انتقال حرارت در توربين

فصل دوم
۲٫۱ – 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 ۲۰تا ۲۵% 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.

۲٫۱٫۱- 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 شكل۱-۲نشان 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.

شكل ۲-۲ تاثير احتراق بر روي سرعت محوري ،شدت تلاطم محوري،سرعت پيچ وتاب( مارپيچي )و شدت تلاطم پيچ وتاب را نشان ميدهد. تمام سرعت ها توسط خط مركزي سرعت اندازه گيري شده و در مقابل شعاع نرماليزه رسم شدند.جريان جرم و فشار هوا براي قدرت هاي مختلف احتراق اندازه گيري شدند.افزايش جريان سوخت باعث افزايش استحكام احتراق گرديد.دماي شعله آدياباتيك تغيير داده شد.هواي فشرده در يك موتور توربين گاز ناشي از فرايند تراكم پيش گرم مي باشد .با اين حال،در اين برسي،هوا پيش گرم نمي شود.جريان جرم وفشار۰٫۴۵ kg/s و۶٫۸ اتمسفر بودند.دما هاي شعله از ۷۱ تا ۱۹۸۰ متغير بود.تاثير احتراق شديدا” آشكار است هنگامي كه حالت آتش گرفته را با بقيه حالتهاي آتش گرفته مقايسه مي نماييم.سسرعت محوري و سرعت پيچ وتاب(مارپيچي) شديدا”تحت تاثير احتراق هستند،مقادير پيچ وتاب توسط احتراق كم ميشود.كاهش در پيچ وتاب مي تواند در شدت تلاطم مشاهده شود.مقادير اوج در شدت تلاطم از ۱۰ تا ۱۶% از حالت غير مشتعل تا كاملا”مشتعل كاهش يافتند.

پروفيل هاي دما نيز براي حالت هاي احتراق اندازه گيري شدند.شكل ۳-۲ تاثير سوراخ هاي رقيق سازي را براي دما هاي آتش زدن مشابه(۱۲۰۰ ) مقايسه مينمايد.پروفيل دما نسبتا”صاف و يكنواخت و بدون سوراخ هاي رقيق سازي ،با مقادير اوج در خط مركز مي باشد. با اين حال ،افزودن سوراخ هاي رقيق سازي باعث كاهش مقادير دما بين خط مركز و لبه ها مي گردد.آگاهي از پروفيل دماي خروجي محفظه احتراق يك ضرورت براي محاسبات انتقال حرارت مسير گاز مي باشد.اندازه گيري هاي پروفبل خروجي دما يك روال توليد كنندگان توربين

گاز است.پروفيل هاي دماي گاز ورودي براي محاسبات انتقال حرارت مولفه مسير گاز براي براورد كردن دماهاي مولفه لازم هستند. مقايسه پروفيل هاي دماي محفظه احتراق ناشي از منحصر بفرد بودن طراحي امري دشوار است.با اين حال ،برسي هاي فوق آگاهي هايي در مورد سرعت ، شدت تلاطم و پروفيل هاي دما و تاثيرات احتراق برروي آنها فراهم مي كنند. مقياس اندازه دما يك عامل مهم براي انتقال حرارت مسير گاز است. با اين حال، برسي هاي فوق هيچ نوع اطلاعاتي در مورد مقياس اندازه دما فراهم نمي كنند.

۲٫۲- انتقال حرارت در مرحله هاي توربين:
۲٫۲٫۱ – مقدمه:
يك مرحله توربين شامل يك رديف از پره هاي هادي نازل يا استاتور و يك رديف از پره هاي دوران كننده موسوم به روتورها ميباشند.سيال وارد معبرهاي توربين شده و در جهت لبه پره هاي هادي روتور خميده مي شود. يك بخش از انرژي سيال به انرژي مكانيكي ناشي از حركت دوراني پره هاي روتور تبديل مي شود.پره هاي روتور به محور توربين متصل هستند. حركت دوراني منتقل شده به محور براي راه اندازي كمپرسور استفاده مي شود.شكل ۴-۲ يك مرحله توربين را نشان داده كه از يك معبر پره هادي نازل و يك معبر پره روتور تشكيل شده است.نمودار سرعت براي مرحله(استيج)نيز نشان داده مي شود.

۲٫۲٫۲- 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.گيج هاي جريان حرارت فيلم نازك در استيج توربين روي ديوار انتهايي نوك NGV و مكش موتور وسطوح فشار نصب شدند.شكل ۵-۲ مجموعه تونل- شوك بكاررفته توسطDunn را نشان مي دهد.

 

Dunn نيز اندازه گيري هاي فشار و فلوي حرارت را براي يك استيج توربين با نسبت كم ارائه كرد. در برسي هاي فوق الذكر،آنها يك استيج پر فشار با يك نسبت تقريبا” ۱٫۵ را مطاله كردند.يك توربين نيروي هوايي/ Garentt با نسبت كم (LART) بايك نسبت تقريبا”۱٫۵ براي اين بررسي استفاده گرديد. يك مجموعه تونل باد لوله مانند براي شوك مشابه در برسي هاي اوليه استفاده گرديد.شكل ۶-۲ طرحي از استيج LART رانشان ميدهد.عدد ورودي ،فشار كلي،دماي كلي وجريان وزن بر روي شكل نشان داده مي شوند. اندازه گيري ها براي توپي NGV و ديواره هاي انتهايي نوك و پره روتور براي اين استيج بدست آمدند.

 

شكل ۷-۲ توزيع هاي فشار اندازه گيري شده بر روي NGV وخطوط مياني روتور را نشان مي دهد. توزيع هاي فشار بطور واضح بالا ترين و پايين ترين محل هاي سرعت NGV وسطوح پره در امتداد خط مركزي را نشان مي دهند.
شكل ۸-۲ توزيع عدد stanton را براي خط مياني NGV نشان مي دهد.خطوط پر و خط چين طرح توزيع هاي عدد stanton محاسبه شده را بر اساس روابط صفحه تخت لايه اي و تلاطم به ترتيب نشان مي دهند. بالا ترين عدد stanton در محدوده فاصله سطح بر روي سطح فشار رخ مي دهد. آنگاه عددstanton به سرعت بر روي سطح فشار تا حدود نصف مقدار در فاصله سطح، ۱۱% افت مي كند وسپس بتدريج بر روي سطح فشار كل تا دنباله لبه افزايش مي يابد.توزيع هاي فشار آشكار ميباشد كه جريان سطح فشار در ۵۰% فاصله سطح اوليه

خيلي آهسته است و سپس سرعت به طرف دنباله لبه زياد مي شود. اين رفتار در عدد stanton به انتقال لايه مرزي تلاطم – لايه اي معروف مي باشد كه در حدود فاصله سطح ۶% رخ مي دهد(نسبت داده مي شود). وقتي انتقال در فاصله سطح ۲۵% كامل مي شود،عدد stanton بتدريج بطرف دنباله لبه كاهش مييابد. از اين روابط، بنظر مي رسد كه سطوح فشار و مكش داراي لايه هاي مرزي تلاطم قوي هستندو اعداد stanton پيش بيني شده خيلي كمتر از مقادير اندازه گيري شده هستند.