چکیده
توربین¬های گازی در مصارف صنعتی زیادی کاربرد دارند. در این توربین¬ها افزایش نسبت فشار کمپرسور و دمای ورودی به توربین گاز (پس از محفظه¬ی احتراق) دو روش عمده برای افزایش راندمان و توان خروجی موتور می¬باشد. در توربین¬های گاز پیشرفته به منظور افزایش راندمان، معمولاً دمای گاز ورودی به مرحله¬ی اول تور بین را افزایش می¬دهند به طوریکه این دما از محدوده¬ی قابل تحمل آلیاژ استفاده شده جهت ساخت پره¬های توربین بیشتر می¬باشد. به منظور محافظت اجزای توربین و محفظه احتراق در برابر گازهای بسیار داغ حاصل از احتراق، از خنک کاری لایه¬ای استفاده می¬شود. در خنک کاری لایه¬ای، یک لایه از سیال سرد (سیال با دمای پایین تر نسبت به گازهای حاصل از احتراق) بر روی اجزا قرار گرفته و اجزا را در برابر جریان بسیار داغ خروجی از محفظه¬ی احتراق محافظت می¬کند. از آن¬جا که این سیال نسبتا سرد از قسمت¬های بالایی کمپرسور گرفته می¬شود منجر به کاهش بازده موتور می¬شود، در نتیجه تا جایی که امکان دارد باید ضریب عملکرد خنک کاری لایه¬ای را بهبود بخشید.
هدف کلی از پژوهش حاضر پیشنهاد روشی نوین جهت بهبود عملکرد خنک کاری لایه¬ای می¬باشد. در این نوع خنک¬کاری، به دلیل وجود جفت گردابه¬های خلاف گرد در پایین دست سوراخ تزریق، لایه¬ی تشکیل شده بر روی سطح تمایل به جداشدن از روی سطح را دارد. به منظور غلبه بر جفت گردابه¬های خلاف گرد تشکیل شده در پایین دست سوراخ¬های تزریق، هندسه¬ای نوین پیشنهاد شده است. در هندسه¬ی نوین پیشنهادی، سطح مقطع سوراخ¬های تزریق شامل دندانه¬های مارپیچ می¬باشد. این دندانه¬های مارپیچ منجر به تزریق سیال خنک کننده با پیچش بر روی سطح گشته و از جداشدن لایه¬ی سیال سرد از روی سطح تا حد امکان جلوگیری می¬نماید. در نتیجه در پژوهش حاضر به بررسی عددی و تجربی عملکرد خنک کاری لایه¬ای با استفاده از سوراخ تزریق با دندانه¬های مارپیچ پرداخته شده است. در بخش عددی کار به بررسی و بهینه سازی پارامترهای هندسی تاثیر گذار بر روی ضریب عملکرد خنک کاری لایه¬ای از جمله زاویه تزریق سیال خنک کننده، سطح مقطع جریان تزریقی، ارتفاع و ضخامت دندانه¬ها، تعداد دندانه¬ها و پیچش دندانه¬ها پرداخته شده است. نتایج حاصل از حل جریان برای زوایای تزریق متفاوت نشان می¬دهد که با افزایش زاویه¬ی تزریق از یک مقدار بهینه، تمایل به اختلاط سیال سرد و جریان اصلی افزایش پیدا کرده و لایه¬ی سیال سرد، سریعتر از سطح جدا می¬شود. از طرفی با کمتر شدن این زاویه به دلیل افزایش در طول لوله¬ی تزریق، افت فشار سیال افزایش پیدا می¬کند. در نتیجه با بررسی نمودار اثر بخشی در پایین دست سوراخ تزریق و نمودار افت فشار برای زوایای تزریق متفاوت، بهترین عملکرد در زاویه¬ی تزریق 20 درجه گزارش شد. همچنین با بررسی مشابه برای سایر پارامترهای هندسی برای یک سوراخ تزریق با دندانه مارپیچ، بهترین عملکرد خنک کاری لایه¬ای برای سطح مقطع دندانه¬دار دایره¬ای شکل به قطر D که شامل 2 دندانه با ضخامت 0.0125D، ارتفاع 0.1D و گام پیچش 0.33D می¬باشد، گزارش گردید. در قسمت سوم حل عددی به بررسی تأثیر دو سوراخ تزریق جداگانه بر روی هم پرداخته شد و پارامترهای هندسی شامل فاصله¬ی بین دو سوراخ، ضخامت و ازتفاع دندانه¬ها و گام پیچش آن بهینه سازی گردید. با استفاده از نتایج حل عددی بدست آمده، بهترین عملکرد خنک کاری لایه¬ای برای دو سوراخ دندانه دار با ضخامت دندانه 0.025D، ارتفاع 0.05D و گام پیچش 0.67D که با فاصله 1.1D از هم می¬باشد، گزارش گردید.
کلمات کلیدی: 1- خنک کاری لایه¬ای 2- ضریب عملکرد خنک کاری 3- دوربین حرارتی 4- طول تأثیر