بررسي سه‌بعدي روش‌هاي خنك‌ كاري پره‌ هاي توربين گاز روي صفحه ‌ي تخت و ارائه روشي با بالاترين راندمان خنك ‌كاري

Three dimensional investigation of gas turbine cooling techniques on a flat plate and presentation a method with maximum cooling effectiveness

خنك‌كاري سيستم‌هاي با دماي عملكردي بسيار بالا نظير پره‌هاي توربين‌هاي گاز، يكي از مهمترين و پيچيده ترين فرآيندهاي صنعتي به شمار مي‌آيد. در اين مقاله، عملكرد خنك‌كاري روي صفحه‌ي تخت به صورت سه‌بعدي، با روش حجم محدود و با استفاده از مدل آشفتگي kε واقعي ‌شده كه بهبود يافته‌ي مدل استاندارد مي‌باشد، بررسي شده است. در اين بررسي 4 حالت مختلف، شامل دو حالت خنك‌كاري لايه‌اي با حفره‌ي استوانه‌اي و كانسول، يك مدل خنك‌كاري برخوردي و يك مدل خنك‌كاري تراوشي (با ديواره‌ي متخلخل ) مورد مقايسه قرار گرفته‌اند. براي بررسي اعتبارسنجي داده‌ها، راندمان خنك‌كاري حالت كانسول با داده‌هاي تجربي مورد مقايسه قرار گرفته كه نمايانگر انطباق بسيار خوب روش عددي بكار گرفته شده است. راندمان آدياباتيك خنك‌كاري، نسبت دمش (M) و اثرات نسبت چگالي با تزريق دو سيال هوا و دي‌اكسيد‌كربن به عنوان سيال سرد (DR) براي همهي حالت‌ها بررسي شده است. براي بررسي عمق نفوذ سيال سرد در جريان اصلي و نشان دادن توزيع دما و راندمان روي سطح، كانتورهاي راندمان براي حالت كانسول و مدل خنك‌كاري تراوشي كه ايده‌ي نويني در خنك‌كاري به شمار مي‌آيد، با يكديگر مورد مقايسه قرار گرفته‌اند. هدف اين مقاله يافتن بهترين روش خنك‌كاري با بالاترين راندمان است و نتايج اين مقاله نشان داد كه مدل خنك‌كاري تراوشي طراحي شده راندمان بالاتري را نسبت به حالت‌هاي متداول در صنعت دارد.

Cooling of high temperature systems such as gas turbine blades is one of the most important systems in industrial. In this paper, three dimensional cooling performance on a flat plate is calculated by a 3D finitevolume method and the realizable kε turbulence model which is the improved of the standard kε turbulence model and it can generate data more appropriate for fluid injections and jets. In this investigation, 4 different cases have compared together to find the best cooling case with maximum effectiveness. These cooling cases are including 2 cases of film cooling with console and cylindrical holes, one case of impingement cooling and one case of transpiration (with porous wall) cooling. For validation, the adiabatic cooling effectiveness for the console has been compared with the experimental data. These comparisons have been shown a good agreement between experimental and numerical data. The adiabatic cooling effectiveness, the effects of density ratio (by air and CO2 as a coolant) (DR) and blowing ratio (M) are studied in all cases. The adiabatic cooling effectiveness for console and transpiration cooling cases have compared together for studying the penetration of coolant fluid in the main stream (hot fluid) and showing the temperature and effectiveness distribution . The main purpose of this paper is finding the best cooling techniques with maximum effectiveness and the results have been shown which the designed transpiration cooling model has the best effectiveness respect to other cooling techniques.