[تجهیزات دوار] - خنک‌کاری پره توربین گاز

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در یک توربین گاز (gas turbine) برای نسبت فشار مشابه، هر چه دمای ورودی به توربین بالاتر رود، بالا راندمان حرارتی بیش‌تر می‌شود. اما دمای بالا می‌تواند به آسیب به توربین منجر شود. بنابراین برای افزایش دما، خنک‌کاری پره ضروری می‌شود.

خنک‌کاری قطعات و پره‌های توربین (turbine blades) را می‌توان با خنک‌کاری با هوا (air cooling) یا مایع (liquid cooling) به دست آورد. به نظر می‌رسد که خنک‌کاری با مایع به دلیل ظرفیت حرارتی ویژه بالا و شانس خنک‌کاری تبخیری جذاب‌تر باشد؛ اما می‌تواند مشکل نشتی، خوردگی، خفگی (choking) و مانند آن ایجاد کند. از طرف دیگر خنک‌کاری با هوا اجازه می‌دهد که هوا را بدون هیچ مشکلی به جریان اصلی تخلیه کنیم. مقدار هوای مورد نیاز برای این منظور 1 تا 3 درصد از جریان اصلی است و دمای پره را می توان 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد کاهش داد. انواع بسیاری از روش‌های خنک‌کاری در پره‌های توربین گاز مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ جابه‌جایی (convection)، فیلم (film)، خنک‌کاری تبخیری (transpiration cooling)، خنک‌کاری نفوذی (cooling effusion)، خنک‌کاری پین فین (pin fin cooling) و مانند آن که زیر بخش‌های خنک‌کاری داخلی و خارجی قرار می‌گیرند. در حالی که همه روش‌ها اختلافات خود را دارند، همه آن‌ها از هوای خنک‌تر که اغلب از کمپرسور گرفته می‌شود، به دفع حرارت از پره‌های توربین می‌پردازند.


خنک‌کاری داخلی پره توربین

خنک‌کاری جابه‌جایی (convection cooling): با عبور هوای خنک‌کاری از مسیرهای داخلی پره انجام می‌شود. حرارت توسط هدایت (conduction)‌ از میان پره‌ها منتقل می‌شود و سپس به وسیله جابه‌جایی (convection) به جریان هوای داخل پره انتقال می‌یابد. در این روش، مساحت زیاد سطح داخلی مطلوب است، بنابراین مسیرهای خنک‌کاری متمایل به شکل مارپیچ و پر از فین‌های داخلی هستند. مسیرهای داخلی پره دارای شکل دایره‌ای یا بیضی‌گون هستند. خنک‌کاری با عبور هوا از این مسیرها از مرکز به سمت نوک پره به انجام می‌شود. این هوای خنک‌کاری از یک کمپرسور هوا می‌آید.

Convection-Cooling.jpg
خنک‌کاری برخوردی (impingement cooling): یک نوع از خنک‌کاری همرفتی، خنک‌کاری برخوردی است که با برخورد دادن سطح داخلی پره با هوای پر سرعت کار می‌کند. این کار اجازه می‌دهد تا نسبت به خنک‌کاری جابه‌جایی معمول، حرارت بیش‌تری به وسیله جابه‌جایی منتقل شود. خنک‌کاری برخوردی در مناطق دارای بیش‌ترین بارهای حرارتی استفاده می‌شود. در مورد پره‌های توربین، لبه جلویی (leading edge) دارای حداکثر دما و در نتیجه بیش‌ترین بار حرارتی (heat load)‌ است. همچنین از خنک‌کاری برخوردی در وسط پره نیز استفاده می‌شود. پره‌ها توخالی و دارای یک هسته هستند. مسیرهای خنک‌کاری داخلی وجود دارند که هوای خنک‌کاری از لبه جلویی وارد می‌شود و به سمت لبه عقبی (trailing edge) خارج می‌شود.

Impingement-Cooling.jpg

Impingement-Revised.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
خنک‌کاری خارجی پره توربین

خنک‌کاری فیلمی (film cooling): که خنک‌کاری فیلم نازک (thin film cooling) نیز نامیده می‌شود، یک نوع مهم خنک‌کاری است که توسط پمپاژ هوای سرد بر روی پره از راه حفره‌های کوچک روی پره انجام می‌شود. این هوا بر روی سطح پره یک لایه نازک یا فیلم هوای سرد ایجاد می‌کند و از آن نسبت به هوای با دمای بالا محافظت می‌کند. سوراخ‌های هوا می‌توانند در جاهای مختلف پره باشند، اما اغلب در امتداد لبه جلویی (leading edge) قرار دارند. در پره‌های توربین مدرن استفاده از هر دو خنک‌کاری فیلمی و جابه‌جایی به صورت هم‌زمان، به روش معمول تبدیل شده است. اوریفیس‌هایی (orifice) بر روی سطح وجود دارد که از طریق آن‌ها هوای سرد بر روی سطح جریان می‌یابد و باعث می‌شود یک فیلم بر روی سطح تشکیل شود که به عنوان یک مانع حرارتی عمل می‌کند و خنک‌کاری موثری فراهم می‌کند. علاوه بر خنک‌کاری سطح پره، این فیلم انتقال حرارت از سطح فلز به سیال داغ را نیز کاهش می‌دهد. یکی از ملاحظات خنک‌کاری فیلمی این است که تزریق هوای سردتر به جریان، راندمان توربین را کاهش می‌دهد. همچنین افت راندمان به وسیله افزایش جریان کولینگ بیش‌تر نیز می‌شود. البته افت راندمان به وسیله افزایش کارایی کلی ناشی از افزایش دمای توربین جبران می‌شود.

Flim-Cooling.jpg

Film-Cooling2.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
خنک‌کاری نفوذی (cooling effusion): سطح پره از مواد متخلخل ساخته شده است که تعداد نامتناهی از اوریفیس‌های کوچک بر روی آن قرار دارند. هوای خنک‌کاری از میان این حفره های متخلخل خارج می‌شوند که یک فیلم یا لایه مرزی خنک را بر روی سطح تشکیل می‌دهند. به علاوه، نفوذ سیال خنک‌کننده بر روی سطح باعث انجام یک‌نواخت خنک‌کاری می‌شود. خنک‌کاری یکنواخت توسط پخش مایع خنک‌کاری بر روی کل سطح پره ایجاد می‌شود.

Effusion-Cooling.jpg

خنک‌کاری پین فین (pin fin cooling): در لبه نازک پشتی (narrow trailing edge) از خنک‌کاری فیلمی استفاده می شود تا انتقال حرارت پره افزایش یابد. آرایه‌ای از پین فین‌ها بر روی سطح پره قرار دارند. انتقال حرارت از این آرایه و از طریق دیواره های جانبی صورت می‌گیرد. زمانی که سیال خنک‌کاری با سرعت بالا از روی فین‌ها جریان می‌یابد، جدایش (flow separation) و دنباله (wake) جریان شکل می‌گیرد. عوامل بسیاری بر نرخ انتقال حرارت تاثیر گذار هستند که در میان آن‌ها نوع پین فین و فاصله بین فین‌ها مهم‌ترین هستند.

Film-Cooling-Revised.jpg
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
خنک‌کاری تراوشی (transpiration cooling): از این نظر شبیه به خنک‌کاری فیلمی (film cooling) است که یک فیلم نازک خنک‌کاری هوا بر روی پره ایجاد می‌کند، اما از آن نظر متفاوت است که هوا به جای تزریق از سوراخ‌ها، از یک پوسته متخلخل (porous shell) نشت می‌کند. این نوع از خنک‌کاری در دماهای بالا موثر است زیرا کل پره را به صورت یک‌نواخت با هوای سرد پوشش می‌دهد. پره‌های سرد شده تراوشی معمولا از یک شبکه پایه (strut) صلب با یک پوسته متخلخل تشکیل شده‌اند. هوا از راه کانال‌های داخلی ستون‌ها جریان می‌یابد و سپس از پوسته متخلخل عبور می‌کند تا پره را خنک کند. همانند خنک‌کاری فیلمی، افزایش هوای خنک‌کاری باعث کاهش راندمان توربین می‌شود، بنابراین این کاهش باید با بهبود راندمان در اثر افزایش دما بالانس شود.

Transpiration-Cooling.jpg
 
بالا