بررسي تجربي و عددي آثار پذيرش جزيي بر توزيع جريان در فضاي محوري توربين فرا‌صوت

Experimental and Numerical Study of Partial Admission Effect on Flow Distribution in Supersonic Turbine Axial-Gap

در توربين‌هاي محوري كه در نسبت فشارهاي بالا كار مي‌كنند، مي‌توان با استفاده از پره‌هاي فراصوت كار ويژه‌ي بالا به‌دست آورد. در اين توربين‌ها دبي جرمي سيال كاري كم مي‌باشد و ارتفاع پره‌ها كوچك است. جريان در گذرگاه‌هايي با ارتفاع كوچك، به‌دليل تشكيل گردابه‌هاي نعل اسبي يا انتهاي ديواره، دچار انسداد مي‌شود. استفاده از روش پذيرش جزيي امكان استفاده از پره‌هاي بلندتر را فراهم و از اين نوع اتلافات جلوگيري مي‌كند. اما پذيرش جزيي خود موجب بروز اتلافات ديگري است كه از پارامترهاي متعدد، از جمله پارامترهاي هندسي نازل‌هاي ورودي توربين پيروي مي‌كند. نازل‌ها در حكم استاتور مي‌باشند و به‌صورت هم‌گرا- واگرا هستند. پارامترهاي هندسي تاثير خود را در توزيع جريان در فضاي محوري خروجي نازل- ورودي روتور نشان مي‌دهند. علاوه‌برآن، تغيير اين پارامترها، حتي به‌صورت جزيي، موجب تغيير درجه‌ي پذيرش جزيي مي‌گردد. مطالعات نشان مي‌دهد، راندمان توربين به‌شدت به درجه‌ي پذيرش جزيي وابسته است. در اين مقاله، با انجام آزمايش‌هاي تجربي و تحليل‌هاي يك‌بعدي و سه‌بعدي، الگوي جريان و پارامترهاي موثر بر آن در فضاي محوري بررسي و ارزيابي شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه تغييرات اندك پارامترها تاثير قابل توجهي بر توزيع جريان و عملكرد توربين دارد.

In high-pressure axial turbines, when the fluid mass flow is low, the supersonic blades are being used to obtain a high specific work output. To prevent losses due to low blade aspect ratio, the turbine is used in partial admission conditions. The turbine stator is a group of convergence-divergence nozzles that provides the supersonic flow. The design of these nozzles is important, because there is a direct relationship between the degree of partial admission and nozzle design parameters. The turbine efficiency is highly dependent on partial admission degree. To assess, in first step, an evaluation was carried out using an appropriate turbine efficiency correlation; then, a three-dimensional numerical analysis was implemented, and finally a series of experimental tests were carried out to validate the above assessments. The experimental results showed a good agreement with 1D and 3D numerical predicted results of turbine performance. The results showed that even small changes in the nozzle geometric parameters and partial admission degree, have a significant impact on the turbine performance and the flow distribution in the axial gap.