پایان نامه سیستم خنک سازی توربین ها – انتخاب یک سیستم خنک سازی توربین گازی
مقدمه:
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
b- بعد خطي در عدد دوراني
- منطقه مرجع, منطقه حلقوي مسير گاز
Ag – سطح خارجي لايه نازك هوا
– عدد شناوري
BR,M- سرعت وزش
CP- حرارت ويژه در فشار ثابت
d-قطر هيدروليك
e- ارتفاع آشفته ساز
-عدد اكرت
g- شتاب گريز از مركز
FP= پارامتر جريان براي هواي خنك سازي
G= پارامتر ناهمواري انتقال حرارت
Gr= – عدد گراشوف
h- ضريب انتقال حرارت
ht- ضريب انتقال حرارت افزايش يافته با آشفته سازها
-نسبت شار اندازه حركت
k- رسانايي حرارتي
-رسانايي حرارتي سيال
L-طول مربع
m-سرعت جريان جرم
mc- سرعت جريان خنك سازي
M= – سرعت رمش
Ma= r/a- عدد mach
rpm وN- سرعت پروانه
NUL= hL/kf- عدد Nusselt
Pr= -عدد pradtl
PR= نسبت فشار كمپرسور
Ps=فشار استاتيك
Pt= فشار كل
Ptin-فشار كل ورودي
Q- سرعت انتقال حرارت-سرعت انتقال انرژي
شار حرارتي
P- شيب بام آشفته ساز
r- وضعيت شعاعي
R- شعاع ميانگين, شعاع احتراق ساز (كمبوستور), مقاومت, ثابت گاز
Ri-شعاع موضعي پره
Rt- شعاع نوكم پره
Rh=شعاع توپي يا سر لوله پره
Rel= – عدد رينولرز براساس قطر هيدروليك
ReL= – عدد رينولرز براساس L
Ro= wb/v- عدد دوراني
Ros= 1/Ro- عدد Rossby
S-فاصله سطح نرمال شده
St- عدد Stanton
t- زمان
Tc- دماي هواي خنك سازي و نيز دماي تخليه كمپرسور
Tf- دماي فيلم سطح
Tg- دماي گاز
Tgin- دماي گاز ورودي
Tm- دماي فلز, و نيز دماي لايه مخلوط سازي
Tref- دماي مرجع
Tst- دماي استاتيك موضعي
Tu- شدت جريان آشفتگي
– نوسان سرعت محوري محلي
uin- سرعت محوري گاز ورودي
u,r,w- جريان اصلي يا مولفه هاي سرعت محوري جريان خنك سازي در مسيرهاي z, y x
w- پهنا
– زوايه شيب جت فيلم
– زاويه بين جت فيلم و محورهاي جريان اصلي
– نسبت حرارتي ويژه
– ضريت جمعي ترسمه يا انبساط حرارتي, همواري سطح
– قابليت انتشار حرارتي گردابي
– قابليت انتشار اندازه حركت گردابي
– تاثير انتقال حرارت
– تاثير خنك سازي
n- بارزه حرارتي
– ويسكوزيته گاز مطلق
P- چگالي
– حد تنش گسيختگي
w- فركانس دوراني
زير نويس ها
aw- ديوار آدياباتيك
C- خنك كننده
d- براساس قطر لبه هدايت كننده (سيلندر)
f- فيلم
hc- آبشار گرم
o-كل
tuv-توربين
w-ديوار
– جريان اصلي
خنك سازي توربين بعنوان يك تكنولوژي كليدي براي توسعه موتورهاي توربين گازي
عملكرد يك موتور توربين گازي تا حد زيادي تحت تاثير دماي ورودي توربين مي باشد و افزايش عملكرد قابل توجه را مي توان با حداكثر دماي ورودي توربين مجاز بدست آورد. از يك 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 استوكيو سوخت بخصوص بردي موتورهاي نظامي, نزديكتر مي كند. با اين وجود دماهاي فلز مولفه مجاز نمي تواند از كند. براي كاركردن در دماهاي گازي بالاي اين حد, يك سيستم خنك سازي مولفه بسيار موثر مورد نياز است. پيشرفت در خنك سازي, يكي از ابزار اصلي براي رسيدن به دماهاي ورودي توربين بالاتر ميباشد و اين امر به عملكرد اصلاح شده و عمر بهبود يافته توربين منتهي مي شود. انتقال حرارت يك عامل طراحي مهم براي همه بخش هاي يك توربين گاز پيشرفته بخصوص در بخش هاي توربين و كمبوستور مي باشد. در بحث وضعيت طراحي 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 گاز در حال افزايش بطور پيوسته و نسبت فشار كمپرسور
پيشرفت در موتورهاي توربين گاز داراي توان ويژه بالا و بازده بالاي پيشرفته نوعاً با افزايش در دماي عملكرد و كل نسبت فشار كمپرسور ارزيابي مي شود. رايجترين موتورهاي تك چرخه اي با نسبتهاي فشار بالاتر و دماهاي گاز افزايش يافته 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 لايه ها نازك 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 در سن 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 هوا/ سوخت و محدوديت هاي مربوط به تابش ها مي باشد.
براي موتورهاي هوازي پيشرفته, دماهاي ورودي پره 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 راستاي بهره بالا بدست ميآيد. چنين شرايط اجرايي بطور ذاتي نيازمند نظارت هاي مرتب موتور و نظارت پيوسته سلامت مي باشد.
براي موتورهاي صنعتي, الزامات پيشرو, شامل دوام دراز مدت بدون نظارتهاي مرتب و تعميرات كلي مي باشد. نوعاً مولفه هاي صنعتي اصلي حداقل 30000 ساعت بين تعميرات دوام مي آورند و داراي توان بالقوه براي تعمير گونه اي هستند كه ميتوان عمر موتور را تا 100000 ساعت توسعه داد. اين با عمر مولفه توربين هواپيما كه تنها چند هزار ساعت است مقايسه مي شود.
اين فاكتور و نيز لازم معمول 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 فرمول توسعه مي يابد.
تاريخچه اخير افزايش پيوسته TRIT و نسبت هاي فشار كمپرسور را به تصوير مي كشد. اين روند دمايي در حال افزايش باعث ميشود كه دما هاي گاز عملكردي تا حد قابل توجهي از حدهاي قابليت ماده قابل قبول فراتر برود و اين مستلزم كاربرد خنك سازي در مولفه هاي بخش داغ موتور بخصوص در مولفه هايي مي باشد كه در معرض محيط داراي دماي بالاتر دارند. هواي نسبتاً سرد از تخليه كمپرسور و در برخي موارد, از مراحل كمپرسور مياني, منبع متعارف براي خنك كردن مولفه هاي توربين مي باشد. بعد از انجام وظيفه خنك سازي, اين هوا به جريان اصلي تخليه مي شود. هواي خنك سازي تخليه شده در هر مرحله خاص خنك سازي عملاً هيچ كاري را در اين مرحله قبل از شدت يافتن, تا شدت جريان اصلي, انجام نمي دهد. اين به افت هاي قابل توجه در كار موتور منتهي مي شود. بطور خلاصه, نقاط ضعف سيستم خنك سازي هواي آزاد شامل تاثير خنك سازي نسبتاً كم مي باشد و افت هاي قابل توجه كار براي كمپرس هواي خنك سازي و افت هاي مخلوط كردن كه بازده آيروديناميك توربين مورد نياز است. مزيت اصلي سيستم خنك سازي هواي باز آن را به رايجترين نمونه براي توربين هاي گازي به خاطر سادگي آن در مقايسه با يك سيستم خنك سازي حلقه بسته تبديل كرده است.
با توجه به نسبت هاي فشار هواي كمپرس شده براي موتورهاي هوايي كه از 30:1 تجاوز كرده و به 40:1 مي رسد, دماي هواي تخليه كمپرسور به ميرسد. اين يك مشكل مهم را در استفاده از اين هوا براي خنك كردن ديسك هاي توربين داراي قسمت ساكن و مجاورت مراحل آخر يك پره كمپرسور با در نظر گرفتن اين مطلب كه قابليت دماي ماده براي اين مولفه ها به محدود شده است, ايجاد مي نمايد. كاربرد يك هواي كم دماتر از يك سري مراحل كمپرسور مياني مي تواند مفيد باشد و اين در صورتي است كه اين هوا داراي حاشيه فشار كافي بالاي فشار بيروني مولفه خنك شده باشد. در برخي موارد, دماي هواي تخليه را مي توان در يك تبادلگر حرارت بيروني مثلاً با استفاده الز يك كنارگذر در موتورهاي هوا يا آب در توربين هاي صنعتي داراي چرخه مركب, كاهش داد.
يك سيستم خنك سازي بسته كه در آن خنك ساز مرتباً در يك حلقه بسته مي چرخد بازده بيشتري را بدست مي دهد ولي اين جايگزين پيچيده تري براي سيستم باز مي باشد. سيستم هاي حلقه بسته كه در آنها از خنك سازهاي فلزي مايع استفاده مي شود براي كاربردهاي فضايي شناخته شده اند. يك سيستم خنك سازي بخار حلقه بسته كه چندين دهه قبل آزمايش شده اند, عموميت خود را براي توربين هاي گازي صنعتي با بار كار سنگين بخصوص در طرح هاي توليد نيروي چرخه مركب بدست آورده اند.
پيشرفت ها در تكنولوژي خنك سازي يك ابزار مهم به همراه پيشرفت هايي در مواد داراي دماي بالا براي رسيدن به دماهاي ورودي توربين بالاتر مي باشند. سيستم هاي خنك سازي بايد براي تضمين اين مطلب طراحي شوند كه دماهاي مولفه حداكثر و گراديان هاي دمايي تجربه شده در طول عملكرد موتور سازگار با حداكثر حد تنش القا شده توسط عمر عملكردي ويژه مولفه ميباشد.
طراحي سيستم خنك سازي و فرايند توسعه به تجربه طراحي نوآورانه كه با روشهاي تحليلي اثبات شده و داراي تسهيلات تجربي و نيز مواد پيشرفته و تكنيك هاي توليد مي باشد نياز دارد. اين اعتماد لازم براي پيش بيني دماهاي مولفه توربين تاثير گذار روي عمر و عملكرد موتور را توسعه مي دهد.
يك جالش طراحي اصلي در كسب بازده توربين بالا, به حداقل رساندن سرعت جريان هواي خنك سازي توربين با بهترين كاربرد پتانسيل خنك سازي آن براي ارائه دماهاي مولفه خواسته شده ميباشد.
يك فاكتور مضاعف كه بايد در نظر گرفته شود بخصوص در محيط هاي صنعتي, كيفيت هوا/ سوخت مي باشد. كه اغلب مسئول فرسايش پوشش هايي است كه مولفه هاي بخش داغ را حفاظت مي كند. عملكرد در چنين محيطي به مسيرهاي خنك سازي بزرگتر براي اجتناب از بسته شدن يابكو ؟ شدن آنها نياز دارد.
مولفه هاي توربين گاز اصلي كه نوعاً به خنك سازي نياز دارند شامل:
پره هاي افشانك مرحله 1 و مرحله 2
پره هاي مرحله 1
ساختار حفاظتي براي افشانك ها و بخش هاي نوك دار (ديافراگم ها و افشانك)
ديسك توربين / مونتاژهاي پروانه
خطي هاي كمبوستور
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.