دانلود پایان نامه:ارائه مدل حرارتی برای ساختمان پوشش سپر حرارتی تیغه توربین گازی

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :مهندسی مکانیک

گرایش :تبدیل انرژی

عنوان : ارائه مدل حرارتی برای ساختمان پوشش سپر حرارتی تیغه توربین گازی

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد ساری

دانشکده فنی و مهندسی گروه مهندسی مکانیک

پایان نامه جهت دریافت درجه کارشناسی ارشد ((M.Sc))

گرایش: تبدیل انرژی

 

عنوان:

ارائه مدل حرارتی برای ساختمان پوشش سپر حرارتی تیغه توربین گازی

 

استاد راهنما:

دکتر علیرضا مجیدیان

استاد مشاور:

دکتر داود دومیری گنجی

تابستان1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

چکیده:

در این پایان نامه، به بررسی رفتار حرارتی ساختمان پوشش‌های سپرحرارتی (Thermal Barrier Coating) موجود برروی تیغه های توربین گازی که تحت دماهای بالا و محیط خورنده قرار دارند پرداخته شده است. تحقیقات مختلفی در زمینه تحلیل TBC صورت گرفته که اکثر آن‌ها بر اساس آزمایشات و یا نرم افزارهای شبیه سازی از قبیل ABAQUS انجام شده و ساختار دانه بندی، تنش‌های ایجاد شده و ترک‌های ناشی از این تنش‌ها مورد بررسی قرار گرفته است اما در برخی دیگر نیز که به بررسی توزیع دما پرداخته شده در آن‌ها توزیع لایه های پوشش حرارتی به صورت فشرده (Lumped) در نظر گرفته شده که باعث ایجاد خطا خواهد شد. در واقع ارتباط معنی داری بین تحلیل ساختمانی و مدل‌های حرارتی ارائه شده تاکنون وجود نداشته و این مساله از اینجا ناشی می‌شود که در تحلیل‌های حرارتی تمامی لایه های تشکیل دهنده TBC مدنظر قرار نگرفته است لذا هدف از انجام این پایان نامه بررسی و تحلیل حرارتی ساختمان TBC بر اساس مدل مواد مرکب به روش عددی و با در نظر گرفتن تمامی لایه های تشکیل دهنده ساختمان آن می‌باشد.

کلمات کلیدی: پوشش سپرحرارتی، تیغه توربین گازی، انتقال حرارت رسانشی، مواد مرکب، روش حجم محدود

 

فصل اول : مقدمه

  • مقدمه……………………………….. 1
  • تعاریف………………………………. 6

فصل دوم : مروری بر منابع مطالعاتی

2-1- مروری بر تحقیقات گذشتگان……………… 8

فصل سوم : تعریف مساله و تحلیل انتقال حرارت یک بعدی در TBC

3-1- هندسه تیغه و مواد تشکیل دهنده TBC……… 22

3-2- فیزیک بارگذاری حرارتی………………… 25

3-3- بررسی معادلات حاکم……………………. 27

3-3-1- شرایط اولیه به صورت بی بعد………. 33

3-3-2- شرایط مرزی به صورت بی بعد……….. 33

3-4- مبانی پایه روش حل عددی معادلات انتقال حرارت رسانشی غیرفوریه در TBC …………………………………. 34

3-5- بررسی پایداری روش حجم محدود مقدار متوسط برای انتقال حرارت رسانش…………………………………… 42

3-5-1- بررسی ریشه­­­های مساوی و حقیقی………. 46

3-5-2- بررسی ریشه­­­های نامساوی و حقیقی……. 47

3-5-3- بررسی ریشه های موهومی…………… 49

3-6- محاسبات و اعتبار سنجی………………………………………………………………………………………………………50

فصل چهارم : نتایج و بحث

4-1- تشریح نمودارهای توزیع دما و شار حرارتی… 54

فصل پنجم : نتیجه­گیری نهایی و ارائه پیشنهاد

5-1- نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………..82

5-2- ارائه پیشنهاد………………………………………………………………………………………………………………………….83

پیوست ها

پیوست الف: کدهای برنامه نویسی پایه بکارگرفته شده در این تحقیق…………………………………..84

پیوست ب: نمودارهای توزیع دما و شار حرارتی برای بررسی پارامتریک اثرات ضریب پخش حرارتی، ضریب رسانش حرارتی و زمان آسایش در تیغه توربین گازی با توجه به شرائط مندرج در این تحقیق……………………………………………………………………………………………………………………………………………….95

مراجع…………………………………… 156

 

شکل 1-1: جریان هوای خنک کن تیغه توربین گازی…. 2

شکل 1-2: توزیع دمای کیفی سطح مقطع TBC………. 4

شکل 1-3: تصویر بزرگنمایی شده از لایه های TBC…. 4

شکل 2-1: هندسه و مختصات بارگذاری حرارتی…….. 9

شکل 2-2: : توزیع دما در ناحیه مورد نظر در دماهای مختلف   9

شکل 2-3: مدل فیزیکی ابرهادی با لایه فیلم نازک و زیرلایه    10

شکل 2-4: تاثیر ویژگیهای زیرلایه بر روی توزیع شار و دما    11

شکل 2-5: مقایسه توزیع دمای هذلولوی و سهموی در فیلم و زیرلایه با tp=0.1 ……………………………………. 11

شکل 2-6: مدل المان محدود TBC………………. 12 شکل 2-7: : تنش معادل eqσ در BC  و تنش اصلی ماکزیمم 1σ در TGO….. 13

شکل 2-8 : تنش‌های نرمال در فصل مشترک TGO-TC…… 13

شکل 2-9: نحوه بارگذاری حرارتی با m سیکل…….. 14

شکل 2-10: مقادیر ماکزیمم تنش در TGO (نقطهB) در دمای اتاق 14

شکل 2-11 : مش بندی سیستم TBC……………….. 15

شکل 2-12: نتایج حاصل از تحلیل تنش TBC برای TGO با ضخامت 5μm   15

شکل 2-13: مدل فیزیکی شماتیک به کار رفته در تحلیل فشرده TBC    16

شکل 2-14: تاثیر زمان آسایش،τ، بر روی توزیع دما.. 16

شکل 2-15: دمای حالت پایدار سطح TBC به صورت تابعی از ضخامت TBC 17

شکل 2-16: مدل هندسی به کار رفته در تحلیل تنش… 18

شکل 2-17: نتایج حاصل از تحلیل تنش توسط نرم افزار ABAQUS  19

شکل 2-18: تنش‌های صفحه ای بوجود آمده در لایه TGO نمونه در نقاط 19

 

شکل 2-19: مدل شماتیک دیسک دایره ای برای مشخصه های ترموالاستیک TBC……………………………………….. 20

شکل 2-20: مش بندی حجم محدود برای یک دامنه دوبعدی 20

شکل 2-21: تنش در TBC تحت توزیع دمای متقارن1100-950°C 21

شکل 2-22: وابستگی دما به فاصله برای 2=α و 1=β (T0 T/= )  21

شکل 3-1: ساختمان شماتیک ساختمان تیغه توربین گازی 22

شکل 3-2: سطح مقطع TBC…………………….. 23

شکل 3-3: منحنی دما در بارگذاری حرارتی سیکلی…. 26

شکل 3-4: : ساختمان TBC با در نظر گرفتن مختصات مربوطه 30

شکل 3-5: مش بندی یک بعدی مربوط به دو بخش TBC… 34

شکل 3-6: مولکول محاسباتی برای MVFVM………… 35

شکل 3-7: مولکول محاسباتی در فصل مشترک………. 39

شکل 3-8: نتایج تحقیقات آکوابوا (-) و لور و چو (□)………………………………………………………………….50

شکل 3-9: مقایسه نتایج تحقیق حاضر با تعداد گره های مختلف و نتایج تحقیقات آکوابوا و لور و چو……………………………………………………………………………………………………………………………………………………51

شکل 3-10: مقایسه نتایج در تعداد گره های کمتر……………………………………………………………………..51

شکل 4-1: شکل 4-1: توزیع شار حرارتی در زمان 1/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………56

شکل 4-2: توزیع دما در زمان 1/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………………………………………………57

شکل 4-3: توزیع شار حرارتی در زمان 2/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………………………….58

شکل 4-4: توزیع دما در زمان 2/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………………………………….59

 

شکل 4-5: توزیع شار حرارتی در زمان 3/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………………60

شکل 4-6: توزیع دما در زمان 3/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر…………………………………………………………………………………………………………..61

شکل 4-7: توزیع شار حرارتی در زمان 4/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………62

شکل 4-8: توزیع دما در زمان 4/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………………………………………..63

شکل 4-9: توزیع شار حرارتی در زمان 5/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………………………………65

شکل 4-10: توزیع دما در زمان 5/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر…………………………………………………………………………………………….66

شکل 4-11: توزیع شار حرارتی در زمان 6/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر…………………………………………………………………………………68

شکل 4-12: توزیع دما در زمان 6/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………….69

شکل 4-13: توزیع شار حرارتی در زمان 7/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………..71

شکل 4-14: توزیع دما در زمان 7/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………72

شکل 4-15: توزیع شار حرارتی در زمان 8/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………74

شکل 4-16: توزیع دما در زمان 8/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………………..75

شکل 4-17: توزیع شار حرارتی در زمان 9/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر……………………………………………………………………………77

شکل 4-18: توزیع دما در زمان 9/0 برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر…………………………………………………………………………………..78

شکل 4-19: توزیع شار حرارتی در زمان واحد برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………….80

 

شکل 4-20: توزیع دما در زمان واحد برای مقادیر مختلف زمان آسایش با فرض واحد بودن زمان آسایش برای لایه های دیگر………………………………………………………………………………..81

 

جدول 3-1: مشخصات فیزیکی مواد تشکیل دهنده TBC… 24

جدول 3-2: خواص مربوط به تنش در دماهای مختلف…. 24

جدول 4-1: مشخصات فیزیکی اجزای تشکیل دهنده تیغه توربین گازی…………………………………….53

 

1-1-مقدمه

پوشش‌های سپر حرارتی (TBC) در تیغه‌ها، پره‌ها، دیواره های محفظه احتراق و نازل‌های خروجی توربین‌های گازی و تجهیزات مشابه بکار می‌روند. هدف از بکارگیری این پوشش‌ها علاوه بر محدودکردن انتقال حرارت، حفاظت قطعات فلزی از اکسیداسیون و محیط‌های حرارتی خورنده نیز می‌باشد. از آنجایی که راندمان حرارتی این سیستم‌ها نسبت مستقیم با دماهای کارکردشان دارد لذا افزایش دمای ورودی باعث افزایش راندمان خواهد شد.

از بهترین نتایج افزایش راندمان حرارتی می‌توان به ذخیره سازی منابع انرژی و محدودسازی تولید گازهای مضر حاصل از احتراق از قبیل 2CO و دیگر گازهای گلخانه ای اشاره نمود. از این رو استفاده از مواد و روش‌هایی که به بالا بردن دمای کارکرد توربین گازی کمک کند مورد علاقه مهندسین و محققین مربوطه می‌باشد. استفاده از سوپر آلیاژهایی با پایه نیکل (Ni) همراه با پوشش‌های سپر حرارتی (TBC) برای قطعات تحت بارهای حرارتی بالا به بهبود راندمان توربین گازی کمک خواهد کرد. در سالهای اخیر افزایش دمای حاصل از احتراق سوخت در توربین‌ها باعث رسیدن دمای سطح مواد تا °C 1250 و حتی بیشتر شده است. این شرایط بارگذاری حرارتی را فقط می‌توان با ترکیب روش‌های خنک کاری مدرن و بکارگیری پوشش‌های محافظ، روی تیغه‌ها اعمال کرد (شکل 1-1).

 

 

شکل 1-1: جریان هوای خنک کن تیغه توربین گازی

در روش خنک کاری، هوای خنک کن خروجی از کمپرسور از طریق سوراخهایی در دیواره و یا انتهای دیواره تیغه توربین تخلیه می‌شود. هوای خنک کن تزریق شده از سوراخ‌ها یک لایه عایق حرارتی نازک را روی سطح تیغه تشکیل داده تا از تیغه در برابر جریان گاز داغ تولیدی ناشی از احتراق حفاظت نماید. معمولاً قطر این سوراخ‌ها از mm5/0 کمتر بوده و به صورت عمود و یا با زاویه تقریبی 30-15 درجه نسبت به سطح قرار دارند.

روش دیگر که از طریق آن می‌توان باعث افزایش راندمان حرارتی توربین شد استفاده از پوشش محافظ در برابر دماهای بالا می‌باشد. ساختمان سپر حرارتی با احتساب فلز پایه تیغه از چهار بخش اصلی تشکیل شده است: فلز پایه تیغه که یک سوپر آلیاژ است، باند کوت فلزی (BC)، اکسید رشد یافته در اثر حرارت (TGO) و پوشش سد حرارتی (TC) که معمولاً به روش پلاسما اسپری می‌شود. هر کدام از این لایه‌ها دارای خواص فیزیکی، حرارتی و مکانیکی متفاوت بوده که مطالعه این سیستم مرکب (Composite) از چند ماده (multi-material) را سخت‌تر می‌کند.

صدمات بوجود آمده در TBC ها مربوط به تنش‌های پس ماند ناشی از تبدیل فاز (فرآیند پوشش گذاری (Coating) و فرایند پخت سرامیک)، انقباض سریع مواد اسپری شده (TBC) در اثر تغییر دما به دمای محیط، عدم تطابق خواص حرارتی اجزاء تشکیل دهنده مواد (اختلاف بین ضرایب انبساط حرارتی (CTE) فلز پایه و پوشش‌ها)، اکسیداسیون باندکوت (BC)، شکل پیچیده فصول مشترک (BC/TGO/TBC) و توزیع مجدد تنش‌ها توسط خزش و تغییر شکل پلاستیک و مقاومت ترک می‌باشد.

لایه های TBC دارای ضرایب انبساط حرارتی (Coefficient of Thermal Expansion) مختلف بوده که باعث ایجاد تنش‌هایی در سیکل‌های حرارتی ناشی از خنک کاری سیستم تا دمای محیط می‌شوند. در دمای محیط، فلز پایه تیغه، اینکونل 617 (آلیاژ آهن، نیکل و کروم)، ضریب انبساط حرارتی بالاتر (حدود 1-C 6-10×12) از TBC، را دارا می‌باشد. پوشش BC که دارای ضریب انبساط حرارتی حدود 1-C 6-10×10 می‌باشد به نحوی انتخاب می‌شود که بتواند عدم تطابق بین لایه‌های نامبرده شده را تا حدودی برطرف نماید. مقدار CTE مربوط به اکسید رشد یافته در اثر حرارت (TGO) حدود 1-C 6-10×5 است. حالت تنش‌های حرارتی در TGO به صورت فشاری بوده و می‌تواند تا مقدار Gpa 6-3 در دمای محیط نیز برسد. با توجه به موارد ذکر شده اگر TBC به طور مکرر گرم و سرد شود خرابی ناشی از خستگی حرارتی رخ خواهد داد.

پوشش بالایی TBC که مستقیماً با گاز داغ حاصل از احتراق در تماس است به سبب ضریب انتقال حرارت پایین در این پوشش دمای هوای ورودی را می‌توان تا °C 200 کمتر نمود که در صورت ایجاد محیط متخلخل در میکروساختار این پوشش به دماهای پایین‌تر نیز می‌توان دست یافت. شکل (1-2) به صورت شماتیک روند کاهش دما در TBC را از مکان در تماس با گاز داغ تا مرحله خنک‌کاری داخلی نشان می‌دهد. در شکل (1-3) تصویر لایه های مختلف TBC با بزرگنمایی نشان داده شده است.

 

شکل 1-2: توزیع دمای کیفی سطح مقطع TBC [5]

 

شکل 1-3: تصویر بزرگنمایی شده از لایه های TBC [6]

 

با وجود تأثیر زیاد TBC در کاهش دمای ورودی، سطح فلز پایه تیغه توربین گازی به علت ایجاد خرابی در این پوشش‌ها، هنوز به تنهایی قادر به حفاظت از تیغه‌ها نبوده و حتماً باید از جریان هوای خنک کن داخلی و خارجی جهت پایین نگه داشتن دمای فلز در مقداری کمتر از نقطه خرابی آن استفاده نمود. لذا جهت بهره برداری از TBC شناخت ساختار و قابلیت‌های این پوشش در مواجهه با حرارت و سایر موارد تاًثیرگذار مثل اکسیداسیون و وجود عیوب ساختاری و موارد مشابه، ساختمان آن نیاز به تحلیل دارد.

ضعف اصلی سیستم‌های TBC مربوط به فصل مشترک بین پوشش فلزی قرار داده شده بر روی فلز پایه (BC) و ماده سرامیکی TBC (لایه پوشش نهایی) می‌باشد. در این فضا در هنگام کار توربین گازی، کاهش کیفیت دیده می‌شود که نتیجه آن لایه لایه شدن ماکروسکوپی لایه سرامیکی است. در دماهای بالا نفوذ آلومینیوم ترکیب شده با اکسیژن در فصل مشترک TBC/BC باعث شکل گیری یک لایه اکسید می‌شود که همانطور که قبلاً بیان شده به آن اکسید رشد یافته در اثر حرارت TGO(Thermally Grown Oxide) می‌گویند. در حالت کلی رشد TGO باعث ایجاد یک انبساط حجمی مقید خواهد شد که نتیجه آن تنش‌های رو به رشد فشاری (با مقادیر کمتر از 1 Gpa) بوده که در مقابل تغییرات دمایی از خود واکنش نشان می‌دهد.

در فرآیند ایجاد پوشش روی فلز پایه تیغه توربین گازی در ابتدا به وسیله عملیات سندبلاست یک سطح زیر بر روی فلز پایه ایجاد می‌شود که این عملیات باعث القاء یک تنش فشاری در حدود Mpa 200 در سطح بلاست شده می‌گردد. این سطح زبر باعث بهبود فرآیند چسبندگی می‌شود و در ظاهر باعث افزایش عمر این سیستم (اسپری شده پلاسمایی) شده که تحت تاًثیر بارگذاری حرارتی سیکلی قرار دارد و دلیل عمده آن ظهور یک منطقه تحت فشار می‌باشد.

علاوه بر این، ویژگیهای مواد هر لایه به علت یک برهمکنش پیچده الاستیک، پلاستیک، خزش، تبدیل فاز و پخت بر روی حالت تنش منتجه در TBC تاثیر دارند. بر اساس مشاهدات انجام گرفته خرابی‌ها در دمای پایین که پدیده خزش کم اهمیت می‌باشد رخ می‌دهند. در فاز دما بالا، خزش می‌تواند تنش‌های ناشی از رشد لایه TGO را آزاد کرده و یک حالت تنش نیمه آزاد در انتهای پریود حرارت دهی ایجاد نماید. رها سازی تنش در خزش و تغییر شکل پلاستیک در بردارنده مکانیزم‌های تغییر شکل متفاوت از قبیل تغییر مکان نقاط جابجایی و تغییر شکل صفحات لغزشی می‌باشد.

مطالعات نشان داده که در خلال سیکل حرارتی، سطح تنش ماکزیمم در TBC ها همیشه در فصل مشترک BC/TC ایجاد می‌شود. زمانی که این سطح تنش از سطح مقاومت عبور نماید باعث وارد شدن صدمه به ماده خواهد شد. شروع و توسعه صدمه وارد شونده به پوشش تیغه می‌تواند به شکل میکروترک در مسیرهای مختلف زیادی در TBC روی دهد که این امر بستگی به طبیعت ویژه مواد ادغام شده، فرایند پوشش گذاری، مقدار عمر لایه‌لایه شدگی که قبلاً مصرف شده و شرایط بارگذاری سیکل حرارت‌دهی شده دارد. ارتباط میکروترک ها در فصل مشترک دو پوشش بالایی TC / BC و لایه TGO می‌تواند در نهایت منجر به لایه لایه شدن و در نتیجه تخریب TBC شود.

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

تعداد صفحه : 175

قیمت : چهارده هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید