بررسی عددی اثرات جریان نشتی از نوک پره توربین گاز محوری
چکیده
با توجه به نیاز روز افزون به تولید انرژی با بازده بالا که بخش عمده ای از آن از توربین های گازی تامین می شود، در طول سالیان گذشته پژوهش های متعددی در این زمینه انجام شده است. اما با توجه به پیچیدگی بسیار جریان روی پره ها و محدودیت های مختلف ، همچنان شبیه سازی عددی و اندازه گیری آزمایشگاهی جریان در مناطق حساس توربین گاز موضوع تحقیقات امروزی است. پس از دهه ها تحقیق ، امروزه افزایش بیشتر کارایی توربین مشکل و مشکل تر شده است و نیاز به درک عمیقی از میدان سه بعدی و پیچیده ی جریان دارد. تحقیق حاضر به بررسی فیزیک جریان در ناحیه ی نوک پره به کمک شبیه سازی عددی در یک نرم افزار تجاری می پردازد. نوک پره های روتور توربین گاز نه تنها یکی از عوامل اصلی تولید افت آیرودینامیکی هستند، بلکه عاملی محدود کننده برای عمر پره نیز محسوب می شوند. لقی بین نوک پره و بدنه در حضور اختلاف فشار بین دو سمت فشاری و مکشی پره موجب می شود جریان نشتی با شتاب بالا از این گپ عبور کند. تقابل این جریان با جریان اصلی مجرا در سمت مکشی پره باعث ایجاد گردابه ی نشتی و تولید افت زیاد می شود ؛ از طرف دیگر سرعت بالا و اصابت جریان داغ به سطح پره، ضریب انتقال حرارت بالایی را روی نوک پره ایجاد می کند. در این پایان نامه، هندسه ی نوک حفره دار که در مطالعات قبلی نسبت به طرح های دیگر در کنترل جریان نشتی موفق تر و عملی تر تشخیص داده شده است، با هندسه ی تخت برای عمق های مختلف حفره، لقی های بین 1 تا 3% پهنای پره و نیز دو زاویه برخورد خارج از نقطه طرح مقایسه شده و توزیع کمیت های دبی نشتی، افت جریان در طول مجرا و در صفحه ی خروجی، زاویه ی خروجی گاز و ضریب انتقال حرارت مورد تحلیل قرار گرفته است. شبیه سازی ها در حالت ردیف پره ی خطی و منطبق با یک تحقیق آزمایشگاهی انجام گرفته است. توزیع انتقال حرارت روی نوک و توزیع فشار در مقطع میانی پره توافق قابل قبولی با داده های آزمایشگاهی نشان می دهد. پس از مقایسه ی چند مدل آشفتگی، مدل دومعادله ای در پیش بینی انتقال حرارت عملکرد بهتری نشان داد. نتایج نشان می دهد با افزایش لقی کمیت های افت جریان ، دبی نشتی و انحراف گاز خروجی بصورت خطی افزایش می یابد که شیب افزایش با افزایش ارتفاع شیار کاهش یافته است. نوک های حفره دار در همه ی لقی ها مقدار این کمیت ها را کاهش می دهند. در هر لقی ارتفاع مناسبی برای شیار وجود دارد که کمترین افت را ایجاد می کند. ارتفاع شیار 1/2% در لقی های کوچک و ارتفاع شیار 2/4% در لقی 3% کارایی بهتری نشان می دهند، بطوری که در لقی 5/2% هر دو ارتفاع تقریبا کاهش افت یکسانی ایجاد می کنند. نتایج حل حرارتی نشان می دهد با افزایش لقی مقدار متوسط کلی ضریب انتقال حرارت روی سطح نوک تخت، تا لقی 2% افزایش و در لقی های بزرگتر کاهش می یابد. برای هندسه های شیاردار این کمیت افزایش اما شیب افزایش آن با افزایش لقی کاهش یافته است. متوسط ضریب انتقال حرارت نوک های شیاردار در تمامی حالات کمتر از مقدار آن برای نوک های تخت است و مقدار آن با افزایش ارتفاع شیار کاهش می یابد. طبق نتایج حاصله، برای پروفیل پره ی مورد مطالعه در این تحقیق، مقدار ضریب انتقال حرارت نوک پره نسبت به کمیت های آیرودینامیکی بیشتر تحت تاثیر تغییر ارتفاع شیار نوک پره قرارمی گیرد