بررسي امكان خنك‌كاري محفظه احتراق موتور توربين‌گاز دريايي به كمك محيط متخلخل

Assessing the Feasibility of Marine Gas Turbine Combustion Chamber Cooling by Porous Media

فناوري موتورهاي توربين‌‌گاز دريايي با شتاب روز افزون به سمت افزايش عملكرد و كاهش هزينه‌ها در حال حركت است. بزرگ‌ترين مانع در جهت پيشرفت اين حوزه، مسايل مربوط به خنك‌كاري محفظه احتراق است به نحوي كه با بالا رفتن دما، مواد به كار رفته در ديواره ذوب شده يا استحكام خود را از دست مي‌دهند و عملا امكان افزايش توان موتور يا زمان كاركرد آن وجود ندارد. يكي از ايده‌هاي بسيار سودمند براي حل اين مشكل، استفاده از محيط متخلخل در مسير سيال خنك‌كن محفظه احتراق است. مهم‌ترين مزيت تحقيق حاضر، عدم استفاده از فرض‌هاي ساده‌كننده و نزديكي بسيار زياد آن به شرايط عملي از جمله انتخاب هندسه و شرايط مرزي واقعي، استفاده از مدل عدم تعادل گرمايي محلي براي شبيه‌سازي محيط متخلخل و در نظر گرفتن خواص فيزيكي متغير با دما براي سيال اشاره كرد. تاثير عوامل مختلف از قبيل جنس سيال، جنس محيط متخلخل و اندازه حفره‌ها بر انتقال حرارت و افت فشار جريان در محدوده وسيعي از عدد رينولدز و شار گرما به طور جامع بررسي گرديد. در نهايت مشخص شد استفاده از سيال هيدروژن به عنوان سيال خنك‌كن با محيط متخلخلي از جنس نيكل با اندازه حفره PPI 20 مناسب‌ترين حالت براي خنك‌كاري محفظه احتراق است كه در مقايسه با كانال ساده، بيشينه دماي ديواره را در اعداد رينولدز مختلف به طور متوسط در حدود 60 % كاهش مي‌دهد. اين حالت همراه با افت فشاري در حدود حداكثر kPa 5 مي‌باشد.

The technology of marine gas turbine is being developed toward higher efficiency and lower cost. The biggest setback to progress is the issues corresponded to cooling of combustion chamber so that as the temperature rises further, the materials melt and it is impossible to increase the engine power or travel time. One of the most useful idea is utilization of porous media in the path of coolant fluid. The main advantage of this study is in using no simplifying assumptions and its significant proximity to practical conditions such as using real geometry and boundary conditions, local thermal non-equilibrium model to model porous medium, and taking into account the variation of physical properties due to fluid's temperature. Influences of various parameters including fluid type, porous media’s material and porous holes sizes in wide ranges of the Reynolds number and heat flux were investigated, comprehensively. It was revealed that using hydrogen as a coolant with insertion of 20 PPI Nickel porous media presents the best condition for cooling of combustion chamber which on average reduce the maximum temperature of walls about 60% for different Reynolds numbers in comparison with the simple conduit. This condition is accompanied by approximately 5 kPa pressure drop.