بررسي عددي آثار تغيير هندسي جزيي پروفيل پره استاتور توربين گازي پرفشار بر عملكرد پاياي آن

Numerical Investigation of the Effects of Minor Geometric Changes of the Stator Blade Profiles on the Steady Performance of a High-pressure Gas-turbine

در توربين هاي گازي پرفشار، گاز داغ عبوري از استاتور، داراي دبي جرمي بالايي است و احتمال تغييرات حتي اندك در هندسه پره ها، تاثير قابل توجهي بر ميدان جريان پايين دست خواهد داشت. اين تغييرات اندك را مي توان در حد خوردگي قياس كرد. اولين رخداد ناشي از اين خوردگي، غيريكنواخت شدن جريان در فاصله محوري استاتور- روتور است. اين جريان غيريكنواخت، به دليل داشتن الگوي پيچيده اي از گردابه ها، از انتقال كامل انرژي سيال به روتور جلوگيري مي كند و كارآيي توربين را به شدت كاهش مي دهد. در پژوهش حاضر، يك توربين گاز پرفشار خاص، در معرض خطر خوردگي سريع فرض شده است. هدف اصلي، پيش بيني تغييرات هندسي ناشي از اين نوع خوردگي است. در ابتداي كار، تحليل عددي سه بعدي مدل اوليه توربين، با هدف مشاهده دقيق ميدان جريان، انجام و نتايج حاصل با نتايج آزمايش هاي تجربي موجود اعتبارسنجي شد. سپس به منظور بررسي تاثير خوردگي بر عملكرد توربين، تغييرات هندسي در پروفيل پره استاتور اعمال و توزيع جريان تحت تاثير اين تغييرات، به صورت سه بعدي تحليل شد. نتايج نشان داد بيشترين خطر خوردگي در نقطه اي نزديك لبه فرار پره استاتور است. به علت خوردگي، نسبت سطح بين ورودي و خروجي پره هاي استاتور، كمتر و موجب كاهش سرعت محوري مي شود. اما همزمان با افزايش سطح خروجي كانال استاتور، ميزان دبي جرمي گاز 7/31% افزايش مي يابد. در اين شرايط، عملكرد توربين از نقطه طراحي خارج مي شود. الگوي جريان در ورود روتور پيچيده تر مي شود و با جدايش جريان از روي پره روتور و ايجاد تغييرات شديد دما روي ناحيه جداشده، خوردگي به سرعت توسعه مي يابد.

In the high-pressure gas-turbines, with hot-flowing gas through the stator channels with a high mass-flow rate, even slight variation in the blade geometry will have significant effects on the downstream flow-field. These minor changes can be compared to corrosion rates. The first occurrence of this corrosion is the non-uniformity of flow in the stator-rotor axial distance. This non-uniform flow, due to the complex pattern of vortices, prevents the complete transfer of fluid energy to the rotor and greatly reduces the turbine performance. In this research, a high-pressure turbine is considered to be at high risk of corrosion. The main goal is to predict these variations due to corrosion. Firstly, a 3D numerical analysis of the turbine initial model was conducted to accurately observe the flow field and the results were validated by the existing experimental results. Then, in order to investigate the effects of corrosion on the turbin performance, the blades geometrical changes were applied in stator blade profile and the flow distribution was analyzed. Results show that the highest corrosion risk is at the trailing-edge of the blades. Due to reduction in the stator inlet-outlet area ratio, the axial-velocity is reduced. But simultaneously, with increasing the stator channels outlet area, the mass-flow rate is increased by 7.31%. Therefore, the turbine undergoes to an off-design condition. The flow pattern will be more complicated in the rotor’s entrance, and corrosion will develop rapidly due to temperature rise as the flow separates from the rotor blades.