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 از جمله سایش اعضای داخلی، نابرابری جرم حرارتی پوسته نازک و فلنج‌های ضخیم و متفاوت بودن ضریب انتقال حرارت جابجایی اطراف پوسته 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 جابجایی آزاد بر پوسته کمپرسور محوری توربین گاز پرداخته شده است. بدین منظور یک مدل دو بعدی شامل شفت، پوسته داخلی و خارجی به همراه جریان کمپرسور و سیال محبوس بین دو پوسته شبیه‌سازی شده است. محیط سیال و جامد همزمان با هم به صورت گذرا با روش عددی با اعمال شرایط مرزی مختلف تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهد که در اثر جابجایی آزاد، دمای نقاط بالایی پوسته تا یک زمان مشخص افزایش پیدا کرده و پس از آن به صورت نوسانی کم می‌شود. در حالی که دمای نقاط پایین در طول زمان به طور کلی کاهش می‌یابد. جابجایی 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 جابجایی محیط عدد رایلی افزایش می‌یابد، گرادیان دمایی بین پوسته بالا و پایین به صورت موضعی کاهش می‌یابد. برای کاهش تغییر شکل پوسته راهکارهای عملی استفاده از تهویه برای تنظیم ضریب انتقال جابجایی محیط، تغییر لاجیک شیر تخلیه و بهبود عایق‌بندی پوسته بسته به شرایط عملکردی 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]

Different events result in casing distortion of gas turbines. Rubbing between rotating and stationary components, unequal thermal mass between the thick flanges and the thin turbine casing and uneven convection heat transfer coefficient around the casing are main causes of this distortion. Distortion of casing results in compressor efficiency decreases via increase of tip leakage loss. In this study, the effect of natural convection on gas turbine axial flow compressor casing has been investigated. For this purpose, a two-dimensional model, including the shaft, inner casing, outer casing, main gas and fluid between casings has been developed. Transient conjugate heat transfer analysis is conducted by applying different boundary conditions. The results show that the top of casing temperature increases initially to reach a maximum value, then the temperature decreases. On the other side, the temperature of lower part of casing generally decreases over time. According to the casing rate of heating and cooling, natural convection heat transfer causes a significant temperature gradient in the casing at gas turbine shutdown. Also, due to the high value of the Rayleigh number, turbulence in the fluid is high. Although the Rayleigh number increases with increasing the convection heat transfer coefficient in enclosure, the temperature gradient between the upper and lower parts of the casing is reduced locally. To reduce casing distortion practical solutions were presented such as control of the convection coefficient of turbine enclosure, changing of bleed valve logic and improving casing insulation, related to operating conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gas turbine
  • Axial compressor
  • casing
  • Natural convection