انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی

دسته: مکانیک
بازدید: 74 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 7818 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 159

برای موتورهای صنعتی الزامات پیشرو شامل دوام دراز مدت بدون نظارتهای مرتب و تعمیرات كلی می باشد نوعاً مولفه های صنعتی اصلی حداقل 30000 ساعت بین تعمیرات دوام می آورند و دارای توان بالقوه برای تعمیر گونه ای هستند كه میتوان عمر موتور را تا 100000 ساعت توسعه داد این با عمر مولفه توربین هواپیما كه تنها چند هزار ساعت است مقایسه می شود

قیمت فایل فقط 7,900 تومان

 انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی

انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی

Boris Glezer

راه حل های توربین بهینه سازی شده, سان دیگو, كالیفرنیا, U.S.A

این فصل عمدتاً روی موضوعات انتقال جرم و حرارت تمركز می یابد چون آنها برای خنك سازی مولفه های دستگاه توربین بكار می روند و انتظار می رود كه خواننده با اصول مربوطه در این رشته ها آشنایی داشته باشد. تعدادی از كتابهای فوق العاده (1-7) در بررسی این اصول توصیه می شوند كه شامل Streeter، دینامیك ها یا متغیرهای سیال Eckert و Drake، تجزیه و تحلیل انتقال جرم و حرارت، Incropera و Dewitt، اصول انتقال حرارت و جرم, Rohsenow و Hartnett، كتاب دستی انتقال حرارت, Kays، انتقال جرم و حرارت همرفتی, Schliching، تئوری لایه مرزی، و Shapiro، دینامیك ها و ترمودینامیك های جریان سیال تراكم پذیر

وقتی یك منبع جامع اطلاعات موجود باشد. مولف این فصل خواننده را به چنین منبعی ارجاع میدهد؛ با این وجود وقتی داده ها در صفحات یا مقالات گوناگون پخش شده باشند, مولف سعی می كند كه این داده ها را در این فصل بطور خلاصه بیان نماید.

a- سرعت صورت

b- بعد خطی در عدد دورانی

A- منطقه مرجع, منطقه حلقوی مسیر گاز

A_g – سطح خارجی لایه نازك هوا

 - عدد شناوری

BR,M- سرعت وزش

CP- حرارت ویژه در فشار ثابت

d-قطر هیدرولیك

e- ارتفاع آشفته ساز

 -عدد اكرت

g- شتاب گریز از مركز

FP= پارامتر جریان برای هوای خنك سازی

G= پارامتر ناهمواری انتقال حرارت

Gr=  - عدد گراشوف

h- ضریب انتقال حرارت

ht- ضریب انتقال حرارت افزایش یافته با آشفته سازها

 -نسبت شار اندازه حركت

k- رسانایی حرارتی

 -رسانایی حرارتی سیال

L-طول مربع

m-سرعت جریان جرم

mc- سرعت جریان خنك سازی

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 استاتیك

Pt= فشار كل

Ptin-فشار كل ورودی

Q- سرعت انتقال حرارت-سرعت انتقال انرژی

 شار حرارتی

P- شیب بام آشفته ساز

r- وضعیت شعاعی

R- شعاع میانگین, شعاع احتراق ساز (كمبوستور), مقاومت, ثابت گاز

Ri-شعاع موضعی پره

Rt- شعاع نوكم پره

Rh=شعاع توپی یا سر لوله پره

Rel=  - عدد رینولرز براساس قطر هیدرولیك

ReL= - عدد رینولرز براساس L

Ro= wb/v- عدد دورانی

Ros= 1/Ro- عدد Rossby

S-فاصله سطح نرمال شده

St- عدد Stanton

t- زمان

Tc- دمای هوای خنك سازی و نیز دمای تخلیه كمپرسور

Tf- دمای فیلم سطح

Tg- دمای گاز

Tgin- دمای گاز ورودی

Tm- دمای فلز, و نیز دمای لایه مخلوط سازی

Tref- دمای مرجع

Tst- دمای استاتیك موضعی

Tu- شدت جریان آشفتگی

- نوسان سرعت محوری محلی

uin- سرعت محوری گاز  ورودی

u,r,w- جریان اصلی یا مولفه های سرعت محوری جریان خنك سازی در مسیرهای  z, y x

w- پهنا

- زوایه شیب جت فیلم

- زاویه بین جت فیلم و محورهای جریان اصلی

- نسبت حرارتی ویژه

- ضریت جمعی ترسمه یا انبساط حرارتی, همواری سطح

- قابلیت انتشار حرارتی گردابی

 - قابلیت انتشار اندازه حركت گردابی

- تاثیر انتقال حرارت

- تاثیر خنك سازی

n- بارزه حرارتی

 - ویسكوزیته گاز مطلق

P- چگالی

- حد تنش گسیختگی

w- فركانس دورانی

زیر نویس ها

aw- دیوار آدیاباتیك

C- خنك كننده

d- براساس قطر لبه هدایت كننده (سیلندر)

f- فیلم

hc- آبشار گرم

o-كل

tuv-توربین

w-دیوار

- جریان اصلی

خنك سازی توربین بعنوان یك تكنولوژی كلیدی برای توسعه موتورهای توربین گازی

عملكرد یك موتور توربین گازی تا حد زیادی تحت تاثیر دمای ورودی توربین می باشد و افزایش عملكرد قابل توجه را می توان با حداكثر دمای ورودی توربین مجاز بدست آورد. از یك نقطه نظر عملكردی احتراق با دمای ورودی توربین در حدود می تواند یك ایده ال به شمار آید چون هیچ كاری برای كمپرس كردن هوای مورد نیاز برای رقیق كردن محصولات احتراقی به هدر نمی رود. بنابراین روند صنعتی جاری, دمای ورودی توربین را به دمای استوكیو سوخت  بخصوص بردی موتورهای نظامی, نزدیكتر می كند. با این وجود دماهای فلز مولفه مجاز نمی تواند از كند. برای كاركردن در دماهای گازی بالای این حد, یك سیستم خنك سازی مولفه بسیار موثر مورد نیاز است. پیشرفت در خنك سازی, یكی از ابزار اصلی برای رسیدن به دماهای ورودی توربین بالاتر می‌باشد و این امر به عملكرد اصلاح شده و عمر بهبود یافته توربین منتهی می شود. انتقال حرارت یك عامل طراحی مهم برای همه بخش های یك توربین گاز پیشرفته بخصوص در بخش های توربین و كمبوستور می باشد. در بحث وضعیت طراحی خنك سازی مصنوعی بخش داغ، باید به خاطر داشته باشید كه طراح توربین مرتباً تحت فشارهای شدید برنامه زمانبدی توسعه, قابلیت پرداخت, دوام و انواع دیگر محدودیت های درون نظامی می باشد و همه اینها قویاً انتخاب یك طرح خنك سازی را تحت تاثیر قرار میدهند.

چالش های خنك سازی برای دماهای گاز در حال افزایش بطور پیوسته و نسبت فشار كمپرسور

پیشرفت در موتورهای توربین گاز دارای توان ویژه بالا و بازده بالای پیشرفته نوعاً با افزایش در دمای عملكرد و كل نسبت فشار كمپرسور ارزیابی می شود. رایجترین موتورهای تك چرخه ای با نسبت‌های فشار بالاتر و دماهای گاز افزایش یافته به شكل متناسب می تواند توان بیشتری را با همان اندازه و وزن و بازده سوخت موتور كلی بهتر بدست آورد. موتورهای دارای بهبود دهنده ها از لحاظ ترمودینامیكی از نسبت های فشار بالای كمپرسور, بهره نمی برند. آلیاژهای پیشرفته برای لایه ها نازك توربین می تواند به شكلی ایمن در دماهای فلز كمتر از    عمل كرده و آلیاژها برای صفحات و ساختارهای ساكن به  محدود می شوند. ولی توربین های گازی مدرن در دماهای ورودی توربین عمل می كنند كه در سن بالای این محدوده هاست. همچنین یك تفاوت قابل توجه در دمای عملكردی بین توربین های هواپیمای پیشرفته و توربین های صنعتی وجود دارد. این نتیجه تفاوتهای اصلی در عمر, وزن, كیفیت هوا/ سوخت و محدودیت های مربوط به تابش ها می باشد.

برای موتورهای هوازی پیشرفته, دماهای ورودی پره توربین نزدیك به  و نسبت های فشار كمپرسور در حدود 40:1 تبدیل به یك واقعیت شده است. توان ویژه بالا كه برای این نوع از موتورها, هدف عمده می باشد, در راستای بهره بالا بدست می‌آید. چنین شرایط اجرایی بطور ذاتی نیازمند نظارت های مرتب موتور و نظارت پیوسته سلامت می باشد.

برای موتورهای صنعتی, الزامات پیشرو, شامل دوام دراز مدت بدون نظارتهای مرتب و تعمیرات كلی می باشد. نوعاً مولفه های صنعتی اصلی حداقل 30000 ساعت بین تعمیرات دوام می آورند و دارای توان بالقوه برای تعمیر گونه ای هستند كه میتوان عمر موتور را تا 100000 ساعت توسعه داد. این با عمر مولفه توربین هواپیما كه تنها چند هزار ساعت است مقایسه می شود.

این فاكتور و نیز لازم معمول فشار تخلیه كمپرسور كه باید كمتر از فشار منبع سوخت خط لوله گاز موجود باشد, به یك مادی ورودی پره توربین تقریباً بالا منتهی می شود. حد TRIT برای یك توربین

گاز صنعتی پیشرفته در دامنه 1260 تا فرمول توسعه می یابد.

  تاریخچه اخیر افزایش پیوسته TRIT و نسبت های فشار كمپرسور را به تصویر می كشد. این روند دمایی در حال افزایش باعث می‌شود كه دما های گاز عملكردی تا حد قابل توجهی از حدهای قابلیت ماده قابل قبول فراتر برود و این مستلزم كاربرد خنك سازی در مولفه های بخش داغ موتور بخصوص در مولفه هایی می باشد كه در معرض محیط دارای دمای بالاتر دارند. هوای نسبتاً سرد از تخلیه كمپرسور و در برخی موارد, از مراحل كمپرسور میانی, منبع متعارف برای خنك كردن مولفه های توربین می باشد. بعد از انجام وظیفه خنك سازی, این هوا به جریان اصلی تخلیه می شود. هوای خنك سازی تخلیه شده در هر مرحله خاص خنك سازی عملاً هیچ كاری را در این مرحله قبل از شدت یافتن, تا شدت جریان اصلی, انجام نمی دهد. این به افت های قابل توجه در كار موتور منتهی می شود. بطور خلاصه, نقاط ضعف سیستم خنك سازی هوای آزاد شامل تاثیر خنك سازی نسبتاً كم می باشد و افت های قابل توجه كار برای كمپرس هوای خنك سازی و افت های مخلوط كردن كه بازده آیرودینامیك توربین مورد نیاز است. مزیت اصلی سیستم خنك سازی هوای باز آن را به رایجترین نمونه برای توربین های گازی به خاطر سادگی آن در مقایسه با یك سیستم خنك سازی حلقه بسته تبدیل كرده است.

با توجه به نسبت های فشار هوای كمپرس شده برای موتورهای هوایی كه از 30:1 تجاوز كرده و به 40:1 می رسد, دمای هوای تخلیه كمپرسور به   می‌رسد. این یك مشكل مهم را در استفاده از این هوا برای خنك كردن دیسك های توربین دارای قسمت ساكن و مجاورت مراحل آخر یك پره كمپرسور با در نظر گرفتن این مطلب كه قابلیت دمای ماده برای این مولفه ها به   محدود شده است, ایجاد می نماید. كاربرد یك هوای كم دماتر از یك سری مراحل كمپرسور میانی می تواند مفید باشد و این در صورتی است كه این هوا دارای حاشیه فشار كافی بالای فشار بیرونی مولفه خنك شده باشد. در برخی موارد, دمای هوای تخلیه را می توان در یك تبادلگر حرارت بیرونی مثلاً با استفاده الز یك كنارگذر در موتورهای هوا یا آب در توربین های صنعتی دارای چرخه مركب, كاهش داد.

یك سیستم خنك سازی بسته كه در آن خنك ساز مرتباً در یك حلقه بسته می چرخد بازده بیشتری را بدست می دهد ولی این جایگزین پیچیده تری برای سیستم باز می باشد. سیستم های  حلقه بسته كه در آنها از خنك سازهای فلزی مایع استفاده می شود برای كاربردهای فضایی شناخته شده اند. یك سیستم خنك سازی بخار حلقه بسته كه چندین دهه قبل آزمایش شده اند, عمومیت خود را برای توربین های گازی صنعتی با بار كار سنگین بخصوص در طرح های تولید نیروی چرخه مركب بدست آورده اند.

پیشرفت ها در تكنولوژی خنك سازی یك ابزار مهم به همراه پیشرفت هایی در مواد دارای دمای بالا برای رسیدن به دماهای ورودی توربین بالاتر می باشند. سیستم های خنك سازی باید برای تضمین این مطلب طراحی شوند كه دماهای مولفه حداكثر و گرادیان های دمایی تجربه شده در طول عملكرد موتور سازگار با حداكثر حد تنش القا شده توسط عمر عملكردی ویژه مولفه می‌باشد.

طراحی سیستم خنك سازی و فرایند توسعه به تجربه طراحی نوآورانه كه با روشهای تحلیلی اثبات شده و دارای تسهیلات تجربی و نیز مواد پیشرفته و تكنیك های تولید می باشد نیاز دارد. این اعتماد لازم برای پیش بینی دماهای مولفه توربین تاثیر گذار روی عمر و عملكرد موتور را توسعه می دهد.

یك جالش طراحی اصلی در كسب بازده توربین بالا, به حداقل رساندن سرعت جریان هوای خنك سازی توربین با بهترین كاربرد پتانسیل خنك سازی آن برای ارائه دماهای مولفه خواسته شده می‌‌باشد.

یك فاكتور مضاعف كه باید در نظر گرفته شود بخصوص در محیط های صنعتی, كیفیت هوا/ سوخت می باشد. كه اغلب مسئول فرسایش پوشش هایی است كه مولفه های بخش داغ را حفاظت می كند. عملكرد در چنین محیطی به مسیرهای خنك سازی بزرگتر برای اجتناب از بسته شدن یابكو ؟ شدن آنها نیاز دارد.

مولفه های توربین گاز اصلی كه نوعاً به خنك سازی نیاز دارند شامل:

پره های افشانك مرحله 1 و مرحله 2

پره های مرحله 1

ساختار حفاظتی برای افشانك ها و بخش های نوك دار (دیافراگم ها و افشانك) 

دیسك توربین / مونتاژهای پروانه

خطی های كمبوستور

علاوه بر كاهش دمای مولفه, نقش مهم دیگری برای سیستم خنك سازی, كنترل وضعیت نسبی بین پروانه و قسمت ساكن به شكل مثبت و منفی و حفظ شفافیت نوك – پروانه توربین می باشد.

تكنیك های خنك سازی استفاده شده متداول

رایجترین تكنیك های خنك سازی، بنا به دلایل فوق الذكر، مبتنی بر كاربرد هوای القا شده از تخلیه كمپرسور یا مراحل میانی می باشد شكل 2 یك بخش داغ توربین ژنریك با عوامل اصلی توربین و سیستم خنك سازی كمبوستور را به تصویر می كشد. معرفی جریان نزولی هوای خنك سازی توربین در كمبوستور باعث نررسایی عملكرد دوربین می شود چون كار كمتری از هوای خنك سازی كمپرس شده استخراج می شود. در همین زمان مقدار كاهش یافته هوای موجود برای كمبوستور خنك سازی خطی و كنترل پرتو را مشكل تر می سازد. این دارای یك چالش اصلی برای طراحی سیستم خنك سازی است. یك سیستم را انتخاب كنید كه به حداقل مقدار هوای خنك سازی برای رسیدن به دمای فلز مورد هدف از مولفه های توربین نیاز داشته باشد و كمترین تاثیر منفی روی دوام موتور، عملكرد, وزن, پرتو تابی، هزینه و پیچیدگی تولید را بوجود می آورد. خارج از این مهمترین ویژگی های موتور, كاهش وزن یك معیار اصلی طراحی برای موتورهای هوایی بوده و دوام دراز مدت و كاهش پرتوتابی اغلب عوامل مورد هدف مهم برای موتورهای صنعتی هستند.

تیغه های افشانك این مرحله در بالاترین دماهای گاز چرخه ای عمل كرده و تیغه ها تركیبی از دماهای بالا و بارهای گریز از مركز را تجربه می كنند. به همین ترتیب, خنك سازی، پر چالش ترین وظیفه را در طرح سیستم خنك سازی توربین ارائه می دهد.

بارهای حرارتی متداول برای تیغه ها (شرایط مرزی حرارتی در سطوح بیرونی) را می توان به یك شكل ساده شده بعنوان یك تركیبی از ضرایب انتقال حرارت محلی و دماهای گاز ورودی پروانه توربین نسبی (TRIT) ارائه داد.

خنك سازی لایه نازك هوای درونی برای بارهای حرارتی دارای توازن معكوس به منظور حفظ دماهای فلز در یك سطح قابل قبول مرتب می شود. (شكل 3).

تعدادی از تكنیك های خنك سازی پیچیده برای اجازه دادن به دماهای گاز نزدیك به  به حد بالاتر از حد دمای ماده توسعه یافته اند. این تكنیك های خنك سازی را می توان به سه گروه تقسیم كرد.

1-خنك سازی رسانایی درونی كه در آن خنك سازی با رسانایی انجام می شود (بدون ارائه تاثیر خنك سازی بیشتر با صرف هوا). این الگو را می توان به شش گروه فرعی تقسیم كرد:

(a)   كانال های هموار

(b)   گذرگاه درونی افزایش یافته, با باریكه های طولی

(c)   كانال هایی با باریكه های زاویه دار و یا نرمال (نواری)

(d)  كانال هایی ارتقاء یافته با پایه ستون ها یا میله های ریز

(e)    خنك سازی جت با یا بدون جریان عرضی

(f)    جریان مارپیچی خنك ساز

2-خنك سازی فیلم بیرونی كه در آن خنك ساز یك مانع فیلم حفاظتی روی سطح مولفه را ایجاد می كند. در اكثر موارد این نوع از خنك سازی با همرفتی درونی مزدوج می شود و از هوای خنك سازی صرف شده برای حفاظت فیلم استفاده می كند. یك توجه خاص باید به خنك سازی فیلم مجاورت لبه هدایت كننده معطوف گردد كه تحت عنوان خنك سازی راس روش شناخته می شود.

3-خنك سازی تعریق كه در آن خنك ساز از طریق یك دیوار سوراخ دار به سطح لایه نازك هوا نفوذ می كند، موثرترین نمودار خنك سازی هوا می باشد ولی دارای محدودیت های خاصی بخاطر اندازه كوچك سوراخ ها و مشكل بالقوه بلوكه شدن شان می باشند. همچنین افت های ایرو دینامیكی می‌تواند بخاطر تزریق نرمال هوای خنك سازی كم شدت جریان در لایه مرزی یك جریان اصلی مهم باشد. با این وجود، وقتی این تكنیك برای یك پوشش كمبوستور به شكل خنك سازی خروجی با استفاده از مقدار قابل توجهی از هوای خنك سازی به كار برده شود، محدودیت فوق الذكر، مرتبط نمی باشد چون هوا را می توان از طریق سوراخ های نسبتاً بزرگ كه بعداً با یك جریان اصلی دارای شدت جریان كمتر تركیب می شود تخلیه كرد. 

جهت دریافت فایل انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی لطفا آن را خریداری نمایید

قیمت فایل فقط 7,900 تومان

برچسب ها : انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی , طرح توجیهی انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی , دانلود انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی , مکانیک , توربین گازی , سرعت رمش , سیستم خنك سازی , چالش های خنك سازی برای دماهای گاز در حال افزایش بطور پیوسته و نسبت فشار كمپرسور , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه