مدل‌سازی و تحلیل عددی عملکرد پره استاتور توربین از دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا، ایران

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا، ایران

3 استادیار، مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع دانشگاهی هوافضا، ایران

چکیده

طراحی مناسب پره استاتور توربین کمک شایانی به افزایش عملکرد آن و بازده کلی موتور می‌کند. در این پژوهش به کمک نرم‌افزار فلوئنت تولید آنتروپی محلی و نرخ اگزرژی تخریبی پره استاتور توربین آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. در تحلیل انجام شده آنتروپی تولیدی محلی به دو بخش آنتروپی تولیدی چسبندگی و آنتروپی تولیدی حرارتی تقسیم‌بندی شده و معادلات حاکم به کمک udf داخل نرم-افزار فلوئنت تعریف شده است. بعد از محاسبه آنتروپی تولیدی محلی و مشخص شدن مقدار بازگشت‌ناپذیری‌ها، طبق معادله‌ی گویا-استودلا مقدار اگزرژی تخریبی نیز به کمک روش عددی محاسبه شده است. بررسی نتایج نشان می‌دهد که دو مدل اسپالارت آلماراس و k-ω(SST) بهترین پیش‌بینی ویک پره را انجام داده‌اند. مقدار آنتروپی تولیدی چسبندگی و آنتروپی تولیدی حرارتی به ترتیب 69 و 31 درصد است. مقادیر تولید آنتروپی محلی محاسبه شده با نتایج یک پره‌ی استاتور توربین مقاله معتبر اعتبارسنجی شده که تطابق قابل قبولی در آن مشاهده می‌شود. اگزرژی تخریبی محاسبه شده 281 کیلووات بوده که در محدوده توربین‌گازهای هوایی مدرن برای یک طبقه توربین پرفشار قرار دارد.

کلیدواژه‌ها


[1] Iandoli CL, Sciubba E (2005) 3-D Numerical of the local entropy generation rate in a radial  compressor stage. Int J Thermodyn 8(2): 83-94.
[2] Natalini G, Sciubba E (1997) Entropy generation a 2-D cascade at different angels of attack: a numerical study. Presented at the international Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition 1-30.
[3] Natalini G, Sciubba E (1999) Minimization of the local rates of entropy production in the design of air-cooled gas turbine blades. J Eng Gas Turbine Power 121: 466-475.
[4] Sciubba E (2005) Computing the entropy generation rate for turbomachinery design application: Can a diagnostic tool become a predictive one. Proceedings of Ienternational Mechanical Engineering Congress Exposition.
[5] Holmes DG, Moore BJ, Connel SD (2011) Unsteady vs steady turbomachinery flow analysis: exploiting large-scale computations to deepen our understanding of turbomachinery flows. GE Global Research Niskayuna NY12309:1-13.
[6] Zlatinov MB, Tan CS, Montgomery M, Islam T, Harris M (2012) Turbine hub and shroud sealing flow loss mechanisms. J Turbomach 134(6): 1-13.
[7] Orhan E, Uzol O (2012) Direct calculation of entropy generation by solving reynolds-averaged entropy transport equation in an air-cooled turbine cascade. Proceedings of American Society of Mechanical Engineers Turbo Expo.
[8] Yoon S, Vandeputte T, Mistry H, Ong J, Stein A (2016) Loss audit of a turbine stage. J Turbomach 138(5): 051004.1-051004.9.
 [9] Takakura T (2016) Entropy generationin the tip  region of a high-pressure  turbine. Ph.D Thesis, University of  Notre Dame.
[10] Arts T, Rouvorit MLD (1990) Aero-thermal performance of a two dimensional highly loaded transonic turbine  nozzle guide vane. Presented at the Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposistion.
[11] Ertesveg IS, Kolbu J (2002) Entropy production modeling in CFD of turbulent combustion flow. Norwegian University of Science and Technology NO-7491.
[12] Hassan HZ (2013) Evaluation of the local exergy destruction in the intake and fan of a turbofan engine. Energy J. 63: 245-251.
[13] Fluent, User’s Guide version 16.1 (2015) Fluent Incorporation. USA.
[14] Perez E (2014) Entropy generationin in a highly-loaded axial turbine. Ph.D  Thesis, University of  Notre Dame.
[15] Kock F, Herwig H (2005) Entropy production calculation for turbulent shear flows and their implementation in cfd codes. Int J Heat Fluid Flow 26: 672-680.
[16] Yapci H, Kayaats N, Kahraman N, Basturk G (2005) Numerical study on local entropy generation in compresssible flow through a suddenly expanding pipe. Entropy 7: 38-67.
[17] Wei Y, Wang Z, Qian Y (2017) A numerical study on entropy generation in two-dimensional rayleigh-benard convection at different prandtl number. Entropy 19: 1-13.
[18] Giangaspero G, Sciubba E (2011) Application of the EGM method to a LED-Based spotlight: A constrained peseudo-optimization design process based on the analysis of the local entropy generation. Entropy 13: 1212-1228.
[19] Morata EC (2012) Impact of the unsteady aerothermal environment on the turbine blades. Ph.D Thesis, University of  Toulouse.
[20] Orhan OE (2014) Investigation of the effect of turbulence on entropy generation in turbomachinery. Ph.D Thesis, University of  Middle East.
[21] Paniagua G, Denos R, Arts T (2001) Steady-unsteady measurement of the flow field downstream of a transonic high-pressure turbine stage. Presented at the 4th European Conference on Turbomachinary.
[22] Balli O (2017) Advanced exergy analyses to evalute the performance of a military aircraft turbojet engine (TJE) with afterburner system: splitting exergy destruction into unavoidable/avoidable and endogenous/exogenous. Appl Therm 111: 152-169.