بررسي تاثير زبري كانال‌هاي خنك‌كاري و رطوبت جريان خنك‌ كن در عمر خزشي پره‌ هاي توربين گازي

Investigating the effect of cooling channel roughness and coolant humidity on the creep life of gas turbine blades

پره‌هاي توربين‌هاي گازي از قطعات مهمي هستند كه در درجه حرارت بالا و تحت تنش‌هاي مكانيكي كار كرده و واماندگي ناشي از خزش يكي از مهم‌ترين عواملي است كه عمر اين قطعات مكانيكي را تعيين مي‌كند. به‌منظور كاهش درجه حرارت پره‌ها و جلوگيري از خزش، جريان سيال خنك‌كن از كانال‌هايي در اين پره‌ها عبور داده مي‌شود. در اين پژوهش، كانال‌هاي خنك‌كاري به‌صورت مبدل‌هايي با روكش حرارتي محافظ همراه با خنك‌كاري فيلمي- همرفتي مدل‌سازي شده‌اند‌ و تاثير رطوبت مخصوص سيال خنك‌كن و زبري كانال خنك‌كاري در مقدار ضريب همرفت جريان داخل كانال بررسي شده است. بدين‌منظور يك كد كامپيوتري كه توانايي محاسبه‌ي خواص هواي مرطوب وابسته به دما و رطوبت مخصوص را دارد، تدوين شده و سپس با تاثير دادن مقدار زبري كانال در محاسبه‌ي ضريب همرفت، توزيع دما در طول پره با استفاده از يك مدل تحليلي به‌دست آمده است. نتايج نشان مي‌دهد در كانال‌هاي زبر، با افزايش جذب گرما توسط سيال خنك‌كن، دماي پره بخصوص در مقطع بحراني كاهش مي‌يابد. همچنين با افزايش رطوبت مخصوص سيال خنك‌كن، دماي خروجي سيال نسبت به حالت خشك كاهش مي‌يابد كه نتيجه‌ي آن كاهش حدود 2.5 درصدي دماي فلز پره در هر بخش مي‌باشد. بطور كلي نشان داده شده است كه با افزايش رطوبت سيال خنك‌كن و زبري كانال در محدوده قابل قبول، مي‌توان عمر خزشي پره را تا 3.18 برابر افزايش داد.

Gas turbine blades operate at high temperature under mechanical loads; hence creep failure is the major concern in their design. To increase blade creep lifetime, it is necessary to reduce the blade temperature. For this purpose, cooling flow passes through the inner channels of the blade. In this paper, coolant heat transfer along the channels has been modeled and the effects of wall roughness and coolant’s specific humidity have been investigated. The blade body and cooling channels are regarded as a heat exchanger with thermal barrier coating and convective film cooling. A computer code has been developed to calculate the physical properties of the coolant as a function of temperature and humidity. Then, by taking into account the effect of wall roughness, convection coefficient and temperature distribution on the blade have been obtained using an analytical solution method. The results show that in the rough channels, coolant receives more heat from the blade body and consequently its temperature decreases especially in the critical section. It has been shown that with increasing humidity; the coolant temperature decreases along the blade span and consequently, the blade metal temperature reduces with about 2.5 percent. Also the result show that by increasing coolant’s humidity and roughness of the channels within a reasonable range, blade’s creep lifetime can be increased by up to 3.18 times.