انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی

مقدمه....................................................................................................................................................1
خنك سازي توربين بعنوان يك تكنولوژي كليدي براي بهینه سازی  موتورهاي توربين گازي....................................................................................................................................................7
چالش هاي خنك سازي براي دماهاي پيوسته درحال افزايش گاز ونسبت فشاركمپرسور........................8
تكنيك هاي خنك سازي استفاده شده متداول.....................................................................................14
تاثير خنك سازي.................................................................................................................................18
مشكلات خنك سازي..........................................................................................................................22
تركيب پوشش هاي حصار حرارتي و خنك سازي..................................................................................30
فرايند بهبود خنك سازي ايرفويل........................................................................................................32
تعريف پارامترهاي شباهت انتقال جرم و حرارت اصلي...........................................................................35
كنش متقابل انتقال جرم – حرارت در لايه مرزي ايرفویل.......................................................................36
نقش تشابه در رقابت تجربي حرارت ايرفويل توربين و انتقال جرم.........................................................42
موضوعات انتقال حرارت گذرا و پايدار در بخش داغ موتور.....................................................................44
دماي فلز و تاثير آن روي عمر اجزاي توربين.......................................................................................46
موضوعات مربوط به تغييرمكان هاي دمایی گذرای روتوربه استاتوروكنترل فاصله نوك آزاد..................48
خنك سازي نازل توربين......................................................................................................................56
تقابل با محفظه احتراق........................................................................................................................58
انتقال حرارت پره..............................................................................................................................65
     -خميدگي......................................................................................................................................69
     -تاثيرات ناهمواری..........................................................................................................................74
     -اغتشاش.....................................................................................................................................................76
خنک سازی فیلم پره..........................................................................................................................76
     -نسبت دمش.................................................................................................................................86
     -انحناي سطح................................................................................................................................87
     -گراديان فشار...............................................................................................................................88
     -آشفتگي جريان اصلي...................................................................................................................89
     -شيارهاي خنك سازي فيلم...........................................................................................................91
     -تجمع فيلم.................................................................................................................................92
     -تاثير تزريق هواي خنك سازي فيلم روي انتقال حرارت سطح......................................................94
موضوعات خنك سازي ديواره نهایی....................................................................................................95
خنك سازي تيغه توربين...................................................................................................................100
تاثیرات سه بعدی ودورانی روی انتقال حرارت تیغه.............................................................................102
     -نیروهای دورانی.........................................................................................................................102
     -تاثيرات سه بعدي......................................................................................................................105
پروفایل دماي گاز شعاعی................................................................................................................106
 
تاثيرات ناپيوستگي...........................................................................................................................107
تكنيك هاي خنك سازي دروني تيغه................................................................................................109
     -گذرگاههاي دروني هموار............................................................................................................111
     - تيرك ها/فین ها (نوارهاي زاويه دار يا طولي)..............................................................................113
     -پین فین ها..............................................................................................................................121
     -تاثير جت ................................................................................................................................................128
     -جريان گردابي...........................................................................................................................138
     -خنك سازي فيلم.......................................................................................................................141
موضوعات خنك سازي سكو و راس ...................................................................................................144
خنك سازي ساختارهاي روتور و استاتور............................................................................................148
     -منبع خنك سازي و سيستم هاي هواي ثانويه .............................................................................148
بافر كردن مجموعه ديسك و روشهاي خنك سازي ديسك.................................................................153
خنك سازي ساختارحفاظتی نازل و جایگاه توربين...........................................................................158
خنك سازي  محفظه احتراق..............................................................................................................161
     -تاثير تحول طراحي  محفظه احتراق روي تكنيك هاي خنك سازي..............................................161
خنك سازي تعريق..........................................................................................................................167
خنك سازي نشتي...........................................................................................................................169
همرفتي بخش پشتي افزوده.............................................................................................................173
پوشش دهي حصار حرارتي...............................................................................................................177
انتقال حرارت تجربي پيشرفته و معتبر سازي خنك سازي..................................................................179
ارزیابی انتقال حرارت بيروني و تكنيك هاي معتبر سازي خنك سازي...............................................180
     -رنگ حساس به فشار.................................................................................................................182
     -ارزيابي غير مستقيم آشفتگی....................................................................................................185
ارزيابي هاي انتقال حرارت و جريان داخلي.........................................................................................188
شبيه سازي انتقال حرارت مزدوج و معتبر سازي در يك آبشار داغ......................................................194
     -معتبر سازي تاثير خنك سازي تيغه در آبشار داغ........................................................................194
شرايط مرزي تجربي ديسك توربين...................................................................................................200
تائيد خنك سازي در يك آزمون موتور..............................................................................................204
     -ابزار بندي متعارف......................................................................................................................204
     -پيرومتر درج شده درگاه بروسكوب............................................................................................205
     -رنگ هاي حرارتي دما بالا...........................................................................................................206
بررسي هاي چند نظامي در انتخاب سيستم خنك سازي توربين........................................................207
    
 
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.


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.

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.