بررسی تأثیر زبری در افت کارایی یک مرحله کامل توربین گاز

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

2 دانشیار، مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

3 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

توربین های گازی از اهمیت بالایی در صنعت برخوردار هستند و کاربردهای فراوانی دارند. تاکنون به رغم تعدادی از تحقیقات تجربی گزارش شده، تعداد کمی مطالعه عددی پیرامون تأثیر زبری بر عملکرد توربین ارائه شده است. این مقاله یک تحقیق عددی پیرامون کاهش عملکرد و میزان افت در یک مرحله از توربین جریان محوری ناشی از زبر شدن پره هاست. محاسبات عددی با استفاده از کدنویسی در نرم افزار C++ انجام شده است و از روش عددی رو برای حل معادلات حاکم در مختصات عمومی استفاده شده است. برای شبیه سازی جریان مغشوش از مدل بالدوین–لومکس و جهت شبیه سازی زبری از مدل سبسی–چانگ استفاده شده است. برای پی بردن به اثرات زبری در یک مرحله توربین، چندین ارتفاع زبری معادل با ذرات شن و ماسه در رژیم زبری گذرا و کاملاً زبر روی پره های استاتور و روتور با ترکیب های مختلف شبیه سازی شده است. نتایج نشان می دهد که راندمان مرحله با افزایش ارتفاع زبری کاهش می یابد. همچنین افزایش بیشتر زبری سطح در استاتور و روتور باعث افزایش زاویه انحراف جریان و در نتیجه کاهش ضریب کار خواهد شد. در ضمن با اعمال زبری، ضریب افت هم در پره های استاتور و هم در پره های روتور افزایش می یابد، مخصوصاً روی سطوح مکش این افت مشهودتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Giampaolo A (2006) Gas Turbine Handbook: Principles and Practices. 3nd edn. The Fairmont Press.

[2] Yun Y, Park Y, Song SJ (2005) Performance Degradation Due to Blade Surface Roughness in a Single-Stage Axial Turbine. ASME J Turbomach.  137-143.

[3] Bammert K, Sandstede H (1972) Measurements Concerning the Influence of Surface Roughness and Profile Changes on the Performance of Gas. ASME J Engineering for Power. 207-213.

[4] Kind RJ, Serjac PJ, Abbott MWP (1998) Measurements and Prediction of the Effects of Surface Roughness on Profile Losses and Deviation in a Turbine. ASME J Turbomach. 20-27.

[5] Morini M, Pinelli M, Spina PR, Venturini M (2009) CFD Simulation of Fouling on Axial Compressor Stages. ASME TURBO EXPO.

[6]  Morini M, Pinelli M, Spina PR, Venturini M (2010) Numerical Analysis of the Effects of Non-Uniform Surface Roughness on Compressor Stage Performane. ASME TURBO EXPO.

[7] Morini M, Pinelli M, Spina PR, Venturini M (2010) Influence of Blade Deterioration on Compressor and Turbine. ASME J Engineering for Gas Turbines and Power.

[8]  Kang YS, Yoo JC, Kang SH (2006) Numerical Predictions of Roughness Effects on the Performance Degradation of an Axial-Turbine Stage. KSME J Mechanical Science and Technology. 1077-1088.

[9]  Boyle RJ, Senyitko RG (2003) Measurements and Predictions of Surface Roughness Effects on Turbine Vane Aerodynamics. ASME TURBO EXPO.

[10] Hoffmann AK, Chiang ST (2000) Computational Fluid Dynamics. Vol 1-2-3, 4nd edn, Engineering Education System Publication, USA.

[11] Kermani MJ, Plett E.G (2001) Roe Scheme in Generalized Coordinate. part I- Formulations. AIAA J.

[12] Kermani MJ, Plett E.G (2001) Roe Scheme in Generalized Coordinates, part II- Application to Inviscid and viscous flows. AIAA J.

[13] Blazek J (2001) Computational Fluid Dynamics: Principles and Applications. Elsevier Science Ltd, UK.

[14] Kermani MJ, Plett E.G (2001)  Modified Entropy Correction Formula for the Roe Scheme Roe. AIAA J.

[15] Visbal M, Knight D (1984) the Baldwin-Lomax Turbulence Model for Tow-Dimensional Shock-Wave/Boundary Layer Interactions. AIAA J. 921-921.

[16] Shin J, Chen HH, Cebeci T (1992) A Turbulence Model for Iced Airfoils and Its Vaidation. AIAA 30th Aerospace Sciences Meeting.

[17] Back SC, Sohn JH, Song SJ (2010) Impact of Surface Roughness on Compressor Cascade Performance. ASME J Fluids Engineering.

[18] Schlichting H (1979) Boundary Layer Theory. McGraw-Hill Ins. 7th edn, New York.

[19] Lakshminarayana B (1996) Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery Wiley Interscience Publication, USA.

[20] Dahlquist AN (2008) Investigation of losses prediction methods in 1D for axial gas turbines. MSc thesis. Faculty of Engineering LTH Lund University. Sweden.

[21] Kang SH, Kang YS, Han KH (2003) Numerical Study on Blade Roughness Effect on the Performance of Turbomachines. IGTC.

[22] Guo J, Julien PY (2007) Buffer Law and Transient Roughness Effect in Turbulent Open-Channe. ISEH.