آموزش شبیه‌سازی خنک‌کاری پره‌های توربین

نقد و بررسی : آموزش شبیه‌سازی خنک‌کاری پره‌های توربین

مقدمه‌­ای بر توربین‌ها و خنک‌کاری آنها

توربین دستگاه مکانیکی دوار برای تولید انرژی مکانیکی با استفاده از انرژی حرارتی سیال می­‌باشد. درواقع، ساختمان توربین متشکل از یک بخش چرخان محوری و چند ردیف پره می‌­باشد که سیال دارای انرژی حرارتی و فشار بالا به پره­‌های ساکن توربین برخورد کرده و موجب به چرخش درآمدن آنها می­‌شود؛ به طوری که سیال پس از برخورد با پره‌­ها دچار افت فشار شده و انرژی حرارتی سیال را به انرژی جنبشی در پره‌­ها و محور مرکزی توربین تبدیل می‌­کند. این محور مرکزی نیز متصل به محور ژنراتور برق بوده و موجب چرخش آن و درنتیجه تولید برق می­‌شود. انواع توربین‌­ها شامل توربین بخار (برای تولید برق در نیروگاه­های حرارتی)، توربین گازی (متشکل از فن، کمپرسور و محفظه­ احتراق)، توربین آبی (به صورت تبدیل انرژی جنبشی آب جاری و یا انرژی پتانسیل ناشی از اختلاف تراز آب به انرژی دورانی) و توربین باد (برای تبدیل انرژی جنبشی باد به انرژی مکانیکی) می­‌باشد.

از آنجایی که توربین با تبدیل انرژی حرارتی سیال به انرژی مکانیکی کار تولید می­کند، افزایش دما و فشار اولیه‌­ی سیال موجب افزایش انرژی حرارتی سیال و درنتیجه افزایش نرخ تبدیل انرژی حرارتی به مکانیکی و درنهایت افزایش تولید کار می­شود. بنابراین، یکی از مسائل مهم مرتبط با توربین‌­ها، بررسی سیستم­های خنک­‌کاری پره­‌های توربین‌ برای افزایش بازدهی عملکرد توربین، کاهش تنش‌­های حرارتی ناشی از دمای بالا بر روی سطوح پره‌­ها و نهایتاً افزایش طول عمر پره­‌ها می‌باشد. یکی از روش­‌های رایج خنک‌­کاری در توربین‌­ها، استفاده از پره‌­های توخالی یعنی خالی کردن داخل پره­‌ها به منظور جاری کردن شاره­ یا جریان خنک‌­کننده­‌ی هوا می­‌باشد. این فرایند خنک­‌کاری از طریق حفره­‌های درونی به روش‌­های مختلفی مثل جابه‌­جایی، پاششی، لایه‌­ای و تراوشی صورت می­‌گیرد. شکل زیر نمایی از پره­‌ی توربین دارای حفره­‌ی مخصوص خنک‌­کاری را نشان می‌­دهد.

تعریف مسأله

مسأله‌­ی حاضر به شبیه­‌سازی خنک­‌کاری پره­‌های توربین می‌­پردازد. برای ساده­‌سازی مدل مسأله، با توجه به ساختار متقارنی که بدنه‌­ی توربین و پره‌­های آن دارد، فقط به شبیه‌­سازی یک پره­‌ی آن پرداخته شده است. هدف اصلی مسأله، بررسی توزیع دما و تغییرات انرژی حرارتی بر روی بدنه و پره‌­ی توربین می­‌باشد؛ از این­‌رو، روند شبیه‌­سازی مدل و تعریف شرایط مرزی مدل به گونه­‌ای می­‌باشد که بر روی رفتار سیال از نظر انتقال حرارتی تمرکز شده است. فرایند خنک‌­کاری در مدل حاضر بر اساس تعریف جریان هوای خنک در یک فضای خالی موجود در دیواره­‌های داخلی پره می‌­باشد که این دیواره‌­های داخلی دارای یک‌­سری حفره­ به منظور افزایش سطح تماس با جریان خنک و درنتیجه افزایش فرایند خنک‌­کاری می‌­باشد. بنابراین، از شرط مرزی انتقال حرارت جابه‌­جایی بر روی سطوح دیواره­‌های خارجی و داخلی پره استفاده شده است؛ بدین صورت که سطح خارجی پره و بدنه‌­ی زیرین آن که تحت جریان هوای داغ محیط کاری سیستم می‌­باشند، دارای ضریب انتقال حرارت جابه­‌جایی 200 وات‌بر‌مترمکعب‌­کلوین و تحت دمای 1672 کلوین جریان داغ محیط می­‌باشند و سطح داخلی پره که تحت جریان هوای سرد مخصوص خنک‌­کاری می‌­باشد، دارای ضریب انتقال حرارت جابه­‌جایی 200 وات‌بر‌مترمکعب­‌کلوین و تحت دمای 300 کلوین جریان سرد می‌­باشد.

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه‌­بندی

مدل حاضر به صورت سه­ بعدی و با استفاده از نرم­افزار catia ترسیم شده و سپس به نرم‌­افزار design modeler وارد شده است. ساختار هندسی مدل از یک تکه پره‌­ی توربین تشکیل شده است که شامل بدنه­‌ی پره­‌ با زاویه­‌ی انحنای مشخص و سطح مقطع ایرفویلی، دیواره‌­ی داخلی با فضا و منافذ معین و بدنه­‌ی پایه­‌ی مرکزی زیر پره می‌­باشد. درواقع برای ساده­‌سازی مسأله، به دلیل وجود تقارن بین پره‌­ها، فقط مدلسازی برای یک پره انجام گرفته است. شکل زیر نمایی از هندسه­‌ی ترسیمی را نشان می­‌دهد.

شبکه­‌بندی مدل حاضر با استفاده از نرم‌­افزار ansys meshing انجام گرفته است. مش‌­بندی به صورت بدون سازمان بوده و تعداد شبکه­‌های تولیدی معادل 10154723 می­باشد. اندازه­‌ی شبکه‌­ها در نواحی مجاور حفره­‌های داخلی پره‌­ها ریزتر و دارای دقت بالاتر می­‌باشد. شکل زیر نمایی از شبکه‌­بندی انجام گرفته را نشان می‌دهد.

گام 2) مراحل شبیه‌­سازی

برای شبیه­‌سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

• شبیه­‌سازی مبتنی بر فشار (pressure-based) انجام گرفته است.
• شبیه‌­سازی در هر دو حالت سیالاتی و حرارتی انجام گرفته است.
• مدل حاضر از نظر زمانی پایا (steady) می­‌باشد؛ یعنی ترم زمان در حل مسأله لحاظ نشده است.
• اثر گرانش زمین (gravity) بر روی سیال در نظر گرفته نشده است.

خلاصه‌­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو­بعدی و سه­‌بعدی دما در فضای بین دیواره‌­ی خارجی پره (در تماس با جریان داغ) و دیواره‌­ی داخلی پره (در تماس با جریان خنک­‌کن) به دست آمده است. همچنین مقدار ضریب انتقال حرارت بر روی دیواره­‌های داخلی و خارجی پره و پایه­‌ی پره به دست آمده است. کانتورهای دو بعدی در مقطع xoz در فاصله‌­های مختلف 0.004 ، 0.016 ، 0.028 و 0.04 متری از سطح رویی پایه­‌ی پره و همچنین در مقطع xoy در فاصله­های مختلف ترسیم شده­‌اند. نتایج حاصل در شکل­‌های زیر نشان داده شده‌­اند.