سیستم خنک سازی توربین ها

موضوعات خنك سازي سكو و راس
معلوم شده است كه تاثير طرح راس تيغه كه قوياً نشت گاز داغ در راس را تحت تاثير قرار مي دهد، يك توزيع كننده اصلي به تاثير آيروديناميكي توربين هاي مي باشد. راس هاي تيغه نوعاً از سطوح توسعه يافته در وضعيت هاي پرتويي دور از تيغه در حال گردش تشكيل شده اند كه در معرض گازهاي داغ در همه جهات قرار گرفته و خنك سازي آنها مشكل بوده و مورد هدف توان پتانسيل براي پوشش دهي بخاطر سايش در برابر حالت ساكن خارجي مي باشند.
داده هاي تجربي كمي براي توزيع هاي انتقال حرارت در راس هاي تو رفته وجود دارد كه براي توربين‌هاي در حال دوران با مقياس كامل كه در حال كار در شرايطي هستند كه محيط موتور واقعي را شبيه سازي مي كند، به دست آمده است. به خوبي معلوم شده است كه تفاوت فشار بين بخش فشار و مكش تيغه ها جريان را از طريق فاصله آزاد راس ايجاد مي كند. يك راس تخت در اكثر موارد قابل قبول نمي باشد چون آسيب هاي شديدي به وجود مي آيد كه مي تواند با سايش راس در مورد
طرح راس جامد، ارتباط داشته باشند. اكثر طرح هاي راس تيغه يك حفره مربع شكل را با ديواره نازك در راستاي بخش فشار و مكش ايجاد مي كند كه در وضعيت سايش راس، از آسيب كمتري برخوردار است. با اين وجود، حضور اين حفره در راس باعث يك ميدان جريان پيچيده تر از حالت ايجاد شده در يك تيغه نوك تخت مي شود. در نزديكي لبه هدايت كننده تيغه، يك جريان محدب قوي در تيغه در نزديكي بخش ساكن وارد راس منطقه مي شود يا از بخش سطح مكش تيغه جريان مي‌يابد. Ameri در تحقيق عددي منطقه راس نشان داد كه ميدان جريان با اكثر گردابهاي در حال كنش متقابل سه بعدي مي باشد. اين نتيجه نشان مي دهد كه حداقل دو منبع مجزا از گردابها در منطقه حفره وجود دارد و اينكه اين گردابها در سراسر طول حفره دوام مي‌آورد. الگو سازي آنها از اين جريان نشان مي دهد كه يكي از گردابها ماحصل تفكيك بخش فشار لبه راس مي باشد و اين كه اين گرداب در بالاي ديواره بخش فشاري حفره مي چرخد. گرداب ثانويه ماحصل يك تفكيك جريان مجدد در لبه راس در بخش مكش تيغه مي باشد. به نظر مي رسد كه يك خط تفكيك وجود دارد كه در آن جريان اصلي در شكاف از بخش فشار تيغه به صورت چرخشي شروع مي شود تفكيك جريان بخاطر لبه راس اتفاق مي افتد. جريانات ثانويه قوي را مي توان در مسير شكاف انتظار داشت. اين مي‌تواند داراي تاثير آوردن نسبت هاي بسيار داغ از گاز جريان اصلي به گرداب شكاف فاصله آزاد, جريان نزولي راس لبه هدايت كننده تيغه باشد. اين نقش مثل يك مرحله خاص با تفكيك جريان حاصل و اتصال به حفره تو رفته عمل مي كند. وقتي جريان از بخش مكش شكاف آغاز مي شود در يك حالت محدب مي چرخد چون جريان ديواره جريان در حال اجرا را تامين مي كند.
يك بخش قابل توجه از آثار مرتبط با تحقيقات تجربي جريانات شكاف راس با تيغه هاي راس تخت سروكار دارد. توزيع هاي فشار استاتيك راس تيغه در يك آبشار دو بعدي توسط Bindon ارزيابي شد. او نتيجه گرفت تاثيرات شكاف فاصله آزاد و پرتو لبه بخش فشار در يك راس تخت وجود دارد. توجه خاص به تفكيك حباب شكل گرفته در ورودي راس در راستاي بخش فشار شكل گرفت. همين تحقيق تاثيرات نماي عرضي شكل هندسي در آبشارهاي ساكن و دوراني را با استفاده از يك پرتو لبه بخش فشاري, بخش مكش و يك خبر بر كامل را مورد خطاب قرار داد.
اين تحقيق روي تاثير نشت ها روي افت ها و عملكرد مرحله تمركز يافت. نتيجه گيري شد كه براي همه پيكر بنديهاي آزمايش شده، راس تخت به بهترين شكل عمل كرده و حركت نسبي نيز مهم بود.
يك تحقيق اخير از تاثيرات عمق حفره آنتن در توزيع انتقال حرارت حفره راسي، از يك آبشار راس تيغه ساكن استفاده كرده و يك تيغه فشار بالا با يك توزيع فشار آيروديناميكي واقعي استفاده كرده است. تاثير عمق حفره در سطح حفره راسي يكنواخت نبود. مشاهده كلي اين است كه حفره عميقتر ضرايب انتقال حرارت كمتر را توليد مي كند. يك حفره آنتني توخالي, بسيار نزديك به رفتار راس تخت مي باشد. يك عمق اغلب در حفره راس طرح عملي براي كاهش بار حرارت كلي تا 50% يافت مي‌شود.
محققان متعددي روشهاي كاهش افت هاي عملكرد را با كنترل نشت راس, مورد بررسي قرار داده اند. مخلوط كردن جريان نشت با جريان گذرگاه روتور باعث افت فشار كل شده و بازده مرحله توربين را كاهش مي دهد. افت ها در طول تشكيل يك گرداب نشتي و كنش متقابل آن با گرداب گذرگاه منشا مي گيرد. تحقيقات اخيراً منتشر شده از مفهوم يك توسعه سكوي راس استفاده مي كند كه يك بال كوتاه بدست آمده با توسعه جزئي سكوي راس در جهت مماس مي باشد. استفاده از يك توسعه راس بخش فشار مي تواند تا حد زيادي روي ميدان آيروديناميكي محلي با تضعيف ساختار گردابي نشت، اثر كند. تحقيقات آنها نشان داده اند كه بهره كل به كل قابل توجه با استفاده از توسعه هاي سكوي راس ممكن مي باشد.
براي كسب اطلاعات بيشتر درباره انتقال حرارت راس تيغه توربين خواننده به بررسي به تازگي منتشر شده توسط Bunher رجوع كند.
خنك سازي ساختارهاي روتور و قسمت ساكن
منبع خنك سازي و سيستم هاي هواي ثانويه
نقش يك سيستم هواي ثانويه، كه اغلب سيستم خنك سازي دروني ناميده مي شود براي انتقال هواي خنك سازي به مولفه هاي مسير گازي خنك شده, روتور خنك سازي و ساختارهاي بخش ساكن و جلوگيري از ورود گاز داغ به حفره هاي دروني و نشت هاي درزي بين مراحل توربين مي باشد. جريان‌هاي هواي ثانويه كمبوستور بصورت مستقل از بخش توربين با استفاده از افت هاي فشار از طريق يك كمبوستور اصلاح مي شود كه با طراحان موتور معين مي شود. با اين وجود, مدارهاي هواي ثانويه در كمبوستور و قوانين كه مزدوج شده اند، از همان منبع فشار يعني تخليه كمپرسور، تامين مي‌شود. به همين دليل، اخيراً كل شبكه جريان سيستم هواي ثانويه براي ارائه پيش بيني دقيق فشار محلي و تزريقات فشار تجزيه و تحليل شده اند. همچنين ابزار تحليلي پيشرفته كه بايد شامل تاثيرات انتقال حرارت در محاسبات جريان باشند براي استفاده 3 بعدي غير واقعي يا واقعي در الگوسازي جريان براي سيستم هاي خنك سازي ثانويه شروع شد.
انتقال هواي خنك سازي به مولفه خنك شده بايد در كمترين افت فشار و با حداقل حرارت در مسيري به سمت مولفه, انجام شود. كمترين افت فشار در سيستم حمل و نقل براي يك لبه هدايت كننده خنك شده روش تيغه مرحله 1 بخصوص براي توربين هاي گاز صنعتي طراحي شده با يك افت فشار كمبوستور مهم مي باشد. يك افت فشار كمبوستور 3% كل فشار تخليه كمپوسور كه اغلب در اين موتورها يافت مي شود به يك حاشيه فشار در سوراخ هاي تخليه فيلم روش در لبه هاي هدايت كننده منتهي مي شود.
موضوعات انتقال حرارت و جريان ثانويه در حفره هاي ديسك و سيستم هاي حمل و نقل خنك سازي تيغه نقش مهمي را در عمر و يكپارچگي ساختاري اين مولفه ها ايفا مي كند. سيستم حمل و نقل خنك سازي روتور و تيغه توجه خاصي را به خود معطوف داشته و تاثير قابل توجه آن روي افت هاي عملكرد موتور با تخليه هواي خنك سازي در جريان اصلي ارتباط دارد و بايد در نظر گرفته شود.
برخي موضوعات با جريانات و انتقال حرارت در حفره هاي صفحه ارتباط دارند كه در بخش بعدي بحث مي شوند. حرارت حداقل براي ساختار تيغه صفحه اي مرحله 1 خنك شده, بسيار مهم است. چهار راه اصلي براي انتقال هوا از بخش ثابت توربين به تيغه ها وجود دارد.
1-برخورد هوا از بخش ساكن در جهت نرمال به بخش طوقه اي ديسك روتور توربين
2- ارائه جريان خروجي پرتويي هواي خنك سازي در حفره ديسك به طرف گذرگاههاي ورودي هواي ريشه تيغه.
3-گردابي كردن هواي خنك سازي قبل از تخليه آن در يك حفره ديسك
4-تهيه هواي نزديك به مركز ديسك در يك كانال شكل گرفته بين ديسك توربين و صفحه پوششي دوراني متصل به ديسك.
دو روش اوليه بندريت در مرحله اول توربين هاي گاز مدرن بخاطر انتخاب حرارت قابل توجه با هوا از ديسك يافت مي شود و بخاطر كار مورد نياز براي شدت يافتن هوا بصورت مماسي تا زمان هماهنگ شدن شدت جريان مماسي ديسك الزامي است.
كاربرد پروانه هاي گردابي, هوا در راستاي مماسي را شدت ميدهد و دماي نسبي هوا را كاهش داده و افت هاي سايشي در سيستم را به حداقل مي رساند. معمولاً دماي نسبي هواي گردابي شده بايد در  زير دماي طوقه ديسك مجاز, تنظيم شود. پروانه هاي گردابي اغلب در همان پرتو يا شعاع مشابه با ورودي ها در گذرگاههاي خنك سازي تيغه در روتور قرار ميگيرد. يك منبع خاص كه هواي گردابي شده را تغذيه مي كند, براي جلوگيري از ورود گاز داغ و كاهش مخلوط شدگي بين جريان‌هاي خنك سازي ديسك و خنك سازي تيغه توصيه مي شود.
روش چهارم از انواع گوناگون صفحات پوشش دوراني استفاده مي كند كه معمولاً زماني به كار مي‌رود كه پمپاژ هواي اضافي براي تيغه ها فراهم شود بخصوص وقتي يك حاشيه فشار بالا بايد فراهم شود براي مثال براي خنك سازي راس دوش تيغه. اين روش سيستم حمل و نقل هواي خنك سازي را پر هزينه تر مي كند ولي به نشت هاي درزي طوقه نسبت به سيستم هاي ديسك باز، كمتر حساس مي‌باشد.
هواي خنك سازي از مراحل مياني كمپرسور اغلب براي مولفه هاي توربين مرحله 1 ارائه مي شود. اين به ارتقاء عملكرد كلي موتور با ذخيره كار فشرده سازي كمك مي كند و همچنين هواي خنك سازي داراي دماي كمتري را بوجود مي آورد كه از يك مرحله مياني جريان مي يابد. دو روش اول, كه در بالا شرح داده شد، نوعاً گزينش هايي براي انتقال هوا به خنك سازي تيغه ها و ديسك هاي مرحله مي باشد.
يك بخش كوچكي از جريان هواي دروني بايد براي بافر كردن حفره هاي فضا گذاري حامل درزي شده طراحي شود. فشار هوا در حفره ها بايد به دقت بعنوان بخشي از كل جريان دروني براي اجتناب از ورود گاز داغ, نشت هاي روغن در توربين و تهويه صحيح بخار نفت متوازن شود. عملكرد و دوام دراز مدت درزهاي روتور به بخش ساكن اغلب براي تامين قابل اطمينان هواي خنك سازي و عملكرد كلي موتور, حائز اهميت مي باشد.
شكل 25 يك خلاصه خوب از ويژگي هاي جريان براي درزهاي لابيرنت ارائه مي دهد.
 
اخيراً يك نسل جديد از درزها، كه درزهاي برسي ناميده مي شود, معرفي شده اند و به شكل موفقي براي مناطق گراديان فشار بالا در اكثر توربين هاي گاز پيشرفته به كار مي روند.
بافر كردن مجموعه ديسك و روشهاي خنك سازي ديسك
گرچه ايرفويل هاي توربين در معرض بارهاي حرارتي بالاتري قرار گرفته اند, ديسك توربين بايد بعنوان مهمترين مولفه در زمان بررسي نقص اصلاح شود. چون آلياژهاي ديسك داراي قابليت ها و ظرفيت هاي دمايي بسيار كمتر از مواد ايرفويل مي باشد, خنك سازي ديسك ها و حفظ آنها در برابر نفوذ گاز داغ به يك حفره ديسك يك چالش براي يك گروه طراحي را ايجاد مي نمايد. جريان در حفره ديسك بايد شناسايي شود بگونه اي كه خنك سازي صحيح ديسك را بتوان به منظور جلوگيري از تنش حرارتي تضمني كرد. تكنيك هاي خنك سازي ديسك متعارف مي تواند مبتني بر موارد زير باشد:
جريان خروجي پرتويي هواي خنك سازي در حفره ديسك بين بخش ساكن و متحرك (روتور) و دوران صفحه پوشش
تاثير يا برخورد جت از سطح ديسك بخصوص در جايگاه طوقه ديسك بحراني
نشت هاي هواي خنك سازي از جلو به حفره خروجي ديسك از طريق شكاف هاي كوچك در اتصالات ديسك تيغه
نوعاً منبع هواي خنك سازي داراي يك فشار استاتيك است كه تا حد قابل توجهي بيشتر از فشار استاتيك در يك حفره ديسك است. اين تمايز فشار را مي توان در يك سيستم گردابي براي ارائه يك مولفه شدت جريان مماسي در هواي خنك سازي بكار برد كه تا حد زيادي شدت جريان ديسك را مماس مي كند. اين ويژگي طرح داراي دو نتيجه مثبت است. اولاً افت هاي اصطكاكي ديسك را كاهش مي دهد و حتي وقتي اين هوا براي خنك سازي تيغه استفاده مي شود, دماي نسبي هواي خنك سازي كاهش مي يابد.
درز طوقه بين روتور و پروانه ساكن معمولا نشت تحت بهترين شرايط را تجربه مي كند و به گاز داغ اجازه مي دهد تا از مسير جريان به حفره ديسك جريان يافته و بنابراين يك مشكل پتانسيل براي ديسك را ايجاد مي كند.
يك بخش قابل توجه از پايگاه اطلاعاتي قابل كاربرد براي اين سطح مشكل را مي توان در مقالات و كتابهاي تاليف شده توسط Owen و همكارانش در دانشگاه Bath و توسط Bohn و همكارانش در دانشگاه Aachen يافت. Wilson يك ؟ حفاري  ساكن- متحرك مشابه با نمونه استفاده شده توسط El-oun و Owen را براي انجام ارزيابي هاي دما، شدت جريان، انتقال حرارت براي سطح ديسك را استفاده كرد. در ايالات متحده, بررسي هاي انتقال حرارت و جريان ژنريك از سيستم هاي ثابت- متحرك گوناگون توسط Metzger انجام شد و توسط همكارانش در دانشگاه Arizona دنبال شد. جديدترين تحقيقات شامل روشهاي عددي و تجربي است كه توسط Roy هدايت شده بر روي شكلهاي هندسي توربين گازي ديسك كاربردي جهت يكپارچه سازي حفره ديسك با جريان اصلي تمركز يافت.
انتقال حرارت و جريان 3 پيكربندي حفره ديسك ژنريك اصلي در عملكرد طراحي موتور استفاده شده است كه شامل:
1-سيستم ساكن – متحرك با يك شكاف حفره محوري به طرف جريان اصلي باز است
2-سيستم ساكن – متحرك به شكل مثبت از جريان اصلي درزگيري مي شود
3-حفره دوراني در ديسك هاي دوراني يا ديسك هاي داراي دوران معكوس يافت مي شود
هر يك از اين پيكر بنديها با يا بدونه جريان هواي محوري يا پرتويي داراي كاربرد عملي در سيستم‌هاي هواي دروني ديسك مي باشد. داده هاي عددي و تجربي جامع براي بسياري از اين پيكربنديها به دست آمده اند كه توسط Owen و Rogers بطور خلاصه بيان شده اند.
تعدادي از رمزهاي CFD كه مي تواند جريانهاي نوساني پيچيده را در حفره ديسك پيش بيني كند در طول سالهاي اخير توسعه يافته است. با اين وجود اين رمزها هنوز به كالمبيره شدن تجربي نياز دارد بخصوص وقتي كه جريان حفره بخاطر كنش متقابل آن با جريان اصلي، به صورت تقارن محوري و تحليل 3D انجام شود.
در طول فاز طراحي خنك سازي توربين اوليه، وقتي شكل هندسي حفره ديسك و پارامترهاي اصلي و مقادير آن كه روي جريان و ورود به حفره اثر مي گذارد، خوب تعريف نشده است، ارزيابي جريان پمپي ديسك و يك جريان بافر مطلوب براي غلبه بر كاهش قابل توجه ورود پتانسيل از جريان اصلي، مهم مي باشد. محاسبات ساده شده كه مبتني بر داده هاي تجربي است. بايد در طول اين فاز به كار برده شود.
معلوم شده است كه مكانيسم ورود گاز داغ حاصل از جريان خروجي پمپاژ ديسك در سيستم هاي ثابت – متحرك بخصوص با حفره باز به طرف جريان اصلي، قوياً تحت تاثير تغييرات فشار پيوسته و ناپيوسته محيطي است كه در شكاف محور مجموعه ديسك مشاهده مي شود. يك تنوع فشار استاتيك بخش شده از لبه هاي گردابي پروانه به شكاف باعث بروز غير يكنواختي فشار پيوسته مي شود. در همين زمان تنوع فشار استاتيك كه از لبه هاي هدايت كننده جريان صعودي به شكاف انتشار مي يابد باعث بروز يك نوسان فشار غير پيوسته مي شود. هر دو منبع ورود گاز داغ به مجموعه ديسك را تقويت مي كند. برخي تكنيك ها به كاهش اين تنوع فشار تمايل دارد كه اخيراً براي به حداقل رساندن اين تاثيرات توسعه يافته است. با اين وجود بكارگيري اين تكنيك ها مستلزم به كارگيري كنش متقابل نزديك بين نظام هزينه شركت كننده در طرح موتور مي باشد. هماهنگي ها بين هزينه و بازده در موقع استفاده از هدف عمر توسعه يافته نيز در زماني كه مواد ديسك و پيكر بنديهاي طرح درزگيري حفره ديسك مطلوب مي باشد، در نظر گرفته مي شود.
درزگيري همپوشاني محوري براي اجتناب از ورود گاز داغ به مجموعه طوقه ديسك مطلوب مي باشد ولي اين نتايج در دهانه روتور افزايش يافته، روي كل ديناميك هاي روتور موتور اثر مي گذارد. اين فاكتورها بايد در يك فرايند بهينه سازي طرح چند نظامي مورد خطاب قرار گيرد.
پديده ورود در سيستم ثابت – متحرك نيز قوياً تحت تاثير شدت جريان مماس هسته سيال حفره مي‌باشد كه در حدود 50% جريان ورودي است. تحقيقات نشان مي دهد كه معرفي جريان هواي پرتويي به بروز شدت جريان هسته اي كاهش يافته و كاهش ورود منتهي مي شود. جزئيات بيشتر مربوط به جريان ديسك و تحقيقات انتقال حرارت بعداً ارائه مي شود.
خنك سازي ساختار حمايت يا حفاظت پروانه و مكان سازي توربين
حفظ تغييرات كم در رشد حرارتي گذرا يك وظيفه اصلي از خنك سازي است كه براي يك ساختار حفاظتي پروانه به كار مي رود و به مكان سازي توربين ارتباط دارد. ساختار حفاظتي پروانه نوعاً بين مسير شكاف و مكان سازي خروجي قرار مي گيرد و اغلب گراديانهاي دمايي پرتويي و محيطي را تجربه مي كند. مواد انبساط حرارتي كم مي تواند مطلوبترين گزينه براي ساختار حفاظت پروانه باشد. با اين وجود، آلياژهاي كمي با ويژگي هاي انبساط كم مي تواند دماهاي اجراي بالاي  را تحمل كند. به همين دليل خنك كردن ساختار حفاظتي پروانه الزامي است. بودجه جريان خنك سازي معمولاً براي اجتناب از خطاهاي عملكرد توربين بسيار محدود مي باشد. استفاده از هوا از مراحل كمپرسور مياني براي خنك سازي براي به حداقل رساندن مشكلات عملكرد تقويت مي شود.
همه وسايل براي محدود كردن سطح رسانايي انتقال حرارت با پروانه بدونه آسيب زدن به يكپارچگي حمايت آنها بايد استفاده شود. حفره هاي بين ساختار حفاظت پروانه و پروانه ها بايد خوب درزگيري شود و اغلب با هواي خنك سازي براي جلوگيري از نشت گاز داغ در ميان حفره هاي آنها بافر مي‌شود. اين وظيفه مهم نيازمند يك تحليل جريان سراسري به عنوان بخشي از سيستم جريان خنك سازي دروني مي باشد.
خنك سازي تاثيري مهمترين تكنيك براي خنك سازي ساختار حمايت پروانه مي باشد. جت هاي تاثيري اغلب به طرف شعاع خروجي قلابهاي پروانه هدايت مي شود كه پروانه ها را در ساختار حفاظتي قرار مي دهد. اين باعث كاهش تنش هاي حلقه اي در ساختار حفاظت پروانه مي شود بخصوص زماني كه يك نگراني براي گراديانهاي دمايي پيوسته از طريق اين ساختار وجود داشته باشد. مزيت ديگر ساختار حمايت پروانه در جريان خنك سازي علاوه بر كاهش دماي فلز, كاهش گراديانهاي محيطي در ساختار مي باشد. اين يك فاكتور بسيار مهم در رسيدن به فاصله آزاد راس – تيغه يكنواخت به صورت محيطي مي باشد. مدولاسيون جريان خنك سازي كه به سمت ساختار حمايت و حفاظت پروانه هدايت شده است را مي توان براي كنترل فعال فاصله هاي آزاد راس مورد استفاده قرار داد.
دماي سطح خروجي مكان يابي توربين اغلب براي دلايل ايمني و محدوديت ها از سخت افزار موتور بيروني محدود مي باشد و شامل سيستم روغن كار و ابزار بندي مي باشد. استاندار امريكا براي توربين‌هاي گاز صنعتي اين دماي پوسته خارجي را تا   محدود مي كند. اين معمولاً يك حالت تعادل بين خنك سازي مكان يابي و نسب بيروني است. استفاه از عايق بندي بيروني موثر پر هزينه بوده و اغلب باعث بروز دماهاي افزايش يافته مكان يابي توربين مي شود. كه بكاربرد آلياژ هاي درجه بالاتر و گرانتر براي مكان يابي، منتهي مي شود. خنك سازي مكان يابي باعث افت هاي حرارتي مضاعف با مشكلات متناسب براي بازده حرارتي موتور و پيچيدگي ها در طراحي و حفظ موتور مي‌شود. استفاده از هوايي محيطي براي خنك سازي مكاني كه در آن از انرژي هواي خنك سازي مصرفي براي ايجاد مكش و جريان هواي محيطي در راستاي محل اسكان استفاده مي شود، متداول است.
خنك سازي كمبوستور
تاثير تحول طراحي كمبوستور روي تكنيك هاي خنك سازي
اين بخش عمدتا روي رو كوب تمركز دارد كه اغلب بخش عمده بودجه جريان خنك سازي كمبوستور را مصرف مي كند. بخش هاي ديگر كمبوستور شامل گنبد و انتقال به پروانه هايي مي باشد كه براي ويژگي هاي طرح مناسب بوده و خنك سازي آنها در اين بخش شرح داده نمي شود. با اين وجود برخي از موضوعات خنك سازي تحول بعداً مورد خطاب قرار خواهد گرفت.
الزامات خنك سازي براي روكوب با تعداد از پارامترها متفاوت مي باشد كه در 20 سال گذشته توسعه موتور، تغيير كرده است. پارامترهاي اصلي عبارتند از:
دماي گاز داغ و نوع سوخت
دماي هواي خنك سازي و افت فشار كمبوستور مجاز
دماهاي ماده مجاز، عمر مورد انتظار و دوام
وزن، هزينه و محدوديت هاي پيچيدگي با در نظر گرفت اين مطلب كه بار حرارت روكوب عمدتاً با پرتو تابي شعله اشتقاق يافته است، محاسبه دماي شعله و شار حرارت در ديواره روكوب به درك خوب فرايند احتراق نياز دارد يك مونوگراف جامع توسط Lefebre يك بررسي فوق العاده از سيستم هاي كمبوستور توربين گازي را فراهم مي آورد.
همچنين جزئيات روندهاي محاسبه براي فاكتورهاي اصلي كه روي خنك سازي روكوب اثر مي گذارد، مطرح شده است.
بسيار از كمبوستورهاي توربين گاز اوليه يك طرح تك فضايي يا چند فضايي بوده و به يك گذر يا محل عبور بين خروجي كمبوستور و ورودي توربين نياز دارد. روكوبهاي بسيار از اين كمبوستورها از يك گروه از پوسته هاي استوانه اي مونتاژ مي شوند كه يك سري گذرگاه را در نقاط تقاطع پوسته ايجاد مي كرد. اين گذرگاهها دريچه هاي تهويه اي را خلق مي كردند كه به فيلم هواي خنك سازي اجازه مي داد تا در طول بخش داغ ديواره روكوب جهت ايجاد يك حصار حرارتي حفاظتي تزريق شود. ارتفاعات شكاف توسط دريچه هاي تهويه نواري ويگل نگهداري مي شدند. اندازه گيري هوا, مشكل اصلي در اين تكنيك بود. كاربرد دستگاههاي خنك سازي پاشيدگي كنترل هواي خنك سازي در حال ورود به روكوب را از طريق يك رديف از سوراخ هاي داراي قطر كم با جت هاي هواي برخورد كرده در يك از راه خنك سازي فراهم مي كند.
كمبوستورهايي كه بعداً معرفي مي شوند عمدتاً از پيكربندي هاي خنك سازي پاشيدگي و نوار ويگل استفاده مي كردند. از آن به بعد, حلقه تراش داده شده يا دستاورد حلقه گرد شد كه داراي ويژگي‌هاي سوراخهاي تراشيده شده به جاي دريچه هاي تهويه مي باشد و اندازه گيري جريان هوا با مقاومت مكانيكي خوب را تركيب مي كند در سطحي وسيع در يك يا چند شكل, پذيرفته شده است.
تكنيك هاي خنك سازي مدرن شامل خنك سازي نشت زاويه دار (EC) با استفاده از رديف هاي چندگانه از سوراخ هاي كوچك حفاري شده در ميان ديواره روكوب در يك زاويه كم عمق نسبت به سطح مي باشد. با اين نمودار, هواي خنك سازي كه در ميان ديواره روكوب جريان مي يابد, نخست حرارت را از ديواره با روند همرفتي – رسانايي مي زدايد و سپس يك حصار فيلم حرارتي را بين ديواره و گازهاي احتراق داغ ايجاد مي كند. EC اكنون بعنوان بهترين گزينه در ميان تكنيك هاي خنك سازي كمبوستور پيشرفته در نظر گرفته مي شود كه به شكل فعالي براي نسل جديد موتورهاي صنعتي و آيروديناميكي توسعه يافته است. براي برخي موتورهاي آيروديناميكي پيشرفته, الزامات هواي خنك سازي همرفتي تا 30% كاهش يافته است. زمينه اصلي EC يك افزايش در وزن روكوب تا 20% است كه از نياز به يك ديواره ضخيم تر براي رسيدن به طول سوراخ مطلوب و ايجاد مقاومت كمانش منشا مي گيرد.
انتخاب يك سيستم خنك سازي توربين گازي
Boris Glezer
راه حل هاي توربين بهينه سازي شده, سان ديگو, كاليفرنيا, U.S.A
اين فصل عمدتاً روي موضوعات انتقال جرم و حرارت تمركز مي يابد چون آنها براي خنك سازي مولفه هاي 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.
a- سرعت صورت
مشكلات خنك سازي
براي يك توربين صنعتي پيشرفته, الزامات جريان هواي خنك سازي به ترتيب 20-25% كل جريان كمپرسور مي باشد. اين كميت بزرگ هوا يك منبع افت مهم براي عملكرد چرخه مورد بطور كامل بوده و داراي 3 تاثير مي باشد كه بطور نسبي به انست اصلاح عملكرد دماي ورودي بالا در توربين 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 كمبوستور را كاهش مي دهد. بنابراين براي انتقال يك نيروي خاص, موتور بايد در دماي ورودي توربين بالاتر كار كند كه مي تواند يك موتور خنك نشده باشد. موضوع دوم اين است كه كنارگذرهاي هواي خنك سازي كمبوستور، در نهايت به چالش هاي بيشتري براي كنترل پرتوها منتهي مي شود و توزيع دماي مطلوب در بخش خروجي كمبوستور را ايجاد مي نمايد. سومين مورد با افت هاي آيروديناميكي ارتباط دارد كه اين زماني است كه هواي خنك سازي معرفي مي شود و با جريان گاز اصلي داراي شدت جريان بالا تركيب مي شود. افت آيرو ديناميك كه اغلب افت مخلوط كردن ناميده مي شود با تزريق خنك ساز در يك گذگاه لايه نازك هواي توربين بوجود مي آيد و مخلوط سازي متعاقب آن با جريان اصلي ايجاد مي شود. اين عمدتاً بر حسب كاهش يا افت در كل فشار 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 رسيدن به حداكثر سودها از دماي چرخه بالا, در نظر گرفته شود. اين مي تواند يك محدوديت شديد در درجه آزادي باشد كه با آن طرح خنك سازي انجام مي شود.