بررسي عددي تأثير زبري پره و كانال‌هاي خنك كاري بر توزيع دماي پره توربين گاز

Numerical analysis of vane and cooling channels roughness effect on temperature distribution of gas turbine vane

زبري سطح خارجي پره‌ها و سطح كانال‌هاي خنك كاري يكي از مواردي است كه بر توزيع دماي پره تأثير قابل توجهي دارد. با افزايش زبري، اغتشاش زيرلايه‌هاي جريان بيشتر شده و انتقال حرارت افزايش مي‌يابد. در اين تحقيق پره توربين C3X كه با 10 كانال خنك كاري مي‌شود با استفاده از نرم افزار انسيسسي اف ايكس و مدل آشفتگي اس.اس.تي. به صورت سهبعدي شبيهسازي شده و تأثير زبري سطح خارجي و سطح داخلي كانال‌هاي خنك كاري بر توزيع دما، بررسي شده است. نتايج مطالعه نشان دادند در سمت خارجي پره كه حرارت از سيال داغ به پره توربين منتقل مي‌شود، افزايش زبري تا زماني كه سطح نيمه زبر باشد (Reks < 70) تأثير چنداني بر توزيع دماي سطح ندارد، اما افزايش بيش از اين مقدار حدود 8% به ميزان دماي سطح مي‌افزايد. بنابراين بايد توجه شود كه سطح خارجي پره همواره در ناحيه نيمه زبر قرار داشته باشد. در سطح داخلي كانال‌هاي خنك كاري حرارت از پره به سيال خنك كن منتقل مي‌شود، لذا بر خلاف سطح خارجي، زبري سطح كانال‌ها به فرآيند خنك كاري كمك كرده و افزايش آن به ميزان ناچيز ( ناحيه نيمه زبر) در كاهش دماي سطح پره مؤثر است (حدود 8%) و سبب بهبود ضريب عملكرد هيروليكي‌‌حرارتي كانال‌ها تا حدود 2.5 برابر مي‌شود.

Roughness of vanes’ outer surface and that of cooling channels’ inner surface have considerable impact on temperature distribution. Using a rougher surface leads to increased turbulence in nearsurface flows and increases the rate of heat transfer. In this study, vane of a C3X turbine cooled via 10 cooling channels was simulated threedimensionally by ANSYSCFX software based on SST turbulence model, and then the effects of roughness of said surfaces were examined. The results showed that increasing the roughness of the blade’s outer surface, which absorbs the heat of the hot fluid, to values below the threshold of fully rough regime ( Reks < 70 ) makes no significant impact on vane’s surface temperature distribution; but increasing the roughness to values higher than this threshold leads to 8% increase in surface temperature. This indicates that outer surface of the blade should always exhibit a transitionally rough regime. Opposite to the outer surface, increasing the roughness of cooling channels’ inner surface, which transfers the heat to the cooling fluid, found to be the very beneficial, as even a slight increase in the roughness of this surface (within the domain of transitionally rough) decreases the blade’s surface temperature by up to 8%, and improves the hydraulicthermal performance factor by about 250%.