تحلیل عددی اثر انتقال حرارت جابجایی آزاد بر پوسته کمپرسور محوری توربین گاز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس واحد آیرودینامیک گروه کمپرسور/ شرکت توربو کمپرسور تک خاورمیانه، تهران، ایران

2 مدیر واحد آیرودینامیک گروه کمپرسور/ شرکت توربو کمپرسور تک خاورمیانه، تهران، ایران

3 مدیر گروه کمپرسور/ شرکت توربو کمپرسور تک خاورمیانه، تهران، ایران

4 مدیر عامل/ شرکت توربو کمپرسور تک خاورمیانه، تهران، ایران

چکیده

تغییر شکل پوسته توربین در پاسخ به تغییرات شرایط فشاری و دمایی به دلایل مختلفی به وجود می‌آید. با تغییر شکل پوسته، افت جریان در نوک پره‌ها و درزبندهای توربین افزایش یافته و بازده کاهش می‌یابد. در این تحقیق به بررسی اثر انتقال حرارت جابه‌جایی آزاد بر پوسته کمپرسور توربین گاز پرداخته شده است. بدین منظور محیط سیال و جامد به صورت همزمان به صورت گذرا با روش عددی با اعمال شرایط مرزی مختلف به یک مدل دو بعدی تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهد که در اثر جابه‌جایی آزاد، دمای نقاط بالایی پوسته تا یک زمان مشخص افزایش یافته و پس از آن به صورت نوسانی کم می‌شود. در حالی که دمای نقاط پایین در طول زمان به طور کلی کاهش می‌یابد. جابه‌جایی آزاد باعث ایجاد اختلاف دمای قابل توجهی در پوسته در شرایط خاموشی توربین می‌شود. همچنین با توجه به مقدار بالای عدد رایلی، آشفتگی جریان در سیال زیاد است. با این که با افزایش ضریب انتقال جابه‌جایی محیط عدد رایلی افزایش می‌یابد، گرادیان دمایی بین پوسته بالا و پایین به صورت موضعی کاهش می‌یابد. برای کاهش تغییر شکل پوسته راهکارهای عملی تنظیم ضریب انتقال جابه‌جایی محیط، تغییر لاجیک شیر تخلیه و بهبود عایق‌بندی پوسته ارائه شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Analysis of the Effect of Natural Convection Heat Transfer on the Gas Turbine Axial Compressor Casing

نویسندگان [English]

  • Mohammad Valizadeh 1
  • Mohsen Behnia 2
  • Alireza Shahrabi Farahani 3
  • Hiwa Khaledi 4
1 Research of Department of Compressor/ Turbotec Company, Tehran, Iran
2 Head of aerodynamic department/ Turbotec Company, Tehran, Iran
3 Head of Department of Compressor/ Turbotec Company, Tehran, Iran
4 CEO/ Turbotec Company, Tehran, Iran
چکیده [English]

The distortion of the turbine casing in response to changes in pressure and temperature conditions takes place due to various reasons. Casing distortion decreases the efficiency by increasing the flow loss at the tip of blades and seals of the turbine. In this study, the effect of natural convection heat transfer on the compressor’s casing in gas turbine was investigated. For this purpose, the fluid  and solid domains were simultaneously and transiently analyzed by numerical method while applying different boundary conditions to a two-dimensional model. The results showed that due to natural convection, the temperature of the upper parts of the casing increased up to a certain time and then faced a fluctuating decrease, while the temperature of the lower parts generally decreases over time. Natural convection causes a considerable temperature difference in the casing at shutdown conditions. Also, flow turbulence in the fluid is high due to the high Rayleigh Number. Although the Rayleigh Number increases as the environment’s convection transfer coefficient raises, the temperature gradient between the upper and lower casing decreases locally. To reduce the casing distortion, practical solutions of adjusting the environment’s convection transfer coefficient, changing the logic of bleed valves, and improving casing insulation have been proposed.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas turbine
  • Axial compressor
  • casing
  • Natural convection
[1]  J. McElhaney, Distortion compensation by shape modification of complex turbine geometries in the presence of high temperature gradients, in: ASME Turbo Expo 2008: Power for Land, Sea, and Air, American Society of Mechanical Engineers, 2008, pp. 91-102.
[2]   S.S. Burdgick, J.R. Hess, G.D. Mercer, G.A. Crum, J.E. Cencula, J.A. Eastman, Casing distortion control for rotating machinery, in, Google Patents, 1997.
[3]   R.D. Mitchell, H.L. Bernstein, P.L. Talley, Casing distortion of GE frame 3 gas turbines, in: ASME Turbo Expo 2003, collocated with the 2003 International Joint Power Generation Conference, American Society of Mechanical Engineers, 2003, pp. 119-127.
[4]   H. Dawood, H. Mohammed, N.A.C. Sidik, K. Munisamy, M. Wahid, Forced, natural and mixed- convection heat transfer and fluid flow in annulus: A review, International Communications in Heat and Mass Transfer, 62 (2015) 45-57.
[5]   P. Teerstra, M. Yovanovich, Comprehensive review of natural convection in horizontal circular annuli, 7th AIAA, in: ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference, Albuquerque, NM, June, pp. 15-18.
[6]    T. Kuehn, R. Goldstein, An experimental and theoretical study of natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders, Journal of Fluid mechanics, 74(4) (1976) 695-719.
[7]    T.H. Kuehn, R. Goldstein, An experimental study of natural convection heat transfer in concentric and eccentric horizontal cylindrical annuli, Journal of Heat Transfer, 100(4) (1978) 635-640.
[8]    C. Zhang, L. Zheng, Y. Jiang, X. Zhang, Unsteady natural convection heat transfer of  nanofluid  in  an annulus with a sinusoidally heated source, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 69(1) (2016) 97-108.
[9]    E. Glakpe, C. Watkins Jr, J. Cannon,  Constant heat flux solutions for natural convection between concentric and eccentric horizontal cylinders, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 10(3) (1986) 279-295.
[10]   S. Seyyedi, M. Dayyan, S. Soleimani, E. Ghasemi, Natural convection heat transfer under constant heat flux wall in a nanofluid filled annulus enclosure, Ain Shams Engineering Journal, 6(1) (2015) 267-280.
[11]   E. Padilla, R. Campregher, A. Silveira-Neto, Numerical analysis of the natural convection in horizontal annuli at low and moderate Ra, Revista de Engenharia Térmica, 5(2) (2018) 58-65.
[12]  B. Farouk, S. Guceri, Laminar and turbulent natural convection in the annulus between horizontal concentric cylinders, Journal of Heat Transfer,
[13] X. Yuan, F. Tavakkoli, K. Vafai, Analysis of natural convection in horizontal concentric annuli of varying inner shape, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 68(11) (2015) 1155-1174.
[14] F. Moukalled, S. Acharya, Natural convection in the annulus between concentric horizontal circular and square cylinders, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, 10(3) (1996) 524-531.
[15] R.Y. Sakr, N.S. Berbish, Natural convection heat transfer in a horizontal concentric elliptic annulus containing saturated porous media, Journal of Porous Media, 15(6) (2012).
[16] A. Jahanbakhshi, A. Ahmadi Nadooshan, A. Shad, M. Farzaneh, Effects of fin presence and change the aspect ratio on natural convection in coaxial annuli, Modares Mechanical Engineering, 17(3) (2017) 10- 18.
[17] M. Valizadeh, M. Behnia, A. Shahrabi Farahani, The numerical investigation of stator tip sealing with honeycomb on axial flow compressor performance, Modares Mechanical Engineering, 18(2) (2018) 127-134.
[18] C. Ansys, Solver theory guide, Ansys CFX Release, 11 (2006) 1996-2006.
[19]  M. Valizadeh, M. Behnia, A. Shahrabi Farahani, H. Khaledi, The solutions to reduction of gas turbine casing distortion, in: The 6th National Gas Turbine Conference, 2018.