انتخاب مدل مناسب توربولانسی و تحلیل عملکرد خنک‎کاری لایه‎ای در استاتور توربین‎های گازی با تغییر آرایش سوارخ‎های خنک‎کاری

خلاصه در این پژوهش به مطالعه عددی خنک کاری لایه ای حول یک پره توربین گاز با استفاده از نرم‎افزار فلوئنت پرداخته میشود. یکی از راه های افزایش راندمان حرارتی در توربین های گازی، افزایش دمای منبع داغ است که معادل افزایش دمای ورودی به بخش توربین می‎باشد. این افزایش دما تنها در صورتی میسر است که پره ها به طور موثری خنک شوند تا دچار خزش و شکست نشوند و در عین حال عمر بالایی داشته باشند. خنک کاری لایه‎ای یکی از روش‎های مدرن و پربازده خنک کاری پره‎های توربین می‎باشد و نیاز است که جنبه‎های این روش خنک کاری بررسی گردد. تحقیق حاضر به دنبال بهبود عملکرد خنک‎کاری لایه‎ای در استاتور توربین‎های گازی با تغییر آرایش سوارخ‎های خنک‎کاری یا به عبارتی افزایش ردیف‎های خنک‎کاری لایه‎ای است. پره هدف در تحقیق حاضر، پره استاتور ردیف اول توربین فرم ۵ GE می‎باشد. قبل از شبیه سازی پره هدف و برای اطمینان از صحت و سقم روند کلی مدلسازی (نحوه تعریف دامنه محاسباتی، مدل توربولانسی و فرضیات)، ابتدا پره C۳X مورد بررسی قرار گرفت، چرا که نتایج آزمایشگاهی آن موجود بود. بدین منظور مدل باریک پره C۳X با سه مدل توربولانسی مختلف شبیه سازی شد و با بررسی نتایج حاصل و مقایسه با نتایج تجربی مدل توربولانسی کی-اپسیلون برای شبیه سازی پره واقعی انتخاب گردید. همچنین شبیه‎سازی این پره نشان داد که تمامی مدلهای توربولانسی در پیش بینی پدیده گذرش عملکرد ضعیفی دارند.پس از اطمینان از روند مدلسازی، پره هدف که یک پره واقعی و کابردی در صنعت توربین گاز بوده مورد بررسی قرار گرفت. بدین منظور مدل باریک شده ای از پره که ارتفاع آن ۱/۸ پره واقعی بود، تولید گردید و در شبیه سازی از مدل توربولانسی کی-اپسیلون استفاده شد. در شبیه سازی پره واقعی با توجه به دمای قابل تحمل پره های رایج در صنعت توربین گاز که برای یک عمر معقول و مناسب طراحی شده اند، ابتدا دمای هدف ۱۰۵۰ کلوین انتخاب شد و سعی شد تا با تغییر در هندسه و افزایش ردیف‎های سوراخکاری، سطح پره در دمایی کمتر از مقدار فوق محافظت شود. همچنین در شبیه سازی از شرط مرزی دیوار عایق استفاده شد که بدترین حالت ممکن می باشد و در صورتی که خنک کاری لایه ای دمای هدف را برای پره با دیوار عایق تامین کند حالت واقعی را نیز پاسخگو خواهد بود. مدل‎سازی‎های انجام شده نشان داد که با افزایش ردیف‎های سوراخکاری می‎توان دمای سطح پره را به طرز موثری کاهش داد. همچنین افزایش دبی خنک‎کاری و نزدیک کردن زاویه خروج به راستای مماسی سطح در بهبود عملکرد پره نقش موثری دارند.

کلیدواژه ها:

کلمات کلیدی: توربین گاز ، خنک‎کاری لایه‎ای ، مدل توربولانسی ، شبیه‎سازی عددی