Skip to main content
SUPERVISOR
Ahmad-Reza Azimian,Ahmad Reza Pishevar
احمدرضا عظیمیان (استاد راهنما) احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Shahab Jahanfar
شهاب جهان فر

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Numerical Investigation of Effects of Blade Tip Leakage Flow in Axial Flow Gas Turbines
Today after decades of research, achieving higher performance for turbine parts has become more and more troublesome needing an elaborate understanding of the flow field and heat transfer. The current study aims at looking into the flow nature around the blade tip area by means of numerical simulation. Gas turbine blade tips are not only one of the main sources of losses but also a limiting factor for the blade lifetime. The inevitable gap between the blade tip and the casing in the presence of the pressure difference between the blade pressure and suction sides forms a leakage flow. Impingement of this accelerated and high temperature flow on the blade tip results in a high heat transfer region on the blade tip. On the other hand, interaction of this flow with the passage flow at the suction side leads to formation of a leakage vortex with an area of high losses.In this thesis, recessed blade tip as a successful leakage-control geometry is compared with a flat one for the gap to span ratios of 1% up to 3% and for different rim heights. The distribution of gap mass flow rate, total pressure loss along the passage and also at the cascade exit plane, exit flow angle and heat transfer coefficient on the tip surface have been analyzed. Simulations are carried out in linear cascade arrangement similar to an experimental study. The heat transfer coefficient on the tip and the pressure at the mid-span are in a reasonable agreement with the existing measured data. Comparison of different turbulence models shows that k-w model behaves better in predicting the blade tip heat transfer. Results show that as the clearance increases, the overall loss, the leakage ratio and the exit flow deviation increase almost linearly. The recessed tips reduce these parameters in all gaps with a lower rate of increase whereas decrease in the leakage ratio is higher than the other quantities. Furthermore for any clearance size an appropriate rim height, provides the lowest loss and the exit flow deviation, so that the rim height of 4.2% at the gap of 3% and rim height of 2.1% at shorter gaps show better effectiveness. Investigating the heat transfer distributions reveal that for the flat cases, the average heat transfer coefficient on the tip increases as clearance increases up to 2% and decreases for larger gaps. For squealer cases, it increases but the rate of increase is reduced at larger gaps. Recessed tips demonstrate a lower average heat transfer coefficient in all conditions and maintain their superiority over the flat ones even at off design incidences. Finally for the blade profile studied here, the tip heat transfer coefficient is more sensitive to varying the rim height,compared to the other aerodynamic parameters. Keywords: Leakage flow, Gas turbine, Blade tip, Recessed tip, Turbulence, Loss, Heat transfer coefficient
با توجه به نیاز روز افزون به تولید انرژی با بازده بالا که بخش عمده‌ای از آن از توربین‌های گازی تامین می‌شود، در طول سالیان گذشته پژوهش های متعددی در این زمینه انجام شده است. اما با توجه به پیچیدگی بسیار جریان روی پره ها و محدودیت‌های مختلف ، همچنان شبیه سازی عددی و اندازه گیری آزمایشگاهی جریان در مناطق حساس توربین گاز موضوع تحقیقات امروزی است. پس از دهه‌ها تحقیق ، امروزه افزایش بیشتر کارایی توربین مشکل و مشکل‌تر شده است و نیاز به درک عمیقی از میدان سه‌بعدی و پیچیده‌ی جریان دارد.تحقیق حاضر به بررسی فیزیک جریان در ناحیه‌ی نوک پره به‌کمک شبیه‌سازی عددی در یک نرم افزار تجاری می‌پردازد. نوک پره‌های روتور توربین گاز نه تنها یکی از عوامل اصلی تولید افت آیرودینامیکی هستند، بلکه عاملی محدود کننده برای عمر پره نیز محسوب می‌شوند. لقی بین نوک پره و بدنه در حضور اختلاف فشار بین دو سمت فشاری و مکشی پره موجب می‌شود جریان نشتی با شتاب بالا از این گپ عبور کند. تقابل این جریان با جریان اصلی مجرا در سمت مکشی پره باعث ایجاد گردابه‌ی نشتی و تولید افت زیاد می‌شود ؛ از طرف دیگر سرعت بالا و اصابت جریان داغ به سطح پره، ضریب انتقال حرارت بالایی را روی نوک پره ایجاد می‌کند. در این پایان نامه، هندسه‌ی نوک حفره دار با هندسه‌ی تخت برای عمق‌های مختلف حفره، لقی‌های بین 1 تا 3% پهنای پره و نیز دو زاویه برخورد خارج از نقطه طرح مقایسه شده و توزیع کمیت‌های دبی نشتی، افت جریان در طول مجرا و در صفحه‌ی خروجی، زاویه‌ی خروجی گاز و ضریب انتقال حرارت مورد تحلیل قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌ها در حالت ردیف پره‌ی خطی و منطبق با یک تحقیق آزمایشگاهی انجام گرفته است.توزیع انتقال حرارت روی نوک و توزیع فشار در مقطع میانی پره توافق قابل قبولی با داده‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد. پس از مقایسه‌ی چند مدل آشفتگی، مدل دومعادله‌ایk-w در پیش‌بینی انتقال حرارت عملکرد بهتری نشان داد. نتایج نشان ‌می‌دهد با افزایش لقی کمیت‌های افت جریان ، دبی نشتی و انحراف گاز خروجی بصورت خطی افزایش می‌یابد که شیب افزایش با افزایش‌ ارتفاع شیار کاهش یافته است. نوک های حفره‌دار در همه‌ی لقی‌ها مقدار این کمیت‌ها را کاهش می‌دهند. در هر لقی ارتفاع مناسبی برای شیار وجود دارد که کمترین افت را ایجاد می‌کند. ارتفاع شیار 1/2% در لقی های کوچک و ارتفاع شیار 2/4% در لقی 3% کارایی بهتری نشان می‌دهند، بطوری که در لقی 5/2% هر دو ارتفاع تقریبا کاهش افت یکسانی ایجاد می‌کنند.نتایج حل حرارتی نشان می‌دهد با افزایش لقی مقدار متوسط کلی ضریب انتقال حرارت روی سطح نوک‌ تخت، تا لقی 2% افزایش و در لقی‌های بزرگتر کاهش می‌یابد. برای هندسه های شیاردار این کمیت افزایش اما شیب افزایش آن با افزایش لقی کاهش یافته است. متوسط ضریب انتقال حرارت نوک‌های شیاردار در تمامی حالات کمتر از مقدار آن برای نوک‌های تخت است و مقدار آن با افزایش ارتفاع شیار کاهش می‌یابد. طبق نتایج حاصله، برای پروفیل پره‌ی مورد مطالعه در این تحقیق، مقدار ضریب انتقال حرارت نوک پره نسبت‌ به کمیت‌های آیرودینامیکی بیشتر تحت تاثیر تغییر ارتفاع شیار نوک پره قرارمی‌گیرد.کلمات کلیدی: جریان نشتی، توربین گاز، نوک پره، نوک شیار دار، اغتشاش، افت، ضریب انتقال حرارت

ارتقاء امنیت وب با وف بومی