پديد آورنده :
زماني، اميرحسين
عنوان :
شبيه سازي عددي انتقال حرارت پره‌هاي نازل يك توربين در شرايط طرح و غير طرح
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
هفده، 99ص. : مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
محمود اشرفي زاده
استاد مشاور :
احمدرضا پيشه ور
توصيفگر ها :
پره‌هاي ساكن توربين گاز , انتقال حرارت هم‌زمان , خنك‌كاري داخلي و تركيبي , شرايط طرح و غير طرح
استاد داور :
محسن ثقفيان، مهدي نيلي احمدآبادي
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/09/07
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/09/07
چكيده فارسي :
افزايش راندمان توربين‌هاي گازي، از اهميت بالايي در صنايع امروزي برخوردار است. موثرترين راه براي بالا بردن راندمان سيكل توربين گاز، افزايش دماي ورودي به توربين مي‌باشد. در توربين‌هاي گاز پيشرفته امروزي، دماي ورودي به توربين بسيار بالاتر از حد مجاز تحمل فلز اين پره‌ها مي‌باشد. در نتيجه پره‌هاي واقع شده در رديف‌هاي ابتدايي توربين، با روش‌هاي مناسب براي جلوگيري از تخريب خنك مي‌گردند. در اين پژوهش از روش حل هم‌زمان، به منظور بررسي دقيق انتقال حرارت و آيروديناميك استفاده شد. نتايج تجربي حاصل از خنك‌كاري داخلي و تركيبي پره C3X براي ارزيابي نتايج حاصل از اين پژوهش برگزيده شد. از نرم افزار ICEM براي توليد يك شبكه سازمان يافته و با كيفيت به روش بلاك استفاده شد كه منجر به كاهش هزينه محاسباتي نيز گرديد. نتايج حاصل از مدل‌هاي آشفتگي Spalart-Allmaras،RNG k-ε ، SST و SST-γ-Reθ در ارزيابي اوليه، با نتايج آزمايشگاهي مقايسه گشتند. نتايج حاصل از مدل SST-γ-Reθ به خاطر قابليت‌هاي آن در پيش‌بيني ناحيه‌ي انتقال در سطح مكش توربين، از تطابق بهتري با نتايج آزمايشگاهي برخوردار مي‌باشد. سپس تأثير مشخصه‌هاي شدت آشفتگي، طول مشخصه ورودي اغتشاش، عدد ماخ و رينولدز جريان اصلي بر افزايش انتقال حرارت بين جريان اصلي و پره مورد بررسي قرار گرفت كه نتايج نشان مي‌دهد با افزايش 5 تا 8 درصدي شدت اغتشاش و همچنين افزايش 30 تا 40 درصدي طول مشخصه، مقدار انتقال حرارت بر روي سطح فشار حدود 8 درصد افزايش مي‌يابد. اين در حالي است كه افزايش عدد ماخ و رينولدز خروجي جريان، سبب افزايش 50 درصدي انتقال حرارت بر روي سطح فشار و افزايش 17 درصدي بر روي سطح مكش مي‌گردند.
استفاده از هواي كمپرسور براي خنك‌كاري سبب افت راندمان كلي سيكل توربين گاز مي‌گردد. به منظور كاهش افت كمپرسور و همچنين افزايش دفع حرارت از سطح توربين، از آشوب‌گر‌هاي طولي بر روي كانال‌هاي داخلي استفاده شد. سپس تأثير عرض و ارتفاع اين آشوب‌گرها بر ضريب عملكرد هيدروليكي حرارتي مورد ارزيابي قرار گرفت كه نتايج در بهترين حالت نشان‌دهنده كاهش 22 درصدي دبي هواي خنك‌كاري و افزايش 79/17 درصدي ضريب عملكرد آيروديناميكي حرارتي مي‌باشند. همچنين در اين حالت مقدار دما در سطح مياني پره حدود 4 درصد كاهش مي‌يابد.
پس از بررسي عملكرد خنك‌كاري داخلي و عوامل موثر بر آن، در بخشي ديگر به ارزيابي خنك‌كاري لايه‌اي پرداخته شد. نتايج آيروديناميكي حاصل از توزيع فشار و نتايج حرارتي حاصل از توزيع دما در خنك‌كاري تركيبي داراي اختلافي كمتر از 4 درصد در مقايسه با نتايج تجربي مي‌باشند. با افزايش دبي سيال خنك‌كننده، دما در نيمه ابتدايي پره و موقعيت‌هاي نزديك به محل تزريق كاهش مي‌يابد؛ در حالي كه با فاصله گرفتن از محل تزريق و نزديك شدن به انتهاي پره تأثير خنك‌كننده كاهش مي‌يابد.
براي افزايش عمر پره‌هاي توربين بايد علاوه بر طراحي در شرايط مخصوص ( طرح)، آگاهي كافي از شرايطي كه در حقيقت براي اين پره‌ها ايجاد مي‌گردد، داشته باشيم. زبري سطح يكي از مهم‌ترين شرايط غيرطرح براي پره‌هاي ساكن رديف اول مي‌باشد. در اين پژوهش نيز با استناد به نتايج آزمايشگاهي در دسترس، اعداد مختلفي براي ارتفاع زبري به گونه‌اي در نظر گرفته شد كه تأثير ناحيه نيمه زبر و كاملا زبر بر جريان مشخص شود. نتايج نشان مي‌دهد كه سطح نيمه زبر پره سبب افزايش 5/3 درصدي دما و سطح كاملا زبر سبب افزايش 5/5 درصدي دما در مقطع مياني پره مي‌گردد. حداكثر افزايش ضرايب انتقال حرارت جابه‌جايي براي سطح نيمه زبر حدود 45 درصد و براي سطح كاملا زبر حدود 55 درصد در مقايسه با سطح كاملا صاف مي‌باشد.
چكيده انگليسي :
Gas turbines are widely used in modern industry. One of the main approaches of improving gas turbine efficiency has been increasing the temperature of hot gases entering the turbine. Therefore the first stage of vans must be cooled to prevent it from failing. In this study, the heat transfer over the surface of C3X nozzle guide vane is investigated numerically. ICEM CFD software was used For creating a structured grid to improve the numerical accuracy of simulations. Four turbulence models were evaluated, the SST with Gamma-Theta transition was found to yield the best agreement with the experimental results. After validation of results, the effect of high freestream turbulence intensity, large inlet length scale and exit Reynolds number on the surface heat transfer distribution of vane were investigated. The results showed that the increase of free stream turbulence and length scale augmented the heat transfer on pressure side of vane as compared to the low freestream and length scale. With increase of Reynolds and Mach number, average heat transfer augmentations of 50% and 17% were observed on the pressure and suction side of the vane, respectively.
The extraction of air from the compressor for cooling purpose reduces the overall efficiency of a gas turbine. In this study, the effect of longitudinal ribs on channel heat transfer were investigated. The results in the best configuration demonstrated that the performance factor enhanced up to 17.79% with 22% decrease in channel’s mass flow.
In another part of this study, the effect of external cooling was evaluated. because film cooling flow physics can play a significant role on the overall turbine vane heat transfer. Numerical and experimental results were compared in terms of pressure and temperature distribution on the vane wall at midspan and also the numerical results have a good agreement with experimental data.
Finally, the effect of surface roughness was evaluated on turbine surface heat transfer. The temperature enhanced up to 3.5% and 5.5% in transitional-roughness regime and fully rough flow, respectively.
استاد راهنما :
محمود اشرفي زاده
استاد مشاور :
احمدرضا پيشه ور
استاد داور :
محسن ثقفيان، مهدي نيلي احمدآبادي
