چالش پره و حرارت!

یکی از مهمترین پارامترهای بهبود بازده سیکل حرارتی برایتون دمای ورودی توربین است. این دما به دلیل محدودیت های سازه ای مقید است. توربین با سرعت دورانی بالا ( rpm 3000 در توربین های زمینی) حرکت می کند. این سرعت دورانی نیروی شعاعی بالایی به پره ها وارد می کند. در چنین شرایطی دمای بالای جریان خواص مکانیکی مواد را تحت تاثیر قرار می دهد. در چنین شرایطی، از مهمترین عوامل خرابی پره های توربین خزش (Creep) و همچنین شکست در اثر خستگی(Fatigue) است.

شکست پره توربین

شرکت جنرال الکتریک برای کنترل حرارت پره های توربین از دو روش کلی استفاده می کند. 

  • خنک کاری سیکل باز (به کمک جریان هوا):

در این روش جریان هوایی که از ورودی انشعاب گرفته شده است از طریق منافذی بر روی پره ها عبور داده می شود. با تشکیل یک لایه ی هوای خنک بر روی پره، عمر این قطعه ی گرانبها افزایش می یابد. عمر این تکنولوژی حدود 30 سال است که بویژه در موتورهای هوایی کاربرد داشته است. همچنین با نشت جریان در جهت مناسب، جدایش جریان از سطح پره را نیز می توان کنترل کرد.

  • خنک کاری سیکل بسته (به کمک بخار):

به دنبال ضعف هایی که روش سیکل باز داشت، شرکت جنرال الکتریک تصمیم به اتخاذ روشی پیشرفته تر گرفت. این روش که عمدتا در توربین های گازی زمینی کاربرد دارد از جریان بخار برای حفظ پره در برابر حرارت کمک می گیرد. با عبور جریان بخار از درون پره ها و در یک سیکل بسته، پره در شرایط حرارتی وخیم قرار نمی گیرد.

اما چرا سیکل بسته به سیکل باز ترجیح داده شده است؟

در خنک کاری سیکل باز، جریان هوای خنک وارد سیال کاری درون موتور می شود و بدین ترتیب دمای متوسط جریان را بشدت کاهش می دهد. این کاهش دما گاه به 160 درجه سلسیوس می رسد که تاثیر قابل توجه بر بازده سیکل برایتون دارد. اینجاست که سیکل بسته تمایز خود را نشان می دهد. در این روش خنک کاری، جریان خنک به هیچ وجه وارد سیال کاری نمی شود و تنها با عبور از درون پره حرارت را انتقال می دهد. برای بهبود خواص انتقال حرارت، بجای هوا از بخار آب که ظرفیت حرارتی بیشتری دارد استفاده می شود ضمن اینکه این بخار داغ قابل استفاده در سیکل ترکیبی است. افت دمایی که این روش به دنبال دارد حدود 40 درجه سلسیوس می باشد که در مقایسه با روش قبل قابل ملاحظه است. اما استفاده از بخار یعنی احتمال بروز میعان و وجود رطوبت که احتمال زنگ زدگی را افزایش می دهد. لذا باید ملاحظاتی را در انتخاب مواد و همچنین ترمودینامیک جریان بخار در نظر گرفت.

در موتورهای هوایی همچنان خنک کاری سیکل باز محبوبیت دارد چراکه به اندازه ی سیستم های سیکل بسته پیچیده نیست و وزن کمتری را بدنبال دارد.