21479

21479

بهينه‌سازي جريان نشتي نوك پره‌هاي توربين محوري به روش ايجاد اسكوئيلر و خنك‌كاري لايه‌اي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا - آيروديناميك

1396-97

1398/9/20

دكتر رضا تقوي زنوز

مكانيك

به‌منظور دستيابي به راندمان حرارتي بالا و افزايش توان خالص خروجي در سيكل برايتون توربين گاز، سازندگان در تلاش هستند تا دماي گاز داغ وارد شونده به توربين را افزايش دهند. به دليل وجود بار آيروديناميكي بالا و تنش مكانيكي وارد شونده به پره در كاركرد طولاني مدت موتور، اكثر مواد سازنده پره‌هاي توربين بدون حضور سيستم خنك‌كاري مؤثر، قادر به مقاومت در برابر بارهاي حرارتي وارده نيستند. خنك‌كاري لايه‌اي توسط تزريق هواي خنك‌كننده از طريق سوراخ‌هاي زاويه‌دار به جريان عرضي صورت مي‌گيرد و يك‌لايه‌ي محافظ بر روي پره ايجاد مي‌كند كه دماي سطح پره را كاهش مي‌دهد. در پايان‌نامه حاضر، ابتدا اثرات نسبت دمش بر روي عملكرد خنك‌كاري نوك پره داراي اسكوئيلر در كسكيد توربين محوري آزمايشگاه تحقيقاتي آيروديناميك و توربوماشين‌هاي تراكم پذير به‌صورت تجربي و با استفاده از روش اندازه‌گيري انتقال حرارت در حالت پايا و با كمك دمانگار مادون قرمز بررسي شده‌است. سپس با بهره‌گيري از رهيافت RANS به بررسي اثرات سه هندسه متفاوت نوك پره: تخت (PLNT)، داراي اسكوئيلر (SQLT) و حفره جزئي (PCT)، بر روي عملكرد خنك‌كاري در نوك پره توربين و بررسي افت‌هاي آيروديناميكي در سه هندسه مذكور پرداخته شده‌است. نتايج حاصل از تحقيقات تجربي نشان مي‌دهد در هندسه SQLT، با افزايش نسبت دمش، مناطق وسيع‌تري از نوك پره تحت پوشش سيال خنك‌كننده قرار مي‌گيرد و متوسط اثربخشي خنك‌كاري لايه‌اي در راستاي گام پره بر روي سطح حفره به‌تدريج از لبه حمله تا لبه فرار پره افزايش مي‌يابد. نتايج شبيه‌سازي عددي نشان مي‌دهد در تمام نسبت دمش‌ها، متوسط اثربخشي خنك‌كاري در سطح پروفيل نوك پره PLNT كمتر از دو هندسه SQLT و PCT است. با افزايش نسبت دمش از 5/0 به 75/0، متوسط اثربخشي در پره با نوك تخت افزايش پيدا مي‌كند و در مقادير بالاتر از 75/0، به علت جدا شدن جت خنك‌كننده از سطح، ضريب اثربخشي به ميزان 6% كاهش پيدا مي‌كند. در پره داراي اسكوئيلر، با افزايش نسبت دمش، متوسط ضريب اثربخشي بر روي لبه داخلي اسكوئيلر و سطح بالاي اسكوئيلر به ترتيب 23% و 15% افزايش پيدا مي‌كند. در پره PCT، با افزايش نسبت دمش، ضريب اثربخشي خنك‌كاري لايه‌اي در سطح حفره، لبه داخلي اسكوئيلر و قسمت بالاي آن به ترتيب 23%، 30% و 6% افزايش پيدا مي‌كند. در تمامي حالات، به جز كمترين نسبت دمش، متوسط ضريب اثربخشي بر روي سطح حفره در پره PCT بيشتر از پره SQLT است. در تمام نسبت دمش‌ها، متوسط ضريب انتقال حرارت در سطح پروفيل نوك پره با نوك تخت بسيار بيشتر از دو هندسه SQLT و PCT است. با افزايش نسبت دمش، مقدار متوسط ضريب انتقال حرارت در سطح پروفيل پره‌هاي PLNT، SQLT و PCT به ترتيب به مقدار 43%، 44% و40% كاهش پيدا مي‌كنند. تحليل و بررسي متوسط ضريب انتقال حرارت در نوك پره داراي اسكوئيلر نشان مي‌دهد كه در اثر ورود و شتاب‌گيري جريان نشتي در فاصله درز نوك، متوسط ضريب انتقال حرارت در بالاي اسكوئيلر و سطح داخلي لبه اسكوئيلر به‌صورت قابل‌توجهي بيشتر از ساير نواحي است. با بالا رفتن نسبت دمش، انتقال حرارت در سطوح ذكرشده كاهش پيدا مي‌كند. علاوه بر اين با خروج جريان نشتي از قسمت بالاي لبه اسكوئيلر در سمت مكش و تشكيل ورتكس نشتي نوك، انتقال حرارت محلي در نواحي نزديك به نوك لبه اسكوئيلر در سمت مكش افزايش پيدا مي‌كند. حضور اسكوئيلر سبب كاهش قدرت ورتكس نشتي نوك مي‌شود. علاوه بر اين، حضور قسمت تخت در لبه حمله‌ي پره PCT سبب گسترش ورتكس نشتي نوك و رشد ورتكس گذرگاهي نوك مي‌شود. با بررسي عملكرد آيروديناميكي در پره PLNT نشان داده شد؛ در نسبت دمش‌هاي پايين، تزريق خنك‌كننده مانع از عبور جريان نشتي در فاصله درز نوك و كاهش بيشينه افت فشار كل در هسته ورتكس مي‌شود. تزريق سيال خنك‌كننده در هندسه‌هاي SQLT و PCT، سبب افزايش افت نشتي نوك مي‌شود و در نسبت دمش‌هاي پايين، هندسه SQLT افت نشتي نوك كمتري در مقايسه با PCT و PLNT در پره ايجاد مي‌كند. به‌طوركلي، هندسه SQLT عملكرد آيروديناميكي بهتري نسبت به دو هندسه PLNT و PCT دارد و افزايش نسبت دمش سبب افزايش قدرت ورتكس نشتي از نوك در پره‌هاي داراي اسكوئيلر مي‌شود. واژه‌هاي كليدي: توربين محوري، روش خنك‌كاري لايه‌اي، اسكوئيلر، افت آيروديناميكي

1398/10/03

A Study of Tip Leakage Flow, Heat Transfer and Film Cooling Effectiveness on the Squealer Tip of a Turbine Blade

12/24/2019 12:00:00 AM

The Gas Turbine has conquered a wide range of applications in various fields, such as aviation and power generation. Improving the Thermal Efficiency of Gas Turbine is always one of our main objectives. To attain the higher thermal efficiency and increase the overall power output in the Brayton cycle of gas turbine engines, the turbine inlet temperature (TIT) has to be increased. However, due to high aerodynamic loading and inevitable mechanical stress, the turbine blade materials cannot withstand high thermal loads for a long period without a proper and effective cooling system. Turbine Blades are cooled by passing cooling air, which is extracted from the compressor of the engine, through passages internal to the blade. The main application of external cooling techniques, namely film cooling is to protect the external blade surface from the hot combustion gas. In the first part of the present dissertation, experimental research has been conducted in a low-speed linear cascade in order to investigate the effects of blowing ratio (BR) on Film Cooling Effectiveness distribution (η) in a Squealer Tip of a Turbine Blade. The Film Cooling Effectiveness was measured via the steady-state heat transfer measurement technique using an IR camera. In the second part, the effects of different blade tip configurations, namely Plane Tip, Squealer Tip, and Partial Cavity Tip on the aerodynamic and cooling Performance have been analyzed, using the RANS approach. The experimental and numerical results indicate that, with the increase of blowing ratio, the coolant jets provide better cooling coverage on the blade tip surface. In general, the pitch-averaged film cooling effectiveness gradually increases alongside the blade’s axial chord from leading edge to trailing edge of the blade. The Squealer Tip geometry showed better aerodynamic performance among other tip configurations which result in weaker tip leakage vortex and lower tip leakage flow rate. Partial Cavity Tip, which combines the advantages of Plane Tip and Squealer Tip, showed higher averaged film cooling effectiveness on cavity surface, and near the leading-edge region, the heat transfer coefficient for the Partial Cavity Tip was lower than that for the Squealer Tip.

بهينه‌سازي جريان نشتي نوك پره‌هاي توربين محوري به روش ايجاد اسكوئيلر و خنك‌كاري لايه‌اي

A Study of Tip Leakage Flow, Heat Transfer and Film Cooling Effectiveness on the Squealer Tip of a Turbine Blade , A Study of Tip Leakage Flow, Heat Transfer and Film Cooling Effectiveness on the Squealer Tip of a Turbine Blade