انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی

انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی
انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی
170,000 ریال 
تخفیف 15 تا 30 درصدی برای همکاران، کافی نت ها و مشتریان ویژه _____________________________  
وضعيت موجودي: موجود است
تعداد:  
افزودن به ليست مقايسه | افزودن به محصولات مورد علاقه

تعداد صفحات : 210 صفحه _ فرمت word و PDF _ به علت زیاد بودن حجم فایل برای دریافت پایان نامه لطفا مبلغ مورد نظر را از طریق منوی " آسان پرداخت " پرداخت کرده و با یکی از شماره های پشتیبانی تماس بگیرید تا بلافاصله ارسال شود.

مهمترین سرفصلهای تحقیق

فهرست مطالب:

مقدمه………۱

خنک سازی توربین بعنوان یک تکنولوژی کلیدی برای بهینه سازی  موتورهای توربین گازی……۷

چالش های خنک سازی برای دماهای پیوسته درحال افزایش گاز ونسبت فشارکمپرسور…….۸

تکنیک های خنک سازی استفاده شده متداول…….۱۴

تاثیر خنک سازی…..۱۸

مشکلات خنک سازی….۲۲

ترکیب پوشش های حصار حرارتی و خنک سازی….۳۰

فرایند بهبود خنک سازی ایرفویل…..۳۲

تعریف پارامترهای شباهت انتقال جرم و حرارت اصلی…..۳۵

کنش متقابل انتقال جرم – حرارت در لایه مرزی ایرفویل…..۳۶

نقش تشابه در رقابت تجربی حرارت ایرفویل توربین و انتقال جرم…..۴۲

موضوعات انتقال حرارت گذرا و پایدار در بخش داغ موتور……۴۴

دمای فلز و تاثیر آن روی عمر اجزای توربین…..۴۶

موضوعات مربوط به تغییرمکان های دمایی گذرای روتوربه استاتوروکنترل فاصله نوک آزاد……۴۸

خنک سازی نازل توربین…..۵۶

تقابل با محفظه احتراق……۵۸

انتقال حرارت پره……….۶۵

     -خمیدگی……………۶۹

     -تاثیرات ناهمواری…۷۴

     -اغتشاش………….۷۶

خنک سازی فیلم پره……۷۶

     -نسبت دمش……….۸۶

     -انحنای سطح……..۸۷

     -گرادیان فشار…….۸۸

     -آشفتگی جریان اصلی….۸۹

     -شیارهای خنک سازی فیلم……۹۱

     -تجمع فیلم…..۹۲

     -تاثیر تزریق هوای خنک سازی فیلم روی انتقال حرارت سطح…۹۴

موضوعات خنک سازی دیواره نهایی….۹۵

خنک سازی تیغه توربین…..۱۰۰

تاثیرات سه بعدی ودورانی روی انتقال حرارت تیغه….۱۰۲

     -نیروهای دورانی….۱۰۲

     -تاثیرات سه بعدی…۱۰۵

پروفایل دمای گاز شعاعی….۱۰۶

تاثیرات ناپیوستگی……۱۰۷

تکنیک های خنک سازی درونی تیغه…..۱۰۹

     -گذرگاههای درونی هموار….۱۱۱

     – تیرک ها/فین ها (نوارهای زاویه دار یا طولی)……۱۱۳

     -پین فین ها….۱۲۱

     -تاثیر جت ….۱۲۸

     -جریان گردابی…۱۳۸

     -خنک سازی فیلم…..۱۴۱

موضوعات خنک سازی سکو و راس …..۱۴۴

خنک سازی ساختارهای روتور و استاتور…..۱۴۸

     -منبع خنک سازی و سیستم های هوای ثانویه …..۱۴۸

بافر کردن مجموعه دیسک و روشهای خنک سازی دیسک…..۱۵۳

خنک سازی ساختارحفاظتی نازل و جایگاه توربین….۱۵۸

خنک سازی  محفظه احتراق……۱۶۱

     -تاثیر تحول طراحی  محفظه احتراق روی تکنیک های خنک سازی….۱۶۱

خنک سازی تعریق……۱۶۷

خنک سازی نشتی….۱۶۹

همرفتی بخش پشتی افزوده…..۱۷۳

پوشش دهی حصار حرارتی….۱۷۷

انتقال حرارت تجربی پیشرفته و معتبر سازی خنک سازی…..۱۷۹

ارزیابی انتقال حرارت بیرونی و تکنیک های معتبر سازی خنک سازی…۱۸۰

     -رنگ حساس به فشار….۱۸۲

     -ارزیابی غیر مستقیم آشفتگی…۱۸۵

ارزیابی های انتقال حرارت و جریان داخلی….۱۸۸

شبیه سازی انتقال حرارت مزدوج و معتبر سازی در یک آبشار داغ……۱۹۴

     -معتبر سازی تاثیر خنک سازی تیغه در آبشار داغ….۱۹۴

شرایط مرزی تجربی دیسک توربین…..۲۰۰

تائید خنک سازی در یک آزمون موتور….۲۰۴

     -ابزار بندی متعارف….۲۰۴

     -پیرومتر درج شده درگاه بروسکوب…..۲۰۵

     -رنگ های حرارتی دما بالا…..۲۰۶

بررسی های چند نظامی در انتخاب سیستم خنک سازی توربین…..۲۰۷ 

 

مقدمه
اين فصل عمدتاً روي موضوعات انتقال جرم و حرارت تمركز مي يابد چون آنها براي خنك سازي اجزا ي دستگاه توربين بكار مي روند و انتظار مي رود كه خواننده با اصول مربوطه در اين رشته ها آشنايي داشته باشد. تعدادي از كتابهاي فوق العاده (1-7) در بررسي اين اصول توصيه مي شوند كه شامل Streeter، ديناميك ها يا متغيرهاي سيال Eckert و Drake، تجزيه و تحليل انتقال جرم و حرارت، Incropera و Dewitt، اصول انتقال حرارت و جرم, Rohsenow و Hartnett، كتاب دستي انتقال حرارت, Kays، انتقال جرم و حرارت همرفتي, Schliching، تئوري لايه مرزي، و Shapiro، ديناميك ها و ترموديناميك هاي جريان سيال تراكم پذير.
وقتي يك منبع جامع اطلاعات موجود باشد. مولف اين فصل خواننده را به چنين منبعي ارجاع ميدهد. با اين وجود وقتي داده ها در صفحات يا مقالات گوناگون پخش شده باشند, مولف سعي مي كند كه اين داده ها را در اين فصل بطور خلاصه بيان نمايد.

فهرست اسامی نمادها
a- سرعت صورت
b- بعد خطي در عدد دوراني
A-    منطقه مرجع, منطقه حلقوي مسير گاز
Ag – سطح خارجي ایرفویل
  - عدد شناوري
BR,M- نرخ وزش
CP- حرارت ويژه در فشار ثابت
d-قطر هيدروليكی
e- ارتفاع آشفته ساز
  -عدد اكرت
g- شتاب جاذبه زمین
FP= پارامتر جريان براي هواي خنك سازي
G= پارامتر ناهمواري انتقال حرارت
Gr=   - عدد گراشوف
h- ضريب انتقال حرارت
ht- ضريب انتقال حرارت افزايش يافته با آشفته سازها
  - نسبت شار اندازه حركت
k- رسانايي حرارتي
  -رسانايي حرارتي سيال
L-طول مرجع
m-نرخ جريان جرم
mc- نرخ جريان خنك سازي
M=  - نرخ دمش
Ma= V/a- عدد ماخ
rpm وN- سرعت روتور
NUL= hL/kf- عدد نوسلت
Pr=   -عدد پرانتل
PR= نسبت فشار كمپرسور
Ps=فشار استاتيك
Pt= فشار كل
Ptin-فشار كل ورودي
Q- نرخ انتقال حرارت- نرخ انتقال انرژي
 - شار حرارتي
p- شيب بام آشفته ساز
r- وضعيت شعاعي
R- شعاع ميانگين, شعاع محفظه احتراق (كمباستر), مقاومت, ثابت گاز
Ri-شعاع موضعي تیغه
RT- شعاع نوك تیغه
Rh=شعاع توپي يا مرکز تیغه
Red=   - عدد رينولدز براساس قطر هيدروليکی d
ReL=  - عدد رينولدز براساس L
Ro= b/U  - عدد دوراني
Ros= 1/Ro- عدد Rossby
s-فاصله سطح نرمال شده
St- عدد استانتون
t- زمان
Tc- دماي هواي خنك سازي و نيز دماي تخليه كمپرسور
Tf- دماي فيلم سطح
Tg- دماي گاز
Tgin- دماي گاز ورودي
Tm- دماي فلز و نيز دماي لايه مخلوط سازي
Tref- دماي مرجع
Tst- دماي استاتيك موضعي
Tu- شدت جريان آشفتگي
 - نوسان سرعت محوري محلي
uin- سرعت گاز  ورودي
U,V,W- مولفه هاي سرعت جريان خنك سازي يا جريان اصلي در جهات  z, y, x
w- پهنا
 - زوايه شيب جت فيلم
 - زاويه بين فيلم جت و محورهاي جريان اصلي
 - نسبت حرارتي ويژه
 - ضريت حجمي انبساط حرارتي, همواري سطح
 - قابليت انتشار حرارتي گردابي
  - قابليت انتشار اندازه حركت گردابي
 - تاثير انتقال حرارت
 - تاثير خنك سازي
 - بارزه حرارتي
  - ويسكوزيته مطلق گاز
 - چگالي
 - حد تنش گسيختگي
 - فركانس دوراني
زير نويس ها
aw- ديوار آدياباتيك                     d- براساس قطر لبه هدايت كننده (سيلندر)
b- جسم                                   o-كل                                                    
C- خنك كننده                          w-ديوار
 - ویژگی جريان اصلي(جریان آزاد)tur-توربين
f- فيلم                                    hc- آبشار داغ  


خنك سازي توربين بعنوان يك تكنولوژي كليدي براي بهینه سازی موتورهاي توربين گازي
عملكرد يك موتور توربين گازي تا حد زيادي تحت تاثير دماي ورودي توربين مي باشد و افزايش عملكرد قابل توجهی را مي توان با حداكثر دماي ورودي مجاز توربين بدست آورد. از نقطه نظر عملكردي، احتراق با دماي ورودي توربين در حدود  مي تواند يك ايده ال به شمار آيد چون هيچ كاري براي كمپرس كردن هواي مورد نياز براي رقيق كردن محصولات احتراقي به هدر نمي رود. بنابراين روند صنعتي جاري, دماي ورودي توربين را به دماي استوکیومتری سوخت  بخصوص براي موتورهاي نظامي, نزديكتر مي كند. با اين وجود دمای مجاز اجزای فلزی نمي تواند از  تخطی كند. براي كاركردن در دماهاي بالاي اين حد, يك سيستم موثر خنك سازي اجزا مورد نياز است. پيشرفت در خنك سازي, يكي از ابزار اصلي براي رسيدن به دماهاي ورودي توربين بالاتر مي‌باشد و اين امر به اصلاح عملكرد و بهبود عمر توربين منتهي مي شود. انتقال حرارت يك عامل مهم طراحي براي همه بخش هاي يك توربين گاز پيشرفته بخصوص در بخش هاي توربين و محفظه احتراق مي باشد. در بحث وضعيت خنك سازي مصنوعي بخش داغ، بايد به خاطر داشته باشيد كه طراح توربين مرتباً تحت فشارهاي شديد برنامه زمانبدي توسعه, قابليت پرداخت, دوام و انواع ديگر محدوديت هاي درون نظامي مي باشد و همه اينها قوياً انتخاب يك طرح خنك سازي را تحت تاثير قرار ميدهند.
چالش هاي خنك سازي براي دماهاي پيوسته در حال افزايش گاز و نسبت فشار كمپرسور
پيشرفت در موتورهاي توربين گاز داراي توان ويژه بالا و بازده بالاي پيشرفته نوعاً با افزايش در دماي عملكرد و نسبت فشار كل كمپرسور ارزيابي مي شود. رايجترين موتورهاي تك چرخه اي با نسبت‌هاي فشار بالاتر و دماهاي گاز بالاتر به شكل متناسب مي تواند توان بيشتري را با همان اندازه و وزن و بازده سوخت موتور كلي بهتر بدست آورد. موتورهاي داراي بهبود دهنده ها از لحاظ ترموديناميكي از نسبت هاي فشار بالاي كمپرسور, بهره نمي برند. آلياژهاي پيشرفته براي ایرفویل های توربين مي تواند به شكلي ايمن در دماهاي فلز كمتر از      عمل كرده و آلياژها براي صفحات و ساختارهاي ساكن به   محدود مي شوند. ولي توربين هاي گازي مدرن در دماهاي ورودي توربين عمل مي كنند كه بالاي اين محدوده هاست. همچنين يك تفاوت قابل توجه در دماي عملكردي بين توربين هاي هواپيماي پيشرفته و توربين هاي صنعتي وجود دارد. اين نتيجه تفاوتهاي اصلي در عمر, وزن, كيفيت سوخت به هوا و محدوديت هاي مربوط به بیرون دهی هامي باشد.
براي موتورهاي هوازي پيشرفته, دماهاي ورودي روتور توربين نزديك به   و نسبت هاي فشار كمپرسور در حدود 40:1 تبديل به يك واقعيت شده است. توان ويژه بالا كه براي اين نوع از موتورها, هدف عمده مي باشد, در راستای بازده ی بالا بدست مي‌آيد. چنين شرايط اجرايي بطور ذاتي نيازمند نظارت هاي مرتب از موتور و نظارت براي سلامت پيوسته آن مي باشد.
براي موتورهاي صنعتي, الزامات شامل دوام دراز مدت بدون نظارتهاي مرتب و تعميرات كلي مي باشد. نوعاً اجزای صنعتي اصلي حداقل 30000 ساعت بين تعميرات دوام مي آورند و داراي توان بالقوه براي تعمير هستند كه ميتوان عمر موتور را تا 100000 ساعت توسعه داد. اين با عمر اجزای توربين هواپيما كه تنها چند هزار ساعت است مقايسه مي شود.
اين فاكتور و نيز فشار تخليه كمپرسور كه بايد كمتر از فشار منبع سوخت خط لوله گاز موجود باشد, به يك مادي ورودي پره توربين تقريباً بالا منتهي مي شود. حد TRIT براي يك توربين گاز صنعتي پيشرفته در دامنه 1260 تا oc 1370  توسعه مي يابد.
 
  شکل 1 تاريخچه اخير افزايش پيوسته TRIT و نسبت هاي فشار كمپرسور را به تصوير مي كشد. اين روند دمايي در حال افزايش باعث مي‌شود و دما هاي عملكردي گاز تا حد قابل توجهي از حدهاي قابل قبول فراتر برود اين مستلزم كاربرد خنك سازي در اجزای بخش داغ موتور بخصوص در اجزایی مي باشد كه در معرض محيط داراي دماي بالاتر هستند. هواي نسبتاً سرد از تخليه كمپرسور و در برخي موارد, از مراحل كمپرسور مياني, منبع متعارف براي خنك كردن اجزای توربين مي باشد. بعد از انجام وظيفه خنك سازي, اين هوا به جريان اصلي تخليه مي شود. هواي خنك سازي تخليه شده در هر مرحله خاص خنك سازي عملاً هيچ كاري را در اين مرحله تا قبل از شدت يافتن, تا سرعت  جريان اصلي, انجام نمي دهد. اين به افت هاي قابل توجه در كار موتور منتهي مي شود. بطور خلاصه, نقاط ضعف سيستم خنك سازي با هواي آزاد شامل تاثير خنك سازي نسبتاً كم مي باشد و افت قابل توجه انجام كار براي كمپرس هواي خنك سازي و افت هاي مخلوط كردن بازده آيروديناميك توربين را کاهش میدهد. مزيت اصلي سيستم خنك سازي هواي باز آن را به رايج ترين نمونه براي توربين هاي گازي به خاطر سادگي آن در مقايسه با يك سيستم خنك سازي بسته تبديل كرده است.
با توجه به نسبت هاي فشار هواي كمپرس شده براي موتورهاي هوايي كه از 30:1 تجاوز كرده و به 40:1 مي رسد, دماي هواي تخليه كمپرسور به    مي‌رسد. اين يك مشكل مهم را در استفاده از اين هوا براي خنك كردن ديسك هاي توربين استاتورها و مجاورت مراحل آخر روتور كمپرسور با در نظر گرفتن اين مطلب كه قابليت دماي ماده براي اين اجزا به    محدود شده است, ايجاد مي نمايد. كاربرد يك هواي كم دماتر از يك سري مراحل كمپرسور مياني مي تواند مفيد باشد و اين در صورتي است كه اين هوا داراي فشار كافي بیشتر از فشار بيروني اجزای خنك شده باشد. در برخي موارد, دماي هواي تخليه را مي توان در يك مبدل حرارت بيروني مثلاً با استفاده از يك مدار خنک ساز در موتورهاي هوا يا آب در توربين هاي صنعتي داراي چرخه مركب, كاهش داد.
يك سيستم خنك سازي بسته كه در آن خنك ساز مرتباً در يك حلقه بسته مي چرخد بازده بيشتري را بدست مي دهد ولي اين جايگزين پيچيده تري براي سيستم باز مي باشد. سيستم هاي  حلقه بسته كه در آنها از خنك سازهاي فلزي مايع استفاده مي شود براي كاربردهاي فضايي شناخته شده اند. سيستم های خنك سازي بخار بسته كه چندين دهه قبل آزمايش شده اند, عموميت خود را براي توربين هاي گازي صنعتي با كار سنگين بخصوص در طرح هاي توليد نيروي چرخه مركب بدست آورده اند.
پيشرفت در تكنولوژي خنك سازي به همراه پيشرفت هايي در مواد داراي دماي بالا براي رسيدن به دماهاي ورودي بالاتر توربين يك ابزار مهم مي باشند. سيستم هاي خنك سازي بايد براي تضمين اين مطلب طراحي شوند كه دماهاي حداكثر اجزا و گراديان هاي دمايي تجربه شده در طول عملكرد موتور سازگار با حداكثر تنش القا شده توسط عمر عملكردي اجزا مي‌باشد.
طراحي سيستم خنك سازي و فرايند توسعه به تجربه طراحي نوآورانه كه با روشهاي تحليلي اثبات شده و داراي تسهيلات تجربي و نيز مواد پيشرفته و تكنيك هاي توليد مي باشد نياز دارد. كه اين اعتماد لازم براي پيش بيني تاثير دماي اجزای توربين روي عمر و عملكرد موتور را توسعه مي دهد.
يك چالش طراحي اصلي در كسب بازده بالا, به حداقل رساندن سرعت جريان هواي خنك سازي توربين با بهترين پتانسيل خنك سازي آن براي اجزای خواسته شده مي‌‌باشد.
يك فاكتور مضاعف كه بايد در نظر گرفته شود بخصوص در محيط هاي صنعتي, كيفيت هوا/ سوخت مي باشد. كه اغلب باعث فرسايش پوشش هايي است كه اجزای بخش داغ را حفاظت مي كند. عملكرد در چنين محيطي به مسيرهاي خنك سازي بزرگتر براي اجتناب از بسته شدن يا بلوكه  شدن آنها نياز دارد.
اجزای توربين گاز اصلي كه نوعاً به خنك سازي نياز دارند شامل:
-پره هاي نازل مرحله 1 و مرحله 2
-تیغه هاي مرحله 1
-ساختار حفاظتي نازل ها و بخش هاي تیز (ديافراگم ها وبدنه نازل) 
-مونتاژهای دیسک / روتور توربین
-لینر هاي محفظه احتراق
علاوه بر كاهش دماي اجزا, نقش مهم ديگري براي سيستم خنك سازي, كنترل مستقیم یا غیر مستقیم وضعيت نسبي روتور و استاتور و حفظ شفافيت تیغه  توربين مي باشد.

تكنيك هاي خنك سازي استفاده شده متداول
رايجترين تكنيك هاي خنك سازي، بنا به دلايل فوق الذكر، مبتني بر كاربرد هواي تخليه شده از كمپرسور يا مراحل مياني مي باشد شكل 2 بخش داغ نوعی توربين با عوامل اصلي توربين و سيستم خنك سازي محفظه احتراق را به تصوير مي كشد. جريان نزولي هواي خنك سازي توربين در محفظه احتراق باعث نارسايي عملكرد توربين مي شود چون كار كمتري از هواي خنك سازي كمپرس شده استخراج مي شود. در همين زمان هواي كاهش يافته ،خنك سازي لینر محفظه احتراق و كنترل تخلیه را مشكل تر مي سازد. اين يك چالش اصلي براي طراحي سيستم خنك سازي است. يك سيستم را انتخاب كنيد كه به حداقل مقدار هواي خنك سازي براي رسيدن به دماي مورد هدف اجزای توربين نياز داشته باشد و كمترين تاثير منفي روي دوام موتور، عملكرد, وزن, تخلیه، هزينه و پيچيدگي توليد را بوجود مي آورد. خارج از اين ويژگي هاي موتور, كاهش وزن يك معيار اصلي طراحي براي موتورهاي هوايي بوده و دوام دراز مدت و كاهش تخلیه اغلب عوامل مورد هدف مهم براي موتورهاي صنعتي هستند.
پره هاي نازل اين مرحله در بالاترين دماهاي چرخه ي گاز عمل كرده و تيغه ها تركيبي از دماهاي بالا و بارهاي گريز از مركز را تجربه مي كنند. به همين ترتيب, خنك سازي، پر چالش ترين وظيفه را در طرح سيستم خنك سازي توربين انجام مي دهد.
بارهاي حرارتي متداول براي تيغه ها (شرايط مرزي حرارتي در سطوح بيروني) را مي توان به يك شكل ساده شده بعنوان يك تركيبي از ضرايب انتقال حرارت محلي و دماهاي نسبي گاز ورودي روتور  توربين (TRIT) ارائه داد.
خنك سازي دروني ایرفویل براي بارهاي حرارتي داراي توازن معكوس به منظور حفظ دماهاي فلز در يك سطح قابل قبول انجام مي شود. (شكل 3).
 
 
تعدادي از تكنيك هاي خنك سازي پيچيده براي رساندن دماهاي گاز به حدی بالاتر از حد دماي ماده نزديك به   توسعه يافته اند. اين تكنيك هاي خنك سازي را مي توان به سه گروه تقسيم كرد:
1-خنك سازي رسانايي دروني كه در آن خنك سازي با رسانايي انجام مي شود (بدون ارائه تاثير خنك سازي بيشتر با صرف هوا). اين الگو را مي توان به شش گروه فرعي تقسيم كرد:
(a)    كانال هاي هموار
(b)     گذرگاه دروني افزايش يافته, با باريكه هاي طولي
(c)    كانال هايي با باريكه هاي زاويه دار و يا نرمال (نواري)
(d)    كانال هايي ارتقاء يافته با پايه ستون ها يا پین فین ها
(e)     خنك سازي تاثیری جت با يا بدون جريان عرضي
(f)    جريان مارپيچي خنك ساز
2- فيلم خنك سازي بيروني كه در آن خنك ساز يك فيلم حفاظتي روي سطح اجزا را ايجاد مي كند. در اكثر موارد اين نوع از خنك سازي با همرفتي دروني مزدوج مي شود و از هواي خنك سازي صرف شده براي حفاظت فيلم استفاده مي كند. يك توجه خاص بايد به خنك سازي فيلم مجاور لبه هدايت كننده معطوف گردد كه تحت عنوان روش خنك سازي راس یا تیزی شناخته مي شود.
3-خنك سازي تعريقی كه در آن خنك ساز از طريق يك ديوار سوراخ دار به سطح ایرفویل نفوذ مي كند، موثرترين نمونه خنك سازي هوا مي باشد ولي داراي محدوديت هاي خاصي بخاطر اندازه كوچك سوراخ ها و مشكل بالقوه بلوكه شدن شان مي باشند. همچنين افت هاي ايرو ديناميكي مي‌تواند بخاطر تزريق جريان هواي كم سرعت  خنك سازي در لايه مرزي جريان اصلي مهم باشد. با اين وجود، وقتي اين تكنيك براي يك پوشش محفظه احتراق به شكل خنك سازي خروجي با استفاده از مقدار قابل توجهي از هواي خنك سازي به كار برده شود، محدوديت فوق الذكر، مرتبط نمي باشد چون هوا را مي توان از طريق سوراخ هاي نسبتاً بزرگ كه بعداً با جريان اصلي داراي سرعت  جريان كمتر تركيب مي شود تخليه كرد.
تاثير خنك سازي
چالش اصلي در توسعه يك سيستم خنك سازي حمايت از بالاترين دماي گاز ورودي توربين و الزامات عمر با استفاده از حداقل مقدار هواي خنك سازي است. تاثير خنك سازي كه بصورت   تعريف مي شود معيار اصلي در زماني است كه تكنيك هاي خنك سازي متفاوت در نظر گرفته مي شود. در تفاوت مشخص بين دماي گاز محلي   و دماي هواي خنك سازي  , تاثير خنك سازي خواسته شده مستقيماً متناسب با يك   معين بين T gو دماي اجزای  فلزی  مي باشد. منحني  های تاثير خنك سازي معمولا بعنوان روابط تجربي با جريانات خنك سازي نمايان مي شوند. متداولترين عملكرد استفاده از پارامتر جريان  مي‌باشد.
 
 شکل 4 تاثير تركيبات مختلف تكنيك هاي خنك سازي تيغه را مقايسه مي كند. تاثير خنك سازي رسانايي متعارف معمولاً TRIT را در   محدود مي كند. خنك سازي لبه هدايت كننده تيغه توربين تاثير را ارتقا مي دهد و به TRIT اجازه مي دهد تا به  برسد.
پيشرفت هاي اخير در خنك سازي لبه هدايت كننده كه مبتني بر جريان هواي خنك سازي گردابي در گذرگاه تيغه مي باشد براي افزايش اين حد تا   مورد انتظار مي باشد. افزايش بيشتر در TRIT نياز به تركيب همرفتي و خنك سازي فيلم دارد و بنابراين تكنولوژي حاضرحد دماي ورودي براي توربين هاي صنعتي را به  و موتورهاي هوايي پيشرفته را به   مي رساند .
همرفتي دروني و خنك سازي فيلم يا تركيبات آنها تكنيك هايي هستند كه عموماً براي خنك سازي ایرفویل توربين بكار مي روند. خنك سازي همرفتي دروني ایرفویل كه داراي يك مبناي علمي مشترك با تبادل گرهاي گرما مي باشد بطور كامل براي چندين دهه مورد مطالعه قرار گرفته و امكان انجام پيش بيني هاي تحليلي دقيق تر را فراهم آورده است. خواننده برخي جزئيات و دستورالعمل هاي طرح را براي كاربردهاي خاص خنك سازي دروني در بخش هاي بعدي اين فصل خواهد يافت.
عليرغم پيشرفت هاي آن و توليد مطلوب و موضوعات مربوط به هزينه, خنك سازي دروني معمولاً براي ایرفویل توربين مرحله اول در حال كار در موتورهاي پيشرفته داراي دماي بالاي كافي نمي باشد. وقتي دماهاي محلي گاز از  تجاوز كند, خنك سازي دروني نمي تواند كاهش دماي فلز كه در خنك سازي فيلم پيشرفته قابل دستيابي مي باشد را ارائه دهد. تركيبي از خنك سازي فيلم و خنك سازي دروني را براي بدست آوردن تاثير خنك سازي مورد نظر در برمي گيریم. با در نظر گرفتن تاثير عمر ويژه در دماهاي مجاز اجزای فلزی ، يك تاثير خنك سازي بالاتر براي اجزای مشابه در توربين هاي صنعتي داراي عمر طولاني تر در مقايسه با موتورهاي هوايي مورد نياز مي باشد. به راحتي مي توان نتيجه گرفت كه يك تكنيك خنك سازي زماني كه افزايش قابل توجهي در جريان خنك سازي در مقابل تاثیر خنک سازی کمی دارد نا كافي مي شود. يك  ويژه بين گاز داغ محلي و دماهاي اجزای فلزی خنك شده زمانی با يك تاثير خنك سازي مطلوب متناسب مي باشد كه بتوان براي هر تكنيك خنك سازي ويژه در جريان خنك سازي مجاز به آن رسید.
با سطوح فشاري منبع هواي خنك سازي موجود در توربين ها و دماي هواي پيوسته در حال افزايش در تخليه كمپرسور، خنك كردن ایرفویل بصورت همرفتي فراتر از يك سطح تاثير خنك سازي ميانگين 0.5 مشكل مي باشد. اين سطح نشان ميدهد كه دماي اجزای فلزی بين هواي خنك سازي و دماي گاز در حد ميانگين قرار دارد. اين همچنين بدان معناست كه افزايش در دماي گاز تا  باعث افزايش دماي اجزای فلزی خنك شده تا  و كاهش عمر اين اجزا تقريباً تا نصف مي باشد. همچنين با تاثير خنك سازي همرفتي بالا، گراديان هاي دماي اجزای فلزی بسيار بزرگ بوده، و بنابراين باعث بروز مشكلاتی براي تنش حرارتي محلي مي شود. وقتي براي خنك سازي تركيب دماي گاز توربين, دماي خنك ساز و دماي فلز مجاز نياز به سطح تاثير بالاتري باشد, خنك سازي فيلم عمدتاً به كار مي رود. گرچه هواي خنك سازي فيلم براي حفاظت سطح لايه نازك هوا از گاز داغ استفاده شودو اين عملكرد خنك سازي همرفتي خيلي مهمی را در سوراخ هاي تخليه فيلم انجام مي دهد. موثرترين سيستم خنك سازي فيلم دروني و همرفتي دروني را تركيب مي كند. در وضعيت ايده ال كه در آن خنك سازي فيلم به خنك سازي تعرق مي رسد، دماي هواي منبع خنك سازي فيلم بايد به دماي فلز مورد هدف نزديك باشد.
تاثير خنك سازي در اين مورد مي تواند به 1 نزديك باشد. با اين وجود, اين به جريانات خنك سازي بزرگ و رديف هاي چندگانه سوراخ هاي فيلم براي رسيدن به پوشش كامل فيلم در اجزای بدون تخريب تاثير خنك سازي فيلم بين سوراخ ها نياز دارد.
مشكلات خنك سازي
براي يك توربين صنعتي پيشرفته, جريان هواي خنك سازي به ترتيب 20-25% كل جريان كمپرسور مي باشد. اين كميت بزرگ هوا يك منبع افت مهم براي عملكرد چرخه بطور كامل بوده و داراي 3 تاثير مي باشد كه بطور نسبي به اصلاح عملكرد توربین در متعادل کردن دماي ورودي بالا متمايل است.
موضوع اول اين است كه هواي استفاده شده براي خنك سازي با يك دماي كمتر وارد توربين مي شود و دماي جريان نزولي محفظه احتراق را كاهش مي دهد. بنابراين براي انتقال يك توان ویژه, موتور بايد در دماي ورودي بالاتری توربين كار كند كه مي تواند يك موتور خنك نشده باشد. موضوع دوم اين است كه كنارگذرهاي هواي خنك سازي محفظه احتراق، در نهايت به چالش هاي بزرگتری براي كنترل بیرون دهی منتهي مي شود و توزيع دماي مطلوب در بخش خروجي محفظه احتراق را ايجاد مي نمايد. سومين مورد با افت هاي آيروديناميكي ارتباط دارد و اين زماني است كه هواي خنك سازي دوباره با جريان گاز اصلي داراي سرعت  جريان بالا تركيب مي شود. افت آيرو ديناميك كه اغلب افت مخلوط كردن ناميده مي شود با تزريق خنك ساز در گذرگاه ایرفویل توربين بوجود مي آيد و مخلوط سازي متعاقب آن با جريان اصلي ايجاد مي شود. که عمدتاً بر حسب كاهش يا افت در فشار كل جريان اصلي گزارش مي شود. مراحل اصلي بايد براي به حداقل رساندن كميت هواي خنك سازي استفاده شده و افت هاي مرتبط با مصرف آن، به منظور حداكثر استفاده از دماي بالا چرخه, در نظر گرفته شود. اين مي تواند يك محدوديت شديد در درجه آزادي طرح باشد كه با آن خنك سازي انجام مي شود.
صرفنظر از اينكه چه نوع تكنيك خنك سازي استفاده مي شود،در خنك سازي فيلم و خنك سازي دروني, هواي مصرف شده بايد از ميان ديوار از طريق سطح ایرفویل يا از طريق امتداد لبه آن تخليه شود. بهمين دليل وقتي تكنيك خنك سازي به كار برده شده مبتني بر خنك سازي دروني باشد, تلاش براي بكار گيري هواي مصرفي براي حفاظت فيلم بايد انجام شود و بهمين دليل، وقتي خنك سازي فيلم به كاربرده مي شود براي مصرف هواي خنك تر براي خنك سازي همرفتي در راستاي كانال سوراخ هاي تخليه فيلم بايد تلاش شود.
دو هدف اصلي برای كاهش مشكل بايد در طول طراحي خنك سازي دروني ایرفویل در نظر گرفته شود.
1-تاثير تمرکز دماي جريان اصلي را با به كارگيري حداكثر پتانسيل،برای خنك سازي دروني و تخليه هواي مصرفي در دمايي كه به دماي مجاز فلز نزديك مي باشد, كاهش دهيد.
2-افت فشار در گذرگاه هاي خنك سازي دروني ایرفویل ناشی از تخليه هواي خنك سازي مصرفي در بخش فشار بالای جريان ایرفویل از گلوگاه يا از طريق لبه خروجي در سرعت  جرياني كه با سرعت  جريان اصلي هماهنگي دارد به حداقل برسانيد. اين باعث می شود افت هاي آيرو ديناميكي كاهش يافته و عملكرد توربين ارتقا یابد.
اين اصول طراحي اغلب زماني مطرح مي شود كه خنك سازي دروني براي لبه هدايت كننده به كار برده مي شود كه معمولاً از نظر حرارتي پربارترين بخش يك ایرفویل مي باشد. خنك سازي دروني لبه هاي هدايت كننده تيغه اغلب براي دماهاي ورودي بالا بخاطر هزينه هاي توليد كمتر آنها و حذف تمركز تنش در قبال خنك سازي فيلم ترجيح داده مي شود. تكنيك هاي خنك سازي دروني موثرتر مبتني بر خنك سازي گردابي براي اين منطقه از ایر فویل مورد نياز مي باشند. اين تكنيك ها نوعاً به افت فشاری بالاتر از هواي خنك سازي و هوايي كه بايد در جايگاههاي داراي مطلوبيت كمتر یا براي مشكلات آيروديناميكي در بخش مكش يا در لبه گردابي ایرفویل که در سرعت  جريانی كمتر از جريان اصلي مي باشد تخلیه شود نیاز دارد.
اطلاعات محدودي را مي توان در آثار مربوط به تاثير خنك سازي فيلم در افت هاي آيروديناميك بخصوص براي جريان ایر فویل توربين يافت كه با گراديان هاي فشار بالا و رديف هاي چندگانه القاء فيلم بدست آورد. شكل 5 و 6 يك داده خلاصه بدست آمده براي جريان هاي خنك سازي و مشكلات مرتبط با جايگاههاي متفاوت تخليه خنك سازي در طول پره نازل و تيغه توربين را نشان ميدهد.این داده ها به روشنی تاثیرنسبی کمی رابین هوای خروجی از جايگاه های جريان اصلي دارای ماخ پایین مثل نقطه آرامش یاسهم مهمی ازبخش فشاررا نشان میدهند.  با اين وجود يك تاثير معكوس بسيار قوي را مي توان در جايگاه های جريان اصلي دارای ماخ بالا مثل محل مكش، بخصوص محل نزديكتر به گلوگاه گذرگاه، مشاهده كرد.
در اصلاح تحليلي براي افت مخلوط شدن بخاطر دمش فيلم, براساس اين فرضيه كه خنك ساز تزريق شده با جريان اصلي به جاي باقي ماندن در لايه مرزي مخلوط مي شود،که توسطHartsel پیشنهاد شده، معادله افت فشار كلي يك بعدي ساده شده زير مطرح مي شود          
كه در آن
 
  فشار ورودي كلی
 نسبت دماهاي جريان اصلي و لايه خنك سازي مخلوط كننده
  نسبت جريان جرم خنك ساز به جريان کل اصلي
 زاويه تزريق
 افت در فشار كل جريان اصلي به خاطر تزريق، با كاهش زاويه تزريق كاهش مي يابد و مستقيماً متناسب با تعداد mach جريان اصلي مربع شده بود. و قوياً تحت تاثير سرعت دمش قرار دارد. وقتي زاويه تزريق كاهش مي يابد، تاثير نسبت دماي جريان اصلي به خنك ساز  براي نسبت هاي دمايي بالاتر افزايش يافته و براي نسبت هاي كمتر، قابل توجه تر است. داده هاي آزمون محدودی نشان داده اند كه اين پيش بيني افت بايد با توجه به نتايج آزمون ثابت و منطقي باشد. نتيجه مهم نمايي اين روش اين است كه يك دستورالعمل خاص را در جايگاه بهينه سوراخ هاي خنك سازي فيلم به دست مي دهد. مشخص است كه خنك سازي فيلم نزديك به نقطه آرامش و در سطح فشارایرفویل, افت هاي فشار كلي كوچكي را بدست خواهد داد در حاليكه خنك سازي فيلم در بخش مكش در نزديكي گلوگاه افت فشار كلي بالايي را بدست مي دهد.
اين موضوع اغلب بحث مي شود كه خروج لبه گردابي از جريان خنك سازي مي تواند افت هاي ايروديناميكي را با پر كردن مسير كاهش مي يابد. بررسي هاي متعدد يك تاثير مثبت تخليه خنك سازي در لبه گردابي را بخصوص زماني كه مقدار قابل توجهي از جريان خنك سازي با شار لحظه اي تخليه شده باشد, نشان ميدهد. با اين وجود, بخاطر موارد مربوطه هزينه و توليد, بخش عمده ای از ایرفویل های پيشرفته با هواي تخليه شده روی بخش فشار در جريان بالای لبه گردابي طراحي مي شود.
توجه زیادی در چند سال گذشته به مشكلات مرتبط با خنك سازي ديواره نهايي فيلم معطوف گرديده است برخي از تحقيقات نشان داده اند كه وقتي فيلم به شكل صحيحي طرح سكون از ایرفویل رادر جريان بالا معرفي مي كند,می تواند تشكيل جريان ثانويه مثل گرداب نعلي شكل آغاز شده در اتصال سه گوش بين يك ایرفویل و ديواره نهايي را كنترل كند.
و جزئيات بيشتر درباره خنك سازي ديواره نهايي و كنترل جريان ثانويه را مي توانيد بعداً در اين فصل پيدا كنيد.
يك نقش مهم در مشكلات خنك سازي نيز توسط هواي خنك سازي ايفا مي شود كه ديسك هاي توربين را خنك مي كند و حفره هاي ديسك را از گاز داغ حفاظت مي كند. مقدار و شيوه تخليه اين هوا در جريان اصلي مي تواند تا حد قابل توجهي افت هاي عملكرد را تحت تاثير قرار دهد. يك تحقيق انجام شده نشان ميدهد كه سودمندترين جايگاه و جهت براي تخليه هوا از حفره ديسك مجاورت لبه هاي گردابي تيغه نزديك به ديواره نهايي در جهت بردار سرعتی مي باشد كه داراي هماهنگي زيادي با سرعت  خروجي نازل  مي باشد.
اصول كلي براي به حداقل رساندن مشكلات تخليه هواي خنك سازي كه روي عملكرد توربين اثر مي‌گذارد را مي توان به شرح زير خلاصه بندي كرد:
-هر جرياني را بصورت جريان صعودي در راستاي مسير گازي تخليه كنيد.
-مزیت خنك سازي راس دوشی براي لبه هدايت كننده مراحل اول ایرفویل را بعنوان يك تكنيك برتر حتي با استفاده از جريان هاي خنك سازي بزرگتر در صورت كافي بودن بودجه و محدود نبودن هزينه توليد استفاده كنيد.
-سعي كنيد سيستم خنك سازي را انتخاب و طراحي كنيد كه هواي خنك سازي را در دمايي تخليه مي كند كه به دماي سطح فلز محلي مجاز نزديك مي باشد.
-افت هاي مخلوط كردن را با هماهنگ كردن بردارهاي سرعت  جريان بين جريان اصلي و جريان هاي خنك سازي تخليه شده به حداقل برسانيد.
-از تخليه فيلم در بخش مكش يك ایرفویل در مجاورت انتقال لايه مرزي اجتناب كنيد.
-حداكثر تلاش در اجتناب از تخليه جريان خنك سازي از بخش مكش يك ایرفویل در جريان صعودي در مجاورت گلوگاه و بخصوص جريان نزولي گلوگاه را انجام دهيد.
افت هاي فشار در گذرگاه خنك سازي دروني را براي بازيابي كل فشار در جريان خنك سازي به حداقل برسانيد.
-از مكانيسم گردابي براي سيستم منبع خنك سازي تيغه، كاهش دادن دماي نسبي خنك سازي و كاهش افت هاي اصطكاكی ديسك استفاده كنيد.

تركيب پوشش هاي حصار حرارتي و خنك سازي
استفاده از پوشش هاي حصار حرارتي (TBC) يك مزيت بزرگ در كاهش بار حرارتي در آرايه های ایرفویل را بخصوص براي ایرفویل خنك شده بصورت دروني نشان ميدهد.
ایرفویل پوشيده شده در پوشش هاي حصار حرارتي در يك شيوه متعارف به يك ایرفویل عايق با دماي بالا توليد مي شود. ماده TBC مي تواند اغلب در برابر دماهاي بسيار بالا مقاومت كرد داراي رسانايي حرارتي به صورت يك دهم آرايه هاي اصلي متعارف مي باشد. بخاطر مقاومت حرارتي مضاعف ایرفویل پوشش داده شده به اين شيوه، مي تواند با هواي خنك سازي كمتر در يك دماي گازي معين عمل كند يا برعكس مي تواند در برابر دماهاي گازي بالاتر در سطح معيني از جريان خنك سازي نسبت به ایرفویل پوشش داده نشده مقاومت نمايد. مشخص است كه TBC به كاربرده شده در سطح بيروني نمي تواند كار حفاظت از ايرفويل در برابر دماي بالا را بدون بكار گيري خنك سازي در سطح دروني انجام دهد.
طراحي ايرفويل هاي خنك شده با پوشش هاي مانع يا حصار حرارتي, مشكلات خاصي را نشان ميدهد. حتي وقتي اين ماده پوليش مي شود داراي يك همواري ذاتي است و بنابراين اصطكاك پوسته و ضرايب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. كاربرد يك لايه پوشش حصار حرارتي نيز باعث بروز لبه‌هاي گردابي ضخيم تر با مشكلات آيروديناميكي مرتبط مي شود. در ضريب انتقال حرارت دروني و دماي خنك ساز,گراديان دما در راستاي ضخامت پوشش عمدتاً با دماي گاز و ضريب انتقال حرارت بيروني انتقال مي يابد.
بزرگترين ضريب حاصل از كاربرد TBC يا بالاترين گراديان دمايي از طريق پوشش دهي را مي توان در محيطي بدست آورد كه در آن تفاوت دمايي بالا بين گاز داغ و هواي خنك سازي با ضرايب انتقال حرارت بالا در هر دو طرف تركيب مي شود. اين محيط اغلب در مكانهاي خاصي از ايرفويل, انتهاي ديوارها و لينرهاي محفظه احتراق قرار دارد كه با همرفتي جانبي خنك شده اند. مهمترين نگراني كه روي استفاده از پوشش هاي مانع حرارتي اثر مي گذارد, عمر آنهاست كه توسط شكنندگي و پوسته شدن بخاطر انبساط حرارتي تمايزي نسبت به ماده ايرفويل بوجود مي آيد. پيشرفت هاي اخير در مواد براي TBC و تكنيك هاي كاربرد پوشش دهي ارتقا يافته، توسعه قابل توجهي برای عمر آنها ايجاد كرده است.
اين كمتر به نگهدارنده ها اجازه پيش بيني عمر براي تيغه ها و نازل  هاي پوشش دهي شده را ميدهد كه شامل مقاومت حرارتي پوشش در تجزيه و تحليل دماي اجزا مي باشد. انتخاب ضخامت پوشش براي تيغه ها بايد اين حقيقت را در نظر بگيرد كه مقاومت پوشش نسبت به آلياژ پايه بسيار كمتر مي باشد و اين باعث بروز تنش هاي (شعاعی) داخلي در ماده تيغه مي شود. طراح ايرفويل با پوشش هاي حصار حرارتي بايد همه اين فاكتورها را تحمل نمايد.
فرايند بهبود خنك سازي ايرفويل
شكل 7 يك فرايند بهبود متداول را براي خنك سازي ايرفويل نشان ميدهد. نقطه آغازين براي طراحي سيستم خنك سازي ايرفويل روي الزامات عمر اجزا تاكيد مي كند كه اين نشان دهنده يك حد دمايي قابل قبول برای فلز مي باشد. دماي موضعي فلز در ايرفويل عمدتاً با تركيب 3 فاكتور اشتقاق مي‌يابد.

نظري براي اين محصول ثبت نشده است.


نوشتن نظر خودتان

براي نوشتن نظر وارد شويد.

محصولات
نظر سنجي
نظرتون در مورد ویکی پروژه چیه؟
  •   مراحل ثبت نام خیلی زیاده!
  •   مطلب درخواستیم رو نداشت!
  •   ایمیل نداشتم که ثبت نام کنم!
  •   مطلبی که میخواستم گرون بود!
نظرنتيجه