، می تواند برای پیش بینی دمای محلی ایرفویل توربین در مرحله اولیه توسعه توربین مفید باشد. تعداد کمی از آزمونها که در آن پیکر بندی موتور واقعی استفاده شده است گزارش شده است. با این وجود، آزمونهای انتقال حرارت شامل ارزیابی و مقایسه ثاثیر خنک سازی در محیط های آبشار حرارتی و موتور می باشد که بندرت در آثار بحث می شود.

راه حل معادلات انرژی و Navier-Stokes برای جریان تراکم پذیر به تعداد گروههای بدون بعد بستگی دارد. این معادلات نشان میدهد که تشابه خطوط جریان سیال و هم دماها در انتقال حرارت همرفتی اجباری را می توان با استفاده از بزرگی های مشابه این گروههای غیر بعدی برای پدیده های واقعی و آزمون شبیه سازی، تقویت کرد. وقتی معادلات انرژی و حرکت غیر ابعاد می باشد، این راه حل تا حد زیادی به چهار پارامتر غیر ابعادی بستگی دارد.

برای اکثر مشکلات همرفتی تقویت شده مثل انتقال حرارت بیرونی در یک تیغه توربین گازی، نیروهای شناوری در مقایسه با نیروهای درونی نادیده گرفته می شوند. عدد اکرت EC را می توان برحسب عدد mach جریان آزاد, نسبت دمای کل جریان آزاد به دیواره و نسبت حرارت ویژه بیان کرد

عامل ایستا برای کل نسبت دما را می توان با استفاده از رابطه ایز تروپیک برای بدست آوردن رابطه زیر جایگزین کرد:

موضوعات انتقال حرارت گذرا و پایدار در بخش داغ موتور

در طول ۳ دهه گذشته, محاسبات انتقال حرارت توربین و داده های تجربی در آثار با توجه به صنایع متعدد, دولت و مولفان دانشگاه گزارش شده است. جزئیاتی برای یک محاسبه خاص گزارش شده است که عمدتاً به ماهیت حساسیت رقابت داده ها بستگی دارد. رمزهای طرح شرکت, تولید کنندگان را تشخیص میدهد و جزئیات درباره این رمزها در او لویت قرار خواهد داشت. مقالات دولتی و ارائه شده توسط مولفان دانشگاه معمولاً جزئیاتی را درباره محاسبه بیان می کند ولی عمدتاً مربوط به یک شکل هندسی است که اغلب نمایشگر مولفه های واقعی در صنعت نمی باشد. تلاش ها روی شناخت انتقال حرارت ایرفویل توربین تمرکز یافته اند که قبلاً تحت تاثیر کارهای انجام شده مرتبط با ایرودینامیک‌ها بود. این به خاطر فقدان مشکلات انتقال حرارت نمی باشد بلکه به مشکل بودن مسئله ای ارتباط دارد که با افزایش در دمای ورودی توربین بیشتر مطرح می شود.

اکثر الگوهای مفهومی برای انتقال حرارت در یک ایرفویل ۳B مدرن تا حد قابل توجهی به اطلاعات بیشتری نسبت به محاسبات ایرودینامیکی نیاز دارد. شبکه محاسبه ای که برای محاسبه انتقال حرارت مورد نیاز است نسبت به حالت مورد نیاز برای محاسبه آیرودینامیکی متناسب, دقیق تر می باشد.

علت این است که گرادیان دما در دیواره ایرفویل محاسبه شعار حرارتی و راه حل شبکه ای در لایه مرزی را بدست می دهد که باید تا حد قابل توجهی ریزتر باشد. تقریب لایه مرزی، یک فشار ثابت در میان ضخامت لایه مرزی را فرض می کند ولی دما در میان ضخامت لایه مرزی ثابت نمی باشد. این رمزها از رمزهای لایه مرزی پیشرفت کرده اند که منشا آن از رابطه داده های صفحه تخت از میان رمزهای پیوسته ۳D یا ۲D به رمزهای ناویر استوکس غیر پوسته ۳D برگرفته می شود.

علاوه بر تجزیه و تحلیل های مولفه های سیال و انتقال حرارت می باشند مسئول تجزیه و تحلیل جریان ثانویه و مدیریت حرارتی موتور می باشند. این شامل تجزیه و تحلیل جریانهای خنک سازی و نشت درز, توزیع دما برای اکثر مولفه های بخش داغ در شرایط عملکردی گذرا و پیوسته می باشد. طراحان خنک سازی درون داد طراحی را برای رفتار گذرای ساختار توربین کامل ارائه می دهند که شامل کنش متقابل بین پروانه توربین و قسمت ساکن آن می باشد.

دماهای فلز و تاثیر آن روی عمر مولفه های توربین

در اکثر موارد, دماهای پایدار, عمر مولفه های توربین را برای مواد توربین انتخاب شده تعریف می کند یک استثنا عمر خستگی چرخه کوتاه می باشد که با گرادیان های دمای گذرا تعریف می شود.

یک طراح کار خود را با ارائه یا فرض الزاما عمر مولفه خاص مبتنی بر اکسایش / فرسودگی / سایش, گسیختگی خزشی و خستگی حرارتی (چرخه پایین) آغاز می کند که محدوده های دمایی فلز قابل قبول را نشان میدهد. برای هر مولفه این الزامات دما و عمر باید تحت شرایط چرخه کار معین تامین شود. عمر لینر کمبوستور, و در اکثر موارد, مورد مربوط به پره های تک پروانه ای با اکسایش آنها محدود می‌شود.

در برخی موارد یک خستگی چرخه پایین می تواند برای لبه های گردابی پره های پروانه ای تعیین کننده باشد بخصوص وقتی که آنها در مقایسه با بقیه پره خیلی نازک هستند. عمر تیغه های توربین معمولاً با ویژگی های گسیختگی –خزش یک ماده تیغه ای انتخابی تعیین می شود بجز موارد مربوط به نوک تیغه ها که نوعاً در معرض تنش های کم از نیروهای درونی قرار میگیرند و با اکسایش محدود می‌شوند. کاهش پنجاه درصدی در عمر گسیختگی – خزش یک ایرفویل پیشرفته باید از دماهای فلز در بخش های تحت تنش که تنها بالاتر از طرح عددی هستند, حاصل شود. برای تیغه ها و یا بخش های نوک تیغه دارای اکسایش محدود، همین کاهش عمر از دماهای فلز حدوداً بالاتر از حد عددی حاصل می شود.

شکل اصلی ایرفویل از طرح آیرودینامیک منشا می گیرد ولی با توجه به این موضوع که برخی سیستم‌های خنک سازی باید تنظیم شوند تغییر می یابند. ارزیابی های خنک سازی اولیه خاص باید قبل از یک بررسی کامل ایرفویل انجام شود. به منظور حفظ دماهای فلز در این محدوده, خنک سازی درونی ایرفویل باید در یک شیوه ای تنظیم شود که دارای بیشترین تاثیر در بارهای حرارتی بیرونی بصورت غیر متوازن باشد. طراح می تواند معمولاً از تجربیات و عملکردهای طراحی گذشته تصمیم بگیرد که چه نوع خنک سازی در هر سطحی که باید خنک شود الزامی است (خنک سازی فیلم یا همرفتی).

بر حسب یک عمر معین شده, حدهای دمای فلز توصیه شده برای آلیاژهای پیشرفته برای لینرکمبوستور بخش های گذرا,  برای تیغه های نازل  و دیواره های نهایی, در تیغه های دارای تنش بسیار بالا با اسکان رسیدن دما به  در بخش راسی با اکسایش محدود می‌باشند. مولفه های توربین بزرگ مثل دیسک های توربین و ساختارهای حفاظت پره, که از قطعه‌های آهنی تولید شده‌اند معمولاً تا دماهای کمتر از محدود می شوند و حتی در این دماها نسبتاً کم, پوشش های حفاظت در برابر اکسایش مورد نیاز می باشد.

دیسک های توربین و ساختارهای ساکن دارای دمای نسبتاً بالا که از پره های توربین حفاظت می‌کنند برای گرادیان های دمای گذرا, عمدتاً شعاعی و مهم که شامل یک خستگی چرخه پایین می‌باشد, مستعد است.

حفاظت موثر (تفکیک) این مولفه ها از ورود جریان اصلی با دما بالا برای عمر مولفه ها الزامی است. کاربرد پوشش حفاظتی حرارتی با رسانایی کم می تواند کمک قابل توجهی را در مواجهه با گرادیان‌های دمای گذرای شدید در این مولفه ها فراهم آورد.

موضوعات مربوط به : تغییر مکان  های حرارتی گذرای روتور به استاتور و کنترل فاصله نوک آزاد

یک مورد کلی از رسانایی سه بعدی گذرا با معادله فوریه کنترل می شود:

که در آن

یک اپراتور لاپلاس است

پارامتر  نشر حرارتی  از ماده رسانایی است

Q مقدار حرارت اضافه شده (یا کم شده) در بدنه در هر واحد زمان و حجم می باشد.

ارائه موقعیت یابی نسبتاً مناسب مولفه های چرخان و ثابت موتور, موضوع مورد هدف اصلی در یک طرح مفهومی از یک بخش داغ توربین می باشد. موضوعات اصلی که اغلب مدیریت حرارتی از یک طرح توربین نامیده می شوند باید در این مرحله مورد خطاب قرار گیرند. این ها شامل:

جایگاه یک تکیه گاه فشار محوری است که تا حد زیادی تغییر مکان محوری از یک حالت چرخان را تحت تاثیر قرار میدهد.

هماهنگ سازی حرارتی گذرا بین کنش متقابل مولفه های ثابت و چرخان که فاصله آزاد عملکرد را تعریف می کند. رفتار گذرای مولفه های توربین در طول حالات گوناگون عملکرد که کاملاً متفاوت با یک موقعیت یابی پایدار می باشد.

رفتار یک ساختار حفاظتی که روی هم محوری بین بخش ثابت و چرخان بخصوص بعد از خاموش شدن موتور یعنی وقتی مجموعه نگهدارنده کمانی شدن ناشی از دماهای غیر یکنواخت را تجربه می‌کند، تاثیر می گذارد.

توانایی درزهای بین مولفه های مختلف برای هماهنگ کرن تغییر مکانهای محوری و شعاعی گذرا بدون از دست دادن تاثیر………………………..