بررسي تأثير زبري در افت كارايي يك مرحله كامل توربين گاز

Analysis of Surface Roughness Effects on the Performance of a Gas Turbine Stage

توربين هاي گازي از اهميت بالايي در صنعت برخوردار هستند و كاربردهاي فراواني دارند. تاكنون به رغم تعدادي از تحقيقات تجربي گزارش شده، تعداد كمي مطالعه عددي پيرامون تأثير زبري بر عملكرد توربين ارائه شده است. اين مقاله يك تحقيق عددي پيرامون كاهش عملكرد و ميزان افت در يك مرحله از توربين جريان محوري ناشي از زبر شدن پره هاست. محاسبات عددي با استفاده از كدنويسي در نرم افزار C++ انجام شده است و از روش عددي رو براي حل معادلات حاكم در مختصات عمومي استفاده شده است. براي شبيه سازي جريان مغشوش از مدل بالدوين–لومكس و جهت شبيه سازي زبري از مدل سبسي–چانگ استفاده شده است. براي پي بردن به اثرات زبري در يك مرحله توربين، چندين ارتفاع زبري معادل با ذرات شن و ماسه در رژيم زبري گذرا و كاملاً زبر روي پره هاي استاتور و روتور با تركيب هاي مختلف شبيه سازي شده است. نتايج نشان مي دهد كه راندمان مرحله با افزايش ارتفاع زبري كاهش مي يابد. همچنين افزايش بيشتر زبري سطح در استاتور و روتور باعث افزايش زاويه انحراف جريان و در نتيجه كاهش ضريب كار خواهد شد. در ضمن با اعمال زبري، ضريب افت هم در پره هاي استاتور و هم در پره هاي روتور افزايش مي يابد، مخصوصاً روي سطوح مكش اين افت مشهودتر است.

Today, gas turbines are considered as one of the most important equipment in energy industry and with a lot of applications in other industries. So far, very few CFD studies on the effect of roughness on turbine performance have been performed. This paper presents numerical study of roughness which affects performance of a single stage axial flow turbine. Numerical calculations have been performed using an in-house developed software in the C++ environment employing Roe scheme to solve governing equations in generalized coordinates. In order to simulate the turbulent flow the Baldwin-Lomax model and for simulating the roughness the Cebeci-Chang model is used. To realize the roughness effects in a turbine stage, several roughness heights in transitionally rough and fully rough flow regimes on the stator and rotor blades have been simulated. Results show that the efficiency is reduced with increasing roughness height. Also, with increasing the surface roughness of the stator and rotor, deviation angle will increase and thus the work coefficient will reduce. Moreover, the loss coefficient in both stator and rotor blades is increased especially, suction surfaces are faced with more losses.