مقاله انتقال حرارت در توربین های گازی

این مقاله در مورد انتقال حرارت در توربین های گازی است و به بررسی تأثیر تلاطم جریان، پروفیل دما، هندسه پره ها و اجزاء مسیر گاز داغ بر بار حرارتی و عملکرد بهینه توربین می پردازد.

مقدمه
انتقال حرارت در توربین های گازی یکی از مسائل اساسی و پیچیده در مهندسی انرژی و طراحی اجزاء پر بازده محسوب می شود. عملکرد بهینه توربین ها مستقیماً به کنترل و مدیریت جریان حرارت وابسته است، چرا که دماهای بالای ورودی به توربین و جریان های گاز داغ خروجی از محفظه احتراق، تأثیر قابل توجهی بر روی بار حرارتی و رفتار مولفه های مسیر گاز دارد. در سال های اخیر، پیشرفت های طراحی در محفظه های احتراق موجب افزایش دمای ورودی توربین ها شده است، امری که نیازمند توجه دقیق به رفتار انتقال حرارت در تمام اجزاء در تماس با جریان گاز داغ می باشد. شناخت دقیق پارامترهایی که بر انتقال حرارت تأثیر می گذارند، از جمله تلاطم جریان، پروفیل دمای خروجی، و ویژگی های هندسی اجزاء توربین، امکان پیش بینی دقیق بار حرارتی و بهبود روش های مدیریت گرما را فراهم می کند.

یکی از مهم ترین عوامل تأثیرگذار بر انتقال حرارت در توربین ها، تلاطم جریان خروجی از محفظه احتراق است. جریان گاز خروجی به طور طبیعی دارای تلاطم بالا بوده و این تلاطم می تواند تا ۲۰ تا ۲۵ درصد در پره های مرحله اول توربین مشاهده شود. شدت تلاطم و الگوهای آن، بار حرارتی وارد بر پره ها و سایر اجزاء مسیر گاز را شکل می دهد و در تعیین کارایی خنک کاری و استحکام حرارتی اجزاء حیاتی است. تحقیقات متعددی با استفاده از مدل سازی های آزمایشگاهی و شبیه سازی های مقیاس بزرگ، تأثیر پروفیل های دما و تلاطم جریان را بر انتقال حرارت بررسی کرده اند. این بررسی ها شامل تحلیل سطوح صاف و منحنی اجزاء، مدل های لبه های هدایت کننده، کسکیدهای ایرفویل و سایر اجزای مسیر گاز داغ می شود و توانسته اند رفتار گرمایی پره ها و نوک های آن ها را به شکل قابل توجهی روشن سازند.

مقدار انتقال حرارت به پره های روتور و استاتور تحت تأثیر چندین عامل است. سرعت خروجی محفظه احتراق و پروفیل های دمای جریان، جریان های حلقوی و مارپیچی، تلاطم متوسط تا کم جریان آزاد، و دوران پره ها از جمله مهم ترین عوامل هستند. مطالعاتی مانند تحقیقات Goldstein، Moss و Oldfield به ارائه طیف های تلاطم و مدل سازی سرعت های خروجی پرداخته اند، که نشان دهنده پیچیدگی رفتار حرارتی جریان های داغ و نیاز به تحلیل دقیق در شرایط شبیه سازی شده است. این مطالعات حتی در فشارهای اتمسفری و دماهای پایین انجام شده اند، اما داده های به دست آمده کمک کرده اند تا درک بنیادی از انتقال حرارت در توربین ها شکل گیرد و الگوهای جریان و تلاطم در مقیاس واقعی بهتر پیش بینی شوند.

محفظه های احتراق مدرن با طراحی های قوطی مانند، جریان هوای فشرده را با سوخت در مسیرهای مشخصی مخلوط می کنند و دماهای شعله آدیاباتیک بالایی تولید می کنند. افزایش جریان سوخت، موجب افزایش شدت احتراق و تغییر پروفیل دما و تلاطم می شود. این تغییرات به طور مستقیم بر سرعت محوری، سرعت پیچ و تاب (مارپیچی) و شدت تلاطم جریان تأثیرگذار هستند و رفتار انتقال حرارت در نواحی مختلف پره ها و دیواره ها را شکل می دهند. کاهش یا افزایش تلاطم جریان، تغییرات چشمگیری در بار حرارتی ایجاد کرده و توزیع دما در پره ها و تیغه های توربین را دستخوش تغییر می کند.

علاوه بر پارامترهای جریان، ویژگی های هندسی اجزاء توربین نیز نقش مهمی در انتقال حرارت دارند. دیواره های انتهایی ایرفویل، نوک پره ها، سکوها، و لبه های هدایت کننده نواحی بحرانی محسوب می شوند که به دلیل تماس مستقیم با جریان داغ و تلاطم بالا، بیشترین بار حرارتی را تجربه می کنند. تحلیل های تجربی و شبیه سازی شده نشان داده اند که گرادیان فشار، انحنای جهت جریان و زبری سطح می توانند شدت انتقال حرارت را افزایش یا کاهش دهند و به همین دلیل، در طراحی پره ها و مسیرهای گاز داغ، توجه دقیق به این پارامترها ضروری است.

بررسی های انجام شده بر روی انتقال حرارت در توربین ها نه تنها رفتار حرارتی اجزاء را به شکل دقیق تر آشکار می سازد، بلکه امکان پیش بینی اثرات شرایط عملیاتی متفاوت، تغییرات سرعت و پروفیل دما، و تأثیرات تلاطم جریان بر روی بار حرارتی کل توربین را فراهم می کند. این تحلیل ها زمینه ساز طراحی بهینه تر پره ها و مسیرهای گاز، انتخاب روش های مناسب خنک کاری، و بهبود کارایی حرارتی توربین های گازی مدرن هستند. توجه به تعامل بین پارامترهای جریان، دما و هندسه اجزاء، درک عمیق تری از فرآیندهای انتقال حرارت و رفتار دینامیک جریان های گاز داغ ایجاد می کند و در نتیجه مسیر توسعه توربین های پر بازده و مقاوم در برابر دماهای بالا را روشن می سازد.

فهرست مطالب
انتقال حرارت در توربین
مقدمه
انتقال حرارت دیوار انتهایی ایرفویل
انتقال حرارت نوک پره صاف
انتقال حرات ناحیه لبه هدایت کننده
تأثیر مسیر ناپایدار
تأثیر تلاطم جریان آزاد
تأثیر گرادیان فشار
تأثیر انحنای جهت جریان
تأثیرات زبری سطح
انتقال حرارت در توربین