گزارش کاراموزی انتقال حرارت در توربين

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
گزارش کاراموزي انتقال حرارت در توربين در 144 صفحه ورد قابل ويرايش

مقدمه

در اين فصل ما بر روي تاثير پارامترهاي گوناگون و خصوصيات انتقال حرارت خارجي اجزاء توربين تمركز مي نماييم.پيشرفتها در طراحي محفظه احتراق منجر به دماهاي ورودي توربين بالا تر شده اند كه به نوبه خود بر روي بار حرارتي و مولفه هاي عبور گاز داغ تاثير مي گزارد.دانستن تاثيرات بار حرارتي افزايش يافته از اجزايي كه گاز عبور مي كند طراحي روشهاي موثرسرد كردن براي محافظت از اجزاء امري مهم است.گازهاي خروجي از محفظه احتراق به شدت متلاطم مي باشد كه سطوح و مقادير تلاطم 20تا 25% در پره مرحله اول مي باشد.مولفه هاي مسير گاز داغ اوليه ،پره هاي هادي نازل ثابت و پره هاي توربين درحال دوران مي باشد. شراعهاي توربين، نوك هاي پره، سكوها و ديواره هاي انتهايي نيز نواحي بحراني را در مسير گاز داغ نشان مي دهد. برسي هاي كار بردي و بنيادي در ارتباط با تمام مولفه هاي فوق به درك بهتر و پيش بيني بار حرارتي به صورت دقيق تر كمك كرده اند . اكثر برسي هاي انتقال حرارت در ارتباط با مولفه هاي مسير گاز داغ مدل هايي در مقياس بزرگ هستند كه در شرايط شبيه سازي شده بكار مي روند تا درك بنيادي از پديده ها را فراهم سازد. مولفه ها با استفاده از سطوح صاف و منحني شبيه سازي شده اند كه شامل مدل هاي لبه راهنما و كسكيد هاي ايرفويل هاي مقياس بندي شده مي باشد. در اين فصل، تمركز بر روي نتايج آزمايشات انتقال حرارت بدست آمده توسط محققان گوناگون روي مولفه هاي مسير گاز خواهد بود. انتقال حرارت به پره هاي مرحله اول در ابتدا تحت تاثير پارامترهاي از قبيل پروفيل دماي خروجي محفظه احتراق،تلاطم زياد جريان آزاد و مسير هاي داغ مي باشد .انتقال حرارت به تيغه هاي روتور مرحله اول تحت تاثير تلاطم جريان آزاد متوسط تا كم ، جريان هاي حلقوي نا پايدار ، مسير هاي داغ و البته دوران مي باشد.

2.1.1- سرعت خروجي محفظه احتراق و پروفيل هاي دما

سطوح تلاطم در محفظه احتراق خيلي مهم هستند كه ناشي از تاثير چشمگير انتقال حرارت همرفتي به مولفه هاي مسير گاز داغ در توربين مي باشد. تلاطم تاثير گزار بر روي انتقال حرارت توربين ها در محفظه احتراق توليد مي شود كه ناشي از سوخت به همراه گاز هاي كمپرسور مي باشد.آگاهي از قدرت تلاطم توليد شده توسط محفظه احتراق براي طراحان در بر آورد مقادير انتقال حرارت در توربين مهم است.تلاطم محفظه احتراق كاهش يافته، مي تواند منجر به كاهش بار حرارتي در اجزاء توربين و عمر طولاني تر و همچنين كاهش نياز به سرد كردن مي شود. بر سي هاي انجام شده بر روي اندازه گيري سرعت خروجي محفظه احتراق و پروفيل هاي تلاطم متمركز شده است.

Goldstein سرعت خروجي و پروفيل هاي تلاطم را براي محفظه احتراق مدل نشان داد.Moss وOldfield طيف هاي تلاطم را در خروجي هاي محفظه احتراق نشان دادند.هركدام از بر سي هاي فوق در فشار اتمسفر و دماي كم انجام شد. اگرچه بدست آوردن بدست آوردن انرازه گيري ها تحت شرايط واقعي مشكل است اما براي يك طراح توربين گاز درك بهبود هندسه محفظه احتراق و پروفيل هاي گاز خروجي از محفظه امري ضروري است. اين اطلاعات به بهبود شرايط هندسه و تاثيرات نياز هاي سرد كردن توربين كمك مي نمايد.







اخيرا"،Goebel سرعت محفظه احتراق و پروفيل هاي تلاطم در جهت موافق جريان يك محفظه احتراق كوچك با استفاده از يك سيستم سرعت سنج دوپلر ولسيمتر(LDV)را اندازه گيري كردنند.آنهاسرعت نرماليزه شده،تلاطم وپروفيل هاي دماي موجود براي تمام آزمايش هاي احتراق را نشان دادند.آنها يك محفظه احتراق از نوع قوطي مانندبكار رفته در موتور هاي توربين گاز مدرن را استفاده كردند، كه در شكل1-2نشان داده شده است.جريان از كمپرسور و از طريق سوراخ ها وارد محفظه احتراق مي شود و با سوخت محترق در محل هاي متفاوت در جهت موافق جريان مخلوط مي شود. طراحي محفظه احتراق حداقل مستلزم يك افت فشار از طريق محفظه احتراق تا ورودي توربين است.فرايند محفظه احتراق توسط اختلاط تدريجي هواي فشرده با سوخت در محفظه قوطي شكل كنترل مي شود. طراحان محفظه احتراق نوين نيز بر روي مشكلات و مسائل تركيب و فرايند اختلاط هوا-سوخت تمركز مي نمايند احتراق تميز نيز يك مسئله و كانون براي طراحان ناشي از استاندارد هاي محيطي الزامي شده توسط دولت فدرال آمريكا و EPA مي باشد. با اين حال ،طراح محفظه احتراق يك مسئله مورد بحث در اين كتاب نمي باشد.



- استيج توربين موتور واقعي:

درك جنبه هاي انتقال حرارت براي تمام مولفه هاي(اجزاء) توربين تحت شرايط واقعي امري مهم است.بعنوان نمونه، سنجش هايي كه بر روي يك توربين تك مرحله تحت شرايط موتور مي توانند براي فراهم كردن تمام اطلاعات انتقال حرارت درباره اجزاي مسير گاز استفاده شود.تجهيزات و آزمايشات در مورد استيج هاي توربين واقعي تحت شرايط موتور بسيار نادر هستند.فقدان ابزارهاي دقيق اندازه گيري دما بالا و دشواري در تجهيز توربين با دستگاه هاي اندازه گيري دما و فشار از جمله دلايل تلاش هاي محدود در بررسي انتقال حرارت يك استيج واقعي تحت شرايط موتور واقعي مي باشند.

اكثر نتايج اوليه بر روي انتقال حرارت روتور- استاتور واقعي توسطDunn از مركز فن آوري پيشرفته Calspan تهيه شده اند.Dunn مقدار قابل توجهي از اطلاعات درباره اندازه گيري هاي فلوي( جريان ) حرارت براي پره هاي هادي نازل(ديوار انتهاي وايرفويل ها)،پره روتور، نوك روتور، سكو و شراع ها(shroud) را ارائه كرد. Dunn از يك توربين گردان كامل از موتور Gerratt TFE 731-2 استفاده كرد.آنها اندازه گيري فلوي حرارت درباره پره هادي نازل (NGV)، روتور و شراع توربين گزارش كردند.يك مجموعه شوك- تونل براي

ارائه شرايط خوب تعريف شده در نظر گرفته شد و تعداد كافي از پارامترها براي بهبود اطمينان در اطلاعات طراحي و فنون در حال توسعه مطرح گرديد. اندازه گيري هاي فشار استاتيك با استفاده از آشكار سازهاي فشار بر روي مقطع كلي توربين بدست آمدند.


شكل 10-2 توزيع عددstanton بر روي تيغه روتور را نشان مي دهد. تحليل اطلاعات بخوبي تحليل براي NGV ناشي از مسئله اضافي بدست آوردن اطلاعات بر روي يك مولفه گردان نمي باشد.توزيع هاي عدد stanton مشابه روي سطوح فشار ومكش پره مي تواند به دوران پره كمك نمايد. Dunn نشان مي دهد كه آنها مشاهده كردند تاثير دوران تغييرات توزيع عدد stanton برروي فويل هواي را كاهش ميدهد. عدد اوج stanton در فصله تقريبي 3.5% در سمت فشار رخ مي داد. عدد stanton به سرعت از لبه هدايت كننده تا حدود 30% فاصله سطح سقوط مي كند. توزيع فشار براي پره نشان مي دهدكه جريان در حدود37% فاصله سطح در طرف مكش سونيك مي شود.در اين نقطه عددstanton سطح زياد مي شود و به حداكثر مقدار فاصله سطح ديگر حدود 70% ميرسد.جداي از فاصله سطح 70% ، اعداد stanton به طرف دنباله لبه كاهش مي يابد . با اين حال Dunn هيچ اندازه گيري نزديك ناحيه دنباله لبه ندارد مگر يك نقطه واحد در فاصله سطح 90% . روي سطح فشار پره عدد stanton از يك مقدار حداكثر در فاصله دور 3.5% تا يك مقدار حداقل در فاصله سطح 25% افت مي كند.اين يك ناحيه داراي شيب فشار قوي ميباشدكه باعث كاهش سرعت جريان بر روي سطح فشار مي گردد.سپس در جهت موافق جريان عدد stanton مجددا"تا يك مقدار زياد در حدود فاصله سطح 70% مانند حالت سطح مكش زياد مي شود.مقادير عدد stanton از فاصله سطح 70% تا دنباله لبه بر روي سطح فشار كم ميشوند.




2.3.2- تاثير عدد ماخ خروجي و عدد رينولدز:

Nealy توزيع هاي انتقال حرارت بر روي پره هاي هدايت نازل بار گيري شده زياد را در دماي متوسط نشان مي دهد و سه پره تحت شرايط حالت يكنواخت قرار دارند. آنها پارامتر ها را تغيير دادند از قبيل عدد ماخ، عدد رينولدز، شدت آشفتگي و نسبت دماي ديوار به گاز. اطلاعات آزمايشگاهي در مجموعه كسكيد آيروترموديناميك در شركت موتور السيون بدست آمدند. Nealy نشان داد كه مكانيزم هاي پايه اي وجود دارد كه بر انتقال حرارت گاز به فويل هوا تاثير مي گذارند. آنها رفتار زودگذر لايه مرزي ، آشفتگي جريان آزاد، انحناي سطح ايرفويل ،زبري سطح ايرفويل ، شيب فشار ، محل تزريق ماده خنك كننده، جدايش و اتصال مجدد جريان و اندر كنش لايه مرزي – شوك بصورت مكانيك هاي پايه بررسي كردندكه تاثيرات آنها لازم است بر انتقال حرارت فويل هوا تعيين شود.در اين بررسي آنها توجه خود را روي عدد ماخ كسكيد خروجي ،عدد رينولز و شكل ايرفويل متمركز كردند. شكل 21-2 پروفيل هاي سطح را براي در پره كسكيد نشان مي دهد. طرح هاي دو پره موسوم به Mark ?? وC3X داراي شكل هندسي سطح مكش كاملا" متفاوت مي باشند. آزمايشات روي اين دو طرح يك آگاهي نسبت به تاثير شكل هندسي سطح مكش برانتقال حرارت را فراهم کردند.


مي شوند. مدت دوام نسبي مسير برابر با نسبت زمان دوام مسير به پريودعبور مسير است. بامشاهده حالت هاي مختلف واضح است كه ضريب انتقال حرارت سطح مكش براي هر حالت بدليل گذار لايه مرزي قبلي بالاتر هستند.محل گذار با افزايش فركانس مسيردر جهت مخالف جريان به طرف لبه هدايت كننده نزديك مي شود. محل گذار از يك فاصله سطح 1.0~s/l به حدود0.3 براي بالاترين فركانس مسير حركت مي كند.حالت آشفتگي توليد شده توسط شبكه داراي يك محل گذار در حدود 0.2~s/l مي باشد. Dullenkopf نشان داد كه ناحيه آشفته و مسير جريان آزاد در خارج از لايه مرزي بطور مستقل عمل مي كنند هنگامي كه گذار توسط مسير در هر محل آغاز مي شود.توزيع ضريب انتقال حرارت ميانگين زماني حاصل از كسر زمان آشفته و لايه اي تشكيل مي شود،كه در آن كسر زمان آشفته در طول سطح افزايش مي يابد. اين امر افزايش طول زود گذر در مقايسه با حالت خط پايه (بدون ميله ها) را نشان مي دهد.سطح فشار يك تاثير كمتر در مقايسه با تاثيرسطح مكش را نشان مي دهد. اين امر ممكن است رخ دهد زيرا intermittency ايجاد شده توسط مسير تقريبا" ثابت است. جزئيات بيشتر در باره تاثيرات intermittency موضعي در بخش بعدي بحث خواهد گرديد.

2.4.3- پيش بيني هاي انتقال حرارت تحت تاثير مسير:

همانطور كه در بالا شرح داده شد، يكي از دلايل اصلي جريان ناپايدار در توربين هاي گاز عبارتند از انتشار مسير ها ازايرفويل هاي هوايي در جهت مخالف جريان مي باشد. اين مسير ها جريان آزاد را با يك سرعت ناپايدار پريودي ، دما و شدت آشفتگي اعمال مي كنند. كاهش سرعت همراه با مسير ممكن است يك جريان همرفتي را بطرف سطح يا مخالف آن ايجاد نمايد.مسير ها يك گذار لايه مرزي لايه اي به آشفته ناپايدار زود هنگام را ايجاد مي كنند تا در طرف مكش اتفاق بيافتند. انتقال حرارت همراه با جريان ناپايدار بطور واضح گذار لايه مرزي زود هنگام را نشان مي دهد(شكل43-2).

در اين بخش ،ما بر روي نظريه Mayle ومحققان همكاراوتمركز مي نماييم تا انتقال حرارت بر سطح را تحت تاثيرعبور مسير ناپايدار پيش بيني نماييم.Mayle تاثير گذار آشفته لايه اي را در طراحي موتور توربين گاز نشان داد و پيشنهادهايي با ارزش براي بررسي هاي بعدي ارائه كرد.او يك شرح عمومي از گذار و شكل هاي مختلف آن ارائه كرد و نكات نظري و عملي را براي هر حالت گذار امتحان نمود.