افزایش بارگذاری پره‌های توربین کم‌فشار از طریق افزایش زاویه جریان در ردیف‌پره‌ها، روشی جهت افزایش توان خروجی از آن می‌‌باشد. رویکرد مذکور همراه با شرایط کاری در محدوده کمتر از اعداد رینولدز بحرانی در یک توربین کم‌فشار، زمینه‌ساز جدایش جریان از سطح پره‌ها خواهدبود. کلاکینگ به عنوان یک مکانیزم کنترلی می‌تواند با تنظیم موقعیت محیطی ردیف‌پره‌ها نسبت به یک مرجع جهت افزایش عملکرد آیرودینامیکی توربین‌های محوری در یک رویکرد طراحی استفاده شود. عدم دسترسی به تست‌ریگ مورد نیاز در این پژوهش جهت مطالعه تجربی کلاکینگ‌ موجب شده تا تنها از شبیه‌سازی‌های عددی سه‌بعدی استفاده شود. لذا جهت اعتباربخشی به رویه عددی مورد استفاده، از آزمون تجربی کسکید خطی پره‌های توربین و شبیه‌سازی عددی جریان آن با بهره‌گیری از کوپلینگ مدل توربولانسی SST k-ω با مدل تشخیص پدیده گذار γ-Re_θt استفاده شده‌است. نتایج بررسی جریان کسکید حاکی از تسریع فرایند گذار، کاهش طول حباب جدایش و افت فشار با افزایش عدد رینولدز و شدت توربولانس جریان آزاد می‌باشد. علاوه‌بر بررسی سینماتیک جریان دنباله در گذرگاه پره و آشکارسازی لکه توربولانس، اثبات شد که حضور دنباله موجب کاهش افت فشار پره توربین می‌شود. اثر لحظه‌ای دنباله بر لایه‌مرزی پره کسکید توربین با مطالعه ضریب فشار، توزیع ضریب اصطکاک و شدت توربولانس، اینترمیتنسی و پروفیل‌های سرعت بررسی شده‌است. با استفاده از تحلیل فرکانسی نتایج آزمایش‌های کسکید در شرایط جریان ناپایا، نشان داده‌شد که یک دنباله آنقدر قدرت دارد که بتواند از ابتدای ورود به گذرگاه مابین پره‌ها تا خروج از آن اثر لحظه‌ای خاص خود را روی توزیع فشار پره اعمال کند. همچنان آشکار شد که جریان خروجی از پره شدت اغتشاشات متفاوتی را در راستای گام پره با خود حمل می‌کند. از این رو کنترل مسیر دنباله‌های بالادست یک طبقه در یک توربوماشین امری ضروری به جهت بهینه‌سازی می‌باشد. نتایج تحلیل‌های پایا و ناپایای اعمال کلاکینگ روی استاتور دوم یک توربین کم‌فشار دوطبقه، با به‌کارگیری مدل‌های توربولانسی SST k-ω و Zonal-DES، حاکی از افزایش راندمان آیرودینامیکی و توان خروجی از رتور دوم به ترتیب تا 35_/0 و 34_/0 درصد می‌باشد. این بهبود عملکرد دراثر شرایط منحصربه‌فرد تحت کلاکینگ بهینه می‌باشد و طی آن دنباله طبقه بالادست به لبه حمله استاتور دوم برخورد کرده و موجب افزایش 1_/0درصدی فشار جریان خروجی از استاتور دوم و در نتیجه افزایش فشار دینامیک خروجی از آن شده‌است. مطابق نتایج ناپایا، در موقعیت بهینه کلاکینگ نسبت به موقعیت نامطلوب آن، به‌طور متوسط نقطه شروع گذار میانبر و گذار در حباب جدایش به ترتیب 48_/5% و 83_/47% به بالادست منتقل می‌شوند. همچنین موقعیت بهینه کلاکینگ موجب تأخیر در شروع گذار معکوس می‌شود. بررسی پارامتر اینترمیتنسی در فواصل مختلف از سطح مکش و تحقیق فرایند گذار در فاصله μm2_/5 از آن نشان می‌دهد که می‌توان نتایج حاصل از اندازه‌گیری پارامتر‌های فرایند گذار روی سطح را به لایه‌های سیال بالاتر از سطح پره تعمیم داد. اثربخشی کلاکینگ به شدت وابسته به مشخصات هندسی و آیرودینامیکی ردیف‌پره‌های ثابت و متحرک می‌باشد. لذا در این پژوهش، یک کد کامپیوتری در این رابطه توسعه داده شده‌است که از ترکیب روش‌های خط انحنای جریان و گردابه آزاد جهت طراحی یک توربین هوایی دوطبقه با راندمان بالا استفاده می‌کند. توربین مذکور شامل یک طبقه توربین فشاربالا و یک طبقه توربین کم‌فشار است. تفاوت‌های جزئی مابین نتایج حاصل از روش خط انحنای جریان و نتایج شبیه‌سازی عددی سه‌بعدی برای حل میدان جریان در صفحه نصف‌النهاری وجود دارد، به‌طوری که نتایج حاصل از دو روش برای فشار و دمای کل خروجی از توربین طراحی‌شده به‌ترتیب 06_/13% و 88_/1% با یکدیگر اختلاف دارند. با توجه به نتایج شبیه‌سازی‌های سه‌بعدی ناپایا، راندمان کل‌به‌کل توربین طراحی‌شده در بدترین موقعیت کلاکینگ تقریبا برابر 87_/92% می‌باشد که تحت کلاکینگ بهینه استاتور واحد توربین کم‌فشار آن 12_/0% افزایش می‌یابد. این بهینه‌سازی مرهون کاهش 3_/20% درصدی افت فشار استاتور توربین کم‌فشار می‌باشد که منجر به افزایش راندمان طبقه دوم و توان خروجی آن به ترتیب  تا 44_/0% و 93_/0% تحت موقعیت بهینه کلاکینگ می‌شود.

 

کلاکینگ توربین کم‌فشار، طراحی توربین محوری، روش خط انحنای جریان، سینماتیک جریان دنباله، گذار القائی دنباله.