دانلود انتخاب سیستم خنک سازی توربین گازی و بررسی آن در فایل ورد (word)

انتخاب یك سیستم خنك سازی توربین گازی
Boris Glezer
راه حل های توربین بهینه سازی شده, سان دیگو, كالیفرنیا, U.S.A
این فصل عمدتاً روی موضوعات انتقال جرم و حرارت تمركز می یابد چون آنها برای خنك سازی مولفه های دستگاه توربین بكار می روند و انتظار می رود كه خواننده با اصول مربوطه در این رشته ها آشنایی داشته باشد. تعدادی از كتابهای فوق العاده (1-7) در بررسی این اصول توصیه می شوند كه شامل Streeter، دینامیك ها یا متغیرهای سیال Eckert و Drake، تجزیه و تحلیل انتقال جرم و حرارت، Incropera و Dewitt، اصول انتقال حرارت و جرم, Rohsenow و Hartnett، كتاب دستی انتقال حرارت, Kays، انتقال جرم و حرارت همرفتی, Schliching، تئوری لایه مرزی، و Shapiro، دینامیك ها و ترمودینامیك های جریان سیال تراكم پذیر
وقتی یك منبع جامع اطلاعات موجود باشد. مولف این فصل خواننده را به چنین منبعی ارجاع میدهد؛ با این وجود وقتی داده ها در صفحات یا مقالات گوناگون پخش شده باشند, مولف سعی می كند كه این داده ها را در این فصل بطور خلاصه بیان نماید.
a- سرعت صورت
b- بعد خطی در عدد دورانی
A-    منطقه مرجع, منطقه حلقوی مسیر گاز
Ag – سطح خارجی لایه نازك هوا
  - عدد شناوری
BR,M- سرعت وزش
CP- حرارت ویژه در فشار ثابت
d-قطر هیدرولیك
e- ارتفاع آشفته ساز
  -عدد اكرت
g- شتاب گریز از مركز
FP= پارامتر جریان برای هوای خنك سازی
G= پارامتر ناهمواری انتقال حرارت
Gr=   - عدد گراشوف
h- ضریب انتقال حرارت
ht- ضریب انتقال حرارت افزایش یافته با آشفته سازها
  -نسبت شار اندازه حركت
k- رسانایی حرارتی
  -رسانایی حرارتی سیال
L-طول مربع
m-سرعت جریان جرم
mc- سرعت جریان خنك سازی
M=  - سرعت رمش
Ma= r/a- عدد mach
rpm وN- سرعت پروانه
NUL= hL/kf- عدد Nusselt
Pr=   -عدد pradtl
PR= نسبت فشار كمپرسور
Ps=فشار استاتیك
Pt= فشار كل
Ptin-فشار كل ورودی
Q- سرعت انتقال حرارت-سرعت انتقال انرژی
  شار حرارتی
P- شیب بام آشفته ساز
r- وضعیت شعاعی
R- شعاع میانگین, شعاع احتراق ساز (كمبوستور), مقاومت, ثابت گاز
Ri-شعاع موضعی پره
Rt- شعاع نوكم پره
Rh=شعاع توپی یا سر لوله پره
Rel=   - عدد رینولرز براساس قطر هیدرولیك
ReL=  - عدد رینولرز براساس L
Ro= wb/v- عدد دورانی
Ros= 1/Ro- عدد Rossby
S-فاصله سطح نرمال شده
St- عدد Stanton
t- زمان
Tc- دمای هوای خنك سازی و نیز دمای تخلیه كمپرسور
Tf- دمای فیلم سطح
Tg- دمای گاز
Tgin- دمای گاز ورودی
Tm- دمای فلز, و نیز دمای لایه مخلوط سازی
Tref- دمای مرجع
Tst- دمای استاتیك موضعی
Tu- شدت جریان آشفتگی
 - نوسان سرعت محوری محلی
uin- سرعت محوری گاز  ورودی
u,r,w- جریان اصلی یا مولفه های سرعت محوری جریان خنك سازی در مسیرهای  z, y x
w- پهنا
 - زوایه شیب جت فیلم
 - زاویه بین جت فیلم و محورهای جریان اصلی
 - نسبت حرارتی ویژه
 - ضریت جمعی ترسمه یا انبساط حرارتی, همواری سطح
 - قابلیت انتشار حرارتی گردابی
  - قابلیت انتشار اندازه حركت گردابی
 - تاثیر انتقال حرارت
 - تاثیر خنك سازی
n- بارزه حرارتی
  - ویسكوزیته گاز مطلق
P- چگالی
 - حد تنش گسیختگی
w- فركانس دورانی
زیر نویس ها
aw- دیوار آدیاباتیك
C- خنك كننده
d- براساس قطر لبه هدایت كننده (سیلندر)
f- فیلم
hc- آبشار گرم
o-كل
tuv-توربین
w-دیوار
 - جریان اصلی
خنك سازی توربین بعنوان یك تكنولوژی كلیدی برای توسعه موتورهای توربین گازی
عملكرد یك موتور توربین گازی تا حد زیادی تحت تاثیر دمای ورودی توربین می باشد و افزایش عملكرد قابل توجه را می توان با حداكثر دمای ورودی توربین مجاز بدست آورد. از یك نقطه نظر عملكردی احتراق با دمای ورودی توربین در حدود  می تواند یك ایده ال به شمار آید چون هیچ كاری برای كمپرس كردن هوای مورد نیاز برای رقیق كردن محصولات احتراقی به هدر نمی رود. بنابراین روند صنعتی جاری, دمای ورودی توربین را به دمای استوكیو سوخت  بخصوص بردی موتورهای نظامی, نزدیكتر می كند. با این وجود دماهای فلز مولفه مجاز نمی تواند از  كند. برای كاركردن در دماهای گازی بالای این حد, یك سیستم خنك سازی مولفه بسیار موثر مورد نیاز است. پیشرفت در خنك سازی, یكی از ابزار اصلی برای رسیدن به دماهای ورودی توربین بالاتر می‌باشد و این امر به عملكرد اصلاح شده و عمر بهبود یافته توربین منتهی می شود. انتقال حرارت یك عامل طراحی مهم برای همه بخش های یك توربین گاز پیشرفته بخصوص در بخش های توربین و كمبوستور می باشد. در بحث وضعیت طراحی خنك سازی مصنوعی بخش داغ، باید به خاطر داشته باشید كه طراح توربین مرتباً تحت فشارهای شدید برنامه زمانبدی توسعه, قابلیت پرداخت, دوام و انواع دیگر محدودیت های درون نظامی می باشد و همه اینها قویاً انتخاب یك طرح خنك سازی را تحت تاثیر قرار میدهند.
چالش های خنك سازی برای دماهای گاز در حال افزایش بطور پیوسته و نسبت فشار كمپرسور
پیشرفت در موتورهای توربین گاز دارای توان ویژه بالا و بازده بالای پیشرفته نوعاً با افزایش در دمای عملكرد و كل نسبت فشار كمپرسور ارزیابی می شود. رایجترین موتورهای تك چرخه ای با نسبت‌های فشار بالاتر و دماهای گاز افزایش یافته به شكل متناسب می تواند توان بیشتری را با همان اندازه و وزن و بازده سوخت موتور كلی بهتر بدست آورد. موتورهای دارای بهبود دهنده ها از لحاظ ترمودینامیكی از نسبت های فشار بالای كمپرسور, بهره نمی برند. آلیاژهای پیشرفته برای لایه ها نازك توربین می تواند به شكلی ایمن در دماهای فلز كمتر از      عمل كرده و آلیاژها برای صفحات و ساختارهای ساكن به   محدود می شوند. ولی توربین های گازی مدرن در دماهای ورودی توربین عمل می كنند كه در سن بالای این محدوده هاست. همچنین یك تفاوت قابل توجه در دمای عملكردی بین توربین های هواپیمای پیشرفته و توربین های صنعتی وجود دارد. این نتیجه تفاوتهای اصلی در عمر, وزن, كیفیت هوا/ سوخت و محدودیت های مربوط به تابش ها می باشد.
برای موتورهای هوازی پیشرفته, دماهای ورودی پره توربین نزدیك به   و نسبت های فشار كمپرسور در حدود 40:1 تبدیل به یك واقعیت شده است. توان ویژه بالا كه برای این نوع از موتورها, هدف عمده می باشد, در راستای بهره بالا بدست می‌آید. چنین شرایط اجرایی بطور ذاتی نیازمند نظارت های مرتب موتور و نظارت پیوسته سلامت می باشد.
برای موتورهای صنعتی, الزامات پیشرو, شامل دوام دراز مدت بدون نظارتهای مرتب و تعمیرات كلی می باشد. نوعاً مولفه های صنعتی اصلی حداقل 30000 ساعت بین تعمیرات دوام می آورند و دارای توان بالقوه برای تعمیر گونه ای هستند كه میتوان عمر موتور را تا 100000 ساعت توسعه داد. این با عمر مولفه توربین هواپیما كه تنها چند هزار ساعت است مقایسه می شود.
این فاكتور و نیز لازم معمول فشار تخلیه كمپرسور كه باید كمتر از فشار منبع سوخت خط لوله گاز موجود باشد, به یك مادی ورودی پره توربین تقریباً بالا منتهی می شود. حد TRIT برای یك توربین
گاز صنعتی پیشرفته در دامنه 1260 تا فرمول توسعه می یابد.
 
  تاریخچه اخیر افزایش پیوسته TRIT و نسبت های فشار كمپرسور را به تصویر می كشد. این روند دمایی در حال افزایش باعث می‌شود كه دما های گاز عملكردی تا حد قابل توجهی از حدهای قابلیت ماده قابل قبول فراتر برود و این مستلزم كاربرد خنك سازی در مولفه های بخش داغ موتور بخصوص در مولفه هایی می باشد كه در معرض محیط دارای دمای بالاتر دارند. هوای نسبتاً سرد از تخلیه كمپرسور و در برخی موارد, از مراحل كمپرسور میانی, منبع متعارف برای خنك كردن مولفه های توربین می باشد. بعد از انجام وظیفه خنك سازی, این هوا به جریان اصلی تخلیه می شود. هوای خنك سازی تخلیه شده در هر مرحله خاص خنك سازی عملاً هیچ كاری را در این مرحله قبل از شدت یافتن, تا شدت جریان اصلی, انجام نمی دهد. این به افت های قابل توجه در كار موتور منتهی می شود. بطور خلاصه, نقاط ضعف سیستم خنك سازی هوای آزاد شامل تاثیر خنك سازی نسبتاً كم می باشد و افت های قابل توجه كار برای كمپرس هوای خنك سازی و افت های مخلوط كردن كه بازده آیرودینامیك توربین مورد نیاز است. مزیت اصلی سیستم خنك سازی هوای باز آن را به رایجترین نمونه برای توربین های گازی به خاطر سادگی آن در مقایسه با یك سیستم خنك سازی حلقه بسته تبدیل كرده است.
با توجه به نسبت های فشار هوای كمپرس شده برای موتورهای هوایی كه از 30:1 تجاوز كرده و به 40:1 می رسد, دمای هوای تخلیه كمپرسور به    می‌رسد. این یك مشكل مهم را در استفاده از این هوا برای خنك كردن دیسك های توربین دارای قسمت ساكن و مجاورت مراحل آخر یك پره كمپرسور با در نظر گرفتن این مطلب كه قابلیت دمای ماده برای این مولفه ها به    محدود شده است, ایجاد می نماید. كاربرد یك هوای كم دماتر از یك سری مراحل كمپرسور میانی می تواند مفید باشد و این در صورتی است كه این هوا دارای حاشیه فشار كافی بالای فشار بیرونی مولفه خنك شده باشد. در برخی موارد, دمای هوای تخلیه را می توان در یك تبادلگر حرارت بیرونی مثلاً با استفاده الز یك كنارگذر در موتورهای هوا یا آب در توربین های صنعتی دارای چرخه مركب, كاهش داد.
یك سیستم خنك سازی بسته كه در آن خنك ساز مرتباً در یك حلقه بسته می چرخد بازده بیشتری را بدست می دهد ولی این جایگزین پیچیده تری برای سیستم باز می باشد. سیستم های  حلقه بسته كه در آنها از خنك سازهای فلزی مایع استفاده می شود برای كاربردهای فضایی شناخته شده اند. یك سیستم خنك سازی بخار حلقه بسته كه چندین دهه قبل آزمایش شده اند, عمومیت خود را برای توربین های گازی صنعتی با بار كار سنگین بخصوص در طرح های تولید نیروی چرخه مركب بدست آورده اند.
پیشرفت ها در تكنولوژی خنك سازی یك ابزار مهم به همراه پیشرفت هایی در مواد دارای دمای بالا برای رسیدن به دماهای ورودی توربین بالاتر می باشند. سیستم های خنك سازی باید برای تضمین این مطلب طراحی شوند كه دماهای مولفه حداكثر و گرادیان های دمایی تجربه شده در طول عملكرد موتور سازگار با حداكثر حد تنش القا شده توسط عمر عملكردی ویژه مولفه می‌باشد.
طراحی سیستم خنك سازی و فرایند توسعه به تجربه طراحی نوآورانه كه با روشهای تحلیلی اثبات شده و دارای تسهیلات تجربی و نیز مواد پیشرفته و تكنیك های تولید می باشد نیاز دارد. این اعتماد لازم برای پیش بینی دماهای مولفه توربین تاثیر گذار روی عمر و عملكرد موتور را توسعه می دهد.
یك جالش طراحی اصلی در كسب بازده توربین بالا, به حداقل رساندن سرعت جریان هوای خنك سازی توربین با بهترین كاربرد پتانسیل خنك سازی آن برای ارائه دماهای مولفه خواسته شده می‌‌باشد.
یك فاكتور مضاعف كه باید در نظر گرفته شود بخصوص در محیط های صنعتی, كیفیت هوا/ سوخت می باشد. كه اغلب مسئول فرسایش پوشش هایی است كه مولفه های بخش داغ را حفاظت می كند. عملكرد در چنین محیطی به مسیرهای خنك سازی بزرگتر برای اجتناب از بسته شدن یابكو ؟ شدن آنها نیاز دارد.
مولفه های توربین گاز اصلی كه نوعاً به خنك سازی نیاز دارند شامل:
پره های افشانك مرحله 1 و مرحله 2
پره های مرحله 1
ساختار حفاظتی برای افشانك ها و بخش های نوك دار (دیافراگم ها و افشانك) 
دیسك توربین / مونتاژهای پروانه
خطی های كمبوستور
 
علاوه بر كاهش دمای مولفه, نقش مهم دیگری برای سیستم خنك سازی, كنترل وضعیت نسبی بین پروانه و قسمت ساكن به شكل مثبت و منفی و حفظ شفافیت نوك – پروانه توربین می باشد.
تكنیك های خنك سازی استفاده شده متداول
رایجترین تكنیك های خنك سازی، بنا به دلایل فوق الذكر، مبتنی بر كاربرد هوای القا شده از تخلیه كمپرسور یا مراحل میانی می باشد شكل 2 یك بخش داغ توربین ژنریك با عوامل اصلی توربین و سیستم خنك سازی كمبوستور را به تصویر می كشد. معرفی جریان نزولی هوای خنك سازی توربین در كمبوستور باعث نررسایی عملكرد دوربین می شود چون كار كمتری از هوای خنك سازی كمپرس شده استخراج می شود. در همین زمان مقدار كاهش یافته هوای موجود برای كمبوستور خنك سازی خطی و كنترل پرتو را مشكل تر می سازد. این دارای یك چالش اصلی برای طراحی سیستم خنك سازی است. یك سیستم را انتخاب كنید كه به حداقل مقدار هوای خنك سازی برای رسیدن به دمای فلز مورد هدف از مولفه های توربین نیاز داشته باشد و كمترین تاثیر منفی روی دوام موتور، عملكرد, وزن, پرتو تابی، هزینه و پیچیدگی تولید را بوجود می آورد. خارج از این مهمترین ویژگی های موتور, كاهش وزن یك معیار اصلی طراحی برای موتورهای هوایی بوده و دوام دراز مدت و كاهش پرتوتابی اغلب عوامل مورد هدف مهم برای موتورهای صنعتی هستند.
تیغه های افشانك این مرحله در بالاترین دماهای گاز چرخه ای عمل كرده و تیغه ها تركیبی از دماهای بالا و بارهای گریز از مركز را تجربه می كنند. به همین ترتیب, خنك سازی، پر چالش ترین وظیفه را در طرح سیستم خنك سازی توربین ارائه می دهد.
بارهای حرارتی متداول برای تیغه ها (شرایط مرزی حرارتی در سطوح بیرونی) را می توان به یك شكل ساده شده بعنوان یك تركیبی از ضرایب انتقال حرارت محلی و دماهای گاز ورودی پروانه توربین نسبی (TRIT) ارائه داد.
خنك سازی لایه نازك هوای درونی برای بارهای حرارتی دارای توازن معكوس به منظور حفظ دماهای فلز در یك سطح قابل قبول مرتب می شود. (شكل 3).
 
تعدادی از تكنیك های خنك سازی پیچیده برای اجازه دادن به دماهای گاز نزدیك به   به حد بالاتر از حد دمای ماده توسعه یافته اند. این تكنیك های خنك سازی را می توان به سه گروه تقسیم كرد.
1-خنك سازی رسانایی درونی كه در آن خنك سازی با رسانایی انجام می شود (بدون ارائه تاثیر خنك سازی بیشتر با صرف هوا). این الگو را می توان به شش گروه فرعی تقسیم كرد:
(a)    كانال های هموار
(b)     گذرگاه درونی افزایش یافته, با باریكه های طولی
(c)    كانال هایی با باریكه های زاویه دار و یا نرمال (نواری)
(d)    كانال هایی ارتقاء یافته با پایه ستون ها یا میله های ریز
(e)     خنك سازی جت با یا بدون جریان عرضی
(f)    جریان مارپیچی خنك ساز
2-خنك سازی فیلم بیرونی كه در آن خنك ساز یك مانع فیلم حفاظتی روی سطح مولفه را ایجاد می كند. در اكثر موارد این نوع از خنك سازی با همرفتی درونی مزدوج می شود و از هوای خنك سازی صرف شده برای حفاظت فیلم استفاده می كند. یك توجه خاص باید به خنك سازی فیلم مجاورت لبه هدایت كننده معطوف گردد كه تحت عنوان خنك سازی راس روش شناخته می شود.
3-خنك سازی تعریق كه در آن خنك ساز از طریق یك دیوار سوراخ دار به سطح لایه نازك هوا نفوذ می كند، موثرترین نمودار خنك سازی هوا می باشد ولی دارای محدودیت های خاصی بخاطر اندازه كوچك سوراخ ها و مشكل بالقوه بلوكه شدن شان می باشند. همچنین افت های ایرو دینامیكی می‌تواند بخاطر تزریق نرمال هوای خنك سازی كم شدت جریان در لایه مرزی یك جریان اصلی مهم باشد. با این وجود، وقتی این تكنیك برای یك پوشش كمبوستور به شكل خنك سازی خروجی با استفاده از مقدار قابل توجهی از هوای خنك سازی به كار برده شود، محدودیت فوق الذكر، مرتبط نمی باشد چون هوا را می توان از طریق سوراخ های نسبتاً بزرگ كه بعداً با یك جریان اصلی دارای شدت جریان كمتر تركیب می شود تخلیه كرد.
تاثیر خنك سازی
چالش اصلی در توسعه یك سیستم خنك سازی حمایت از بالاترین دمای گاز ورودی توربین در تنش موجود و الزامات عمر با استفاده از حداقل مقدار هوای خنك سازی است. تاثیر خنك سازی كه بصورت   تعریف می شود معیار اصلی در زمانی است كه تكنیك های خنك سازی متفاوت در نظر گرفته می شود. در یك تفاوت مشخص بین دمای گاز محلی   و دمای هوای خنك سازی  , تاثیر خنك سازی خواسته شده مستقیماً متناسب با یك   معین بین T gو دمای فلز توده مولفه  می باشد. منحنی حال تاثیر خنك سازی معمولا بعنوان روابط تجربی با جریانات خنك سازی نمایان می شوند. متداولترین عملكرد استفاده از یك پارامتر جریان   می‌باشد.
 
 تاثیر تركیبات مختلف تكنیك های خنك سازی تیغه را مقایسه می كند. تاثیر خنك سازی رسانایی متعارف معمولاً TRIT را در   محدود می كند. خنك سازی لبه هدایت كننده یك تیغه توربین تاثیر را ارتقا می دهد و به TRIT اجازه می دهد تا به  برسد.
پیشرفت های اخیر در خنك سازی لبه هدایت كننده كه مبتنی بر جریان هوای خنك سازی گردابی در گذرگاه تیغه می باشد برای افزایش این حد تا   مورد انتظار می باشد. افزایش های بیشتر در TRIT نیاز به تركیب همرفتی، و خنك سازی فیلم دارد و بنابراین حد تكنولوژی حاضر در دمای ورودی توربین برای توربین های صنعتی را به  و  برای موتورهای هوایی پیشرفته  می رساند .
همرفتی درونی و خنك سازی فیلم یا تركیبات آنها تكنیك هایی هستند كه عموماً برای خنك سازی لایه نازك توربین بكار می روند. خنك سازی همرفتی درونی لایه نازك هوا كه دارای یك مبنای علمی مشترك با تبادل گرهای گرما می باشد بطور كامل برای چندین دهه مورد مطالعه قرار گرفته و امكان انجام پیش بینی های تحلیلی دقیق تر را فراهم آورده است. یك خواننده برخی جزئیات و دستورالعمل های طرح را برای كاربردهای خاص خنك سازی درونی در بخش های بعدی این فصل خواهد یافت.
علیرغم پیشرفت های آن و تولید مطلوب و موضوعات مربوط به هزینه, خنك سازی درونی معمولاً برای لایه های نازك هوایی توربین مرحله اول در حال كار در موتورهای دارای دمای بالای پیشرفته كافی نمی باشد. وقتی دماهای گاز محلی از  تجاوز كند, خنك سازی درونی نمی تواند كاهش دمای فلز را ارائه دهد كه در خنك فیلم پیشرفته قابل دستیابی می باشد. این تركیبی از خنك سازی فیلم و خنك سازی درونی را برای بدست آوردن تاثیر خنك سازی مورد نظر در برمی گیرد. با در نظر گرفتن تاثیر عمر ویژه در دماهای فلز مجاز مولفه، یك تاثیر خنك سازی بالاتر برای مولفه های مشابه برای توربین های صنعتی دارای عمر طولانی تر در مقایسه با موتورهای هوایی مورد نیاز می باشد. می توان به راحتی نتیجه گرفت كه یك تكنیك خنك سازی زمانی كه افزایش قابل توجهی در جریان خنك سازی نا كافی می شود و این باعث یك بهره كم در تاثیر خنك سازی می شود. یك  ویژه بین گاز داغ محلی و دماهای فلز مولفه خنك شده با یك تاثیر خنك سازی مطلوب خاص متناسب می باشد كه می توان برای هر تكنیك خنك سازی ویژه در جریان خنك سازی مجاز بدست  آورد.
با سطوح فشارهای منبع هوای خنك سازی موجود در توربین ها و دمای هوای در حال افزایش بطور پیوسته در تخلیه كمپرسور، خنك كردن لایه های نازك هوا بصورت همرفتی فراتر از یك سطح تاثیر خنك سازی 5/0 میانگین مشكل می باشد. این سطح نشان میدهد كه دمای فلز مولفه بین هوای خنك سازی و دمای گاز در حد میانگین قرار دارد. این همچنین بدان معناست كه افزایش در دمای گاز تا  باعث افزایش دمای فلز مولفه خنك شده تا  و كاهش عمر این مولفه تقریباً تا نصف می باشد. همچنین با سطوح تاثیر خنك سازی همرفتی بالا، گرادیان های دمای فلز مولفه بسیار بزرگ بود، و بنابراین باعث بروز نگرانی هایی برای مشكلات تنش حرارتی محلی می شود. وقتی تركیب دمای گاز توربین, دمای خنك ساز و دمای فلز مجاز نیاز به سطح تاثیر بالاتر باشد, خنك سازی فیلم عمدتاً به كار می رود. گرچه هوای خنك سازی فیلم برای حفاظت سطح لایه نازك هوا از گاز داغ استفاده شود, این عملكرد خنك سازی همرفتی خیلی مهم را در سوراخ های تخلیه فیلم انجام می دهد. موثرترین سیستم خنك سازی فیلم درونی و همرفتی درونی را تركیب می كند. در یك وضعیت ایده ال كه در آن خنك سازی فیلم به خنك سازی تعرق می رسد، دمای هوای منبع خنك سازی فیلم باید به دمای فلز مورد هدف نزدیك باشد.
تاثیر خنك سازی در این مورد می تواند به یك نزدیك باشد. با این وجود, این به جریانات خنك سازی بزرگ و ردیف های چندگانه سوراخ های فیلم برای رسیدن به پوشش فیلم كامل در مولفه بدون تخریب تاثیر خنك سازی فیلم بین سوراخ ها نیاز دارد.
مشكلات خنك سازی
برای یك توربین صنعتی پیشرفته, الزامات جریان هوای خنك سازی به ترتیب 20-25% كل جریان كمپرسور می باشد. این كمیت بزرگ هوا یك منبع افت مهم برای عملكرد چرخه مورد بطور كامل بوده و دارای 3 تاثیر می باشد كه بطور نسبی به انست اصلاح عملكرد دمای ورودی بالا در توربین متمایل است.
موضوع اول این است كه هوای استفاده شده برای خنك سازی با یك دمای كمتر وارد توربین می شود و دمای جریان نزولی كمبوستور را كاهش می دهد. بنابراین برای انتقال یك نیروی خاص, موتور باید در دمای ورودی توربین بالاتر كار كند كه می تواند یك موتور خنك نشده باشد. موضوع دوم این است كه كنارگذرهای هوای خنك سازی كمبوستور، در نهایت به چالش های بیشتری برای كنترل پرتوها منتهی می شود و توزیع دمای مطلوب در بخش خروجی كمبوستور را ایجاد می نماید. سومین مورد با افت های آیرودینامیكی ارتباط دارد كه این زمانی است كه هوای خنك سازی معرفی می شود و با جریان گاز اصلی دارای شدت جریان بالا تركیب می شود. افت آیرو دینامیك كه اغلب افت مخلوط كردن نامیده می شود با تزریق خنك ساز در یك گذگاه لایه نازك هوای توربین بوجود می آید و مخلوط سازی متعاقب آن با جریان اصلی ایجاد می شود. این عمدتاً بر حسب كاهش یا افت در كل فشار جریان اصلی گزارش می شود. مراحل اصلی باید برای به حداقل رساندن كمیت هوای خنك سازی استفاده شده و افت های مرتبط با مصرف آن، به منظور رسیدن به حداكثر سودها از دمای چرخه بالا, در نظر گرفته شود. این می تواند یك محدودیت شدید در درجه آزادی باشد كه با آن طرح خنك سازی انجام می شود.
صرفنظر از اینكه چه نوع تكنیك خنك سازی استفاده می شود، خنك سازی فیلم و خنك سازی درونی, هوای مصرف شده باید از میان دیوار از طریق سطح لایه نازك هوا یا از طریق لبه یك مكش آن تخلیه شود. بهمین دلیل وقتی تكنیك خنك سازی به كار برده شده مبتنی بر خنك سازی درونی باشد, تلاش برای بكار گیری هوای معرفی برای حفاظت فیلم باید انجام شود و بهمین دلیل، وقتی خنك سازی فیلم به كاربرده می شود برای مصرف هوای خنك تر برای خنك سازی همرفتی در راستای كانال های سوراخ های تخلیه فیلم باید تلاش شود.
دو هدف اصلی مرتبط با كاهش مشكل باید در طول طراحی خنك سازی درونی لایه نازك هوا در نظر گرفته شود.
1-تاثیر دقیق شدگی دمای جریان اصلی را با به كارگیری حداكثر پتانسیل خنك سازی درونی و تخلیه هوای مصرفی در دمایی كه به دمای فلز مجاز نزدیك می باشد, كاهش دهید.
2-افت فشار در گذرگاههای خنك سازی درونی لایه نازك هوا را برای فعال كردن تخلیه هوای خنك سازی مصرفی در بخش فشار جریان صعودی لایه نازك هوا از گلوگاه یا از طریق لبه خروجی در شدت جریانی كه با شدت جریان اصلی هماهنگی دارد به حداقل برسانید. این باعث افت های آیرو دینامیكی كاهش یافته و عملكرد توربین ارتقا یافته می شود.
این اصول طراحی اغلب زمانی مطرح می شود كه خنك سازی درونی برای لبه هدایت كننده به كار برده می شود كه معمولاً از نظر حرارتی پربارترین بخش یك لایه نازك هوا می باشد. خنك سازی درونی لبه های هدایت كننده تیغه اغلب برای دماهای ورودی بالا بخاطر هزینه های تولید كمتر آنها و حذف تمركز تنش در قبال خنك سازی فیلم ترجیح داده می شود. تكنیك های خنك سازی درونی موثرتر مبتنی بر خنك سازی گردابی برای این منطقه از لایه نازك هوا مورد نیاز می باشند. این تكنیك ها نوعاً به افت فشار بالاتر از هوای خنك سازی و هوایی كه باید در جایگاههای دارای مطلوبیت كمتر برای مشكلات آیرودینامیكی در بخش مكش یا در لبه گردابی لایه نازك هوا در شدت جریان كمتر از جریان اصلی می باشند نیاز دارند.
اطلاعات محدودی را می توان در آثار مربوط به تاثیر خنك سازی فیلم در افت های آیرودینامیك بخصوص برای جریان لایه نازك هوای توربین یافت كه با گرادیان های فشار بالا و ردیف های چندگانه القاء فیلم بدست آورد. شكل 5 و 6 یك داده خلاصه بدست آمده برای جریان های خنك سازی و مشكلات مرتبط با جایگاههای متفاوت تخلیه خنك سازی در طول یك تیغه پروانه ای و تیغه توربین را نشان میدهد. با این وجود یك تاثیر معكوس بسیار قوی را می توان در جریان اصلی mach تعداد جایگاهها مثل محل مكش بخصوص محل نزدیكتر به گلوگاه گذرگاه مشاهده كرد.
در اصلاح تحلیلی برای افت مخلوطی بخاطر دمش فیلم, براساس این فرضیه كه خنك ساز تزریق شده با جریان اصلی به جای باقی ماندن در لایه مرزی مخلوط می شود، معادله افت فشار كلی یك بعدی ساده شده زیر مطرح می شود 
كه در آن
  فشار ورودی كامل
 نسبت دماهای جریان اصلی و لایه خنك سازی مخلوط كننده
   خنك ساز برای نسبت جریان های توده جریان اصلی
 زاویه تزریق
 افت در كل فشار جریان اصلی به خاطر تزریق، با كاهش زاویه تزریق كاهش می یابد و مستقیماً متناسب با تعداد mach جریان اصلی مربع شده بود. و قویاً تحت تاثیر سرعت دمش قرار دارد. وقتی زاویه تزریق كاهش می یابد، تاثیر نسبت دمای جریان اصلی به خنك ساز  برای نسبت های دمایی بالاتر افزایش یافته و برای نسبت های كمتر، قابل توجه تر است. داده های آزمون محدود شده نشان داده اند كه این پیش بینی افت باید با توجه به نتایج آزمون ثابت و منطقی باشد. نتیجه مهم نمایی این روش این است كه یك دستورالعمل خاص را در جایگاه بهینه سوراخ های خنك سازی فیلم به دست می دهد. مشخص است كه خنك سازی فیلم نزدیك به نقطه آرامش و در سطح فشار لایه نازك هوا, افت های فشار كلی كوچكی را بدست خواهد داد در حالیكه خنك سازی فیلم در بخش مكش در نزدیكی گلوگاه افت فشار كلی بالایی را بدست می دهد.
این موضوع اغلب بحث می شود كه خروج لبه گردابی از جریان خنك سازی می تواند افت های ایرودینامیكی با پر كردن مسیر كاهش می یابد. بررسی های متعدد یك تاثیر مثبت تخلیه خنك سازی در لبه گردابی را بخصوص زمانی كه مقدار قابل توجهی از جریان خنك سازی با شار لحظه ای تخلیه شده باشد, نشان میدهد. با این وجود, بخاطر موارد مربوطه هزینه و تولید, بخش عمده جریان صعودی پیشرفته با هوای تخلیه شده در بخش فشار در جریان صعودی لبه گردابی طراحی می شود.
توجه قابل توجه در چند سال گذشته به مشكلات مرتبط با خنك سازی فیلم دیواره نهایی معطوف گردیده است برخی از تحقیقات نشان داده اند كه وقتی فیلم به شكل صحیحی جریان صعودی طرح سكون از لایه نازك هوا را معرفی می كند, تشكیل جریان ثانویه مثل گرداب نعلی شكل آغاز شده در اتصال سه گوش بین یك لایه نازك هوا و دیواره نهایی را كنترل می كند.
و جزئیات بیشتر درباره خنك سازی دیواره نهایی و كنترل جریان ثانویه را می توانید بعداً در این فصل پیدا كنید.
یك نقش مهم در مشكلات خنك سازی نیز توسط هوای خنك سازی ایفا می شود كه دیسك های توربین را خنك می كند و حفره های دیسك از سوراخ گاز داغ را بافر می كند. مقدار و شیوه تخلیه این هوا در جریان اصلی می تواند تا حد قابل توجهی افت های عملكرد را تحت تاثیر قرار دهد. یك تحقیق انجام شده نشان میدهد كه سودمندترین جایگاه و مسیر برای تخلیه هوا از حفره دیسك یك محاورت سریع لبه های گردابی تیغه نزدیك به دیواره نهایی در بردار شدت جریان می باشد كه دارای هماهنگی زیادی با شدت جریان خروجی پروانه می باشد.
اصول كلی برای به حداقل رساندن مشكلات تخلیه هوای خنك سازی كه روی عملكرد توربین اثر می‌گذارد را می توان به شرح زیر خلاصه بندی كرد:
-هر جریانی را بصورت جریان صعودی در راستای مسیر گازی تخلیه كنید.
-سود یا بازده خنك سازی راس دوش برای لبه هدایت كننده مراحل اول لایه نازك هوا را بعنوان یك تكنیك برتر حتی با استفاده از جریان های خنك سازی بزرگتر در صورت كافی بودن بودجه و محدود نبودن هزینه تولید استفاده كنید.
-سعی كنید سیستم خنك سازی را انتخاب و طراحی كنید كه هوای خنك سازی را در دمایی تخلیه می كند كه به دمای سطح فلز محلی مجاز نزدیك می باشد.
-افت های مخلوط كردن را با هماهنگ كردن بردارهای شدت جریان بین جریان اصلی و جریان های خنك سازی تخلیه شده به حداقل برسانید.
-از تخلیه فیلم در بخش مكش یك لایه نازك هوا در مجاورت نزدیك انتقال لایه مرزی اجتناب كنید.
-حداكثر تلاش در اجتناب از تخلیه جریان خنك سازی از بخش مكش یك لایه نازك هوا در جریان صعودی در مجاورت گلوگاه و بخصوص جریان نزولی گلوگاه را انجام دهید.
افت های فشار در گذرگاه خنك سازی درونی را برای بازیابی كل فشار در جریان خنك سازی به حداقل برسانید.
از مكانیسم گردابی برای سیستم منبع خنك سازی تیغه، كاهش دادن دمای نسبی خنك سازی و كاهش افت های اصطكاك دیسك استفاده كنید.
تركیب پوشش های حصار حرارتی و خنك سازی
استفاده از پوشش های حصار حرارتی (TBC) یك مزیت بزرگ در كاهش بار حرارتی در آرایه لایه نازك هوا را بخصوص برای لایه نازك هوای خنك شده بصورت درونی نشان میدهد.
لایه نازك هوای پوشیده شده در پوشش های حصار حرارتی در یك شیوه متعارف به استثنای یك لایه نازك ماده عایق با دمای بالا تولید می شود. ماده TBC می تواند اغلب در برابر دماهای بسیار بالا مقاومت كرد دارای رسانایی حرارتی به صورت یك دهم آرایه های اصلی متعارف می باشد. بخاطر مقاومت حرارتی مضاعف لایه نازك هوایی پوشش داده شده به این شیوه می تواند با هوای خنك سازی كمتر در یك دمای گازی معین عمل كند یا برعكس می تواند در برابر دماهای گازی بالاتر در سطح معینی از جریان خنك سازی نسبت به لایه نازك هوایی پوشش داده نشده مقاومت نماید. مشخص است كه TBC به كاربرده شده در سطح بیرونی نمی تواند كار حفاظت از ماده لایه نازك هوا (ایرفویل) در برابر دمای بالا را بدون بكار گیری خنك سازی در سطح درونی انجام دهد.
طراحی ایرفویل های خنك شده با پوشش های مانع یا حصار حرارتی, مشكلات خاصی را نشان میدهد. حتی وقتی این ماده پویش می شود دارای یك همواری ذاتی است و بنابراین اصطكاك پوست و ضرایب انتقال حرارت را افزایش می دهد. كاربرد یك لایه پوشش حصار حرارتی نیز باعث بروز لبه‌های گردابی ضخیم تر با مشكلات آیرودینامیكی مرتبط می شود. در ضریب انتقال حرارت درونی و دمای خنك ساز,گرادیان دما در راستای ضخامت پوشش عمدتاً با دمای گاز و ضریب انتقال حرارت بیرونی انتقال می یابد.
بزرگترین ضریب حاصل از كاربرد TBC یا بالاترین گرادیان دمایی از طریق پوشش دهی را می توان در محیطی بدست آورد كه در آن تفاوت دمایی بالا بین گاز داغ و هوای خنك سازی با ضرایب انتقال حرارت بالا در هر دو طرف تركیب می شود. این محیط اغلب در مكانهای خاصی از ایرفویل, انتهای دیوارها و لینرهای كمبوستور قرار دارد كه با همرفتی جانبی خنك شده اند. مهمترین نگرانی كه روی استفاده از پوشش های مانع حرارتی اثر می گذارد, عمر آنهاست كه توسط شكنندگی و پوسته شدن بخاطر انبساط حرارتی تمایزی نسبت به ماده پایه ایرفویل بوجود می آید. پیشرفت های اخیر در مواد برای TBC و تكنیك های كاربرد پوشش دهی ارتقا یافته توسعه قابل توجهی دارد عمر آنها ایجاد كرده است.
این به نگهدارنده های كمتری اجازه پیش بینی عمر برای تیغه ها و پروانه های پوشش دهی شده را میدهد كه شامل مقاومت حرارتی پوشش در تجزیه و تحلیل دمای مولفه می باشد. انتخاب ضخامت پوشش برای تیغه ها باید این حقیقت را در نظر بگیرد كه مقاومت پوشش نسبت به آلیاژ پایه بسیار كمتر می باشد و این باعث بروز تنش های (گریز از مركز) داخلی در ماده تیغه می شود. طراحی ایرفویل با پوشش های حصار حرارتی باید همه این فاكتورها را تحمل نماید
فرایند توسعه خنك سازی ایرفویل (لایه نازك هوا)
شكل 7 یك فرایند توسعه متداول را برای خنك سازی ایرفویل نشان میدهد. نقطه آغازین برای طراحی سیستم خنك سازی ایرفویل روی الزامات عمر مولفه تاكید می كند كه این نشان دهنده یك حد دمایی فلز قابل قبول می باشد. دمای فلز موضعی در ایرفویل عمدتاً با تركیب 3 فاكتور اشتقاق می‌یابد.

1-بار گرمای بیرونی به سطح از گاز جریانی اصلی با همرفتی در میان یك لایه مرزی یا در میان یك لایه خنك سازی فیلم (وقتی هوای خنك سازی از طریق سوراخ های فیلم غلبه می شود).
2-خنك سازی همرفتی یك بخش با هوای خنك سازی
3-رسانایی حرارتی و لگن حرارتی در مولفه
یك طرح آیرودینامیكی توربین اولیه, شكل هندسی ایرفویل را ارائه می دهد, جریان های هوای خنك سازی را ارزیابی می كند, فشار، دما و شدت جریان های جریان اصلی را معین می سازد. تجربه و آزمایش قبلی برای فرضیه های صحیح در تجزیه و تحلیل و انتخاب مفهوم خنك سازی، الزامی می‌باشد.
پیشرفت های اخیر در روشهای تحلیلی مبتنی بر كامپیوتر و بخصوص در گرافیك های كامپیوتر, ابزار خوبی را برای مهندسی مربوطه با استفاده از یك پایگاه اطلاعاتی 3 بعدی (3D) برای الگو سازی یكپارچه, جریان, انتقال حرارت و تجزیه و تحلیل مكانیكی فراهم می آورد. الگو سازی یكپارچه, بازنمایی گرافیكی جامعی از شكل هندسی اكثر مولفه ها را ارائه می دهد.
محاسبه ضرایب انتقال حرارت مولفه محلی مبتنی بر شرایط مرزی تعریف شده در اطراف سطوح درونی و بیرونی ایرفویل می باشد. رفرهای دینامیكی سیال محاسبه ای موجود برای جریان اصلی (اغلب 3D) روزهای مربوط به جریان و روابط اصلی (اغلب ID یا گاهی اوقات 3D) برای جریان های درونی از طریق گذرگاههای خنك سازی، این شرایط مرزی را توسعه می دهد. تجزیه و تحلیل حرارتی ایرفویل معمولاً انجام می شود و داده حال انتقال حرارت, ویژگی های فیزیكی آلیاژ و پارامترهای ترمودینامیكی جریان اصلی و جریان های خنك سازی را تا زمانی كه دماهای فلز به حد مطلوب برسد تركیب می كند. تاثیرات نوسان جریان آزاد، جریان های ثانویه و دوران (برای تیغه ها)، برای بدست آوردن نتایج معنی دار از تجزیه و تحلیل های حرارتی الزامی می باشد.
برش عرضی دمایی شعاعی مورد انتظار از جریان اصلی بصورت درون داری برای تجزیه و تحلیل تیغه توربین به كاربرده می شود. دمای اوج محیطی (نقطه داغ) در یك فاكتور الگوی دمای كمبوستور غیر یكنواخت بعنوان شرایط مرزی برای پیش بینی دمای پروانه تیغه استفاده می شود. دماهای ایرفویل پیش بینی شده بصورت تجزیه و تحلیلی در الگوی یكپارچه كامپیوتری تلفیق می شود و بعنوان یك درون دار برای تجزیه و تحلیل مكانیكی مورد استفاده قرار میگیرد.
بعد از 4 دهه پیشرفت در تحلیل عددی و تحقیقات دستگاه توربین، تكنیك های تحلیلی هنوز در ارائه یك پیش بینی عمر دقیق برای مولفه ها، محدود می باشند. بنابراین, كالیبره كردن تجربی و اثبات درستی تحلیل ها نقش اصلی را در چرخه توسعه ایفا می كند. معتبر سازی تجربی تجزیه و تحلیل ها بعد از اینكه یك تیم طراحی بر اساس پیش بینی تحلیلی و مفهومی به سطح رضایت بخشی رسیدند انجام می شود. بخش مربوط به خنك سازی كمبوستور عوامل اصلی معتبر سازی تجربی را شرح میدهد.
تعریف پارامترهای شباهت انتقال توره و حرارت اصلی
پدیده انتقال حرارتی مجرایی در زمان تجزیه و تحلیل مولفه های توربین باید در نظر گرفته شود كه عبارتند از:
1-انتقال حرارت با رسانایی
2-انتقال حرارت با همرفتی
3-انتقال حرارت با پرتو تابی
انتقال حرارت بصورت پرتوتابی اغلب در پیش بینی تحلیلی لینر كمبوستور و پره های پروانه مرحله 1 كه بالینر كمبوستور در تماس هستند حائز اهمیت است. انتقال حرارتی مزدوج در یك مولفه توربین مثلاً در یك تیغه توربین, شامل تركیبی از انتقال حرارت بیرونی همرفتی از گاز داغ به پره ها, رسانایی از طریق دیواره تیغه توخالی, انتقال حرارت درونی همرفتی از تیغه به هوای خنك سازی و پرتوتابی شعله ای احتمالی و نیز انتقال حرارتی بصورت پرتو تابی از دیوارهای دارای دمای بالا در لیز می باشد.
كنش متقابل انتقال جرم – حرارت در لایه مرزی ایرفول
انتقال حرارت در یك سیال می تواند از طریق رسانایی و نیز از طریق حركت سیال اتفاق بیافتد. (اصطلاح همرفتی در موقع رجوع به حمل و نقل تراكمی با حركت تصادفی ملكول ها و اصطلاح adwection در موقع رجوع به حمل و نقل بخاطر حركت سیال انبوه، استفاده می شود). انتقال حرارت كلی كه همرفتی و رسانایی را در یك محیط در حال حركت تركیب می كند معمولاً به عنوان انتقال حرارت همرفتی مطرح می شود. انتقال جرم و حرارت كه میزان شدت جریان و دما را تعریف می كند قویاً با هم مزدوج شده و كنش متقابل انجام می دهد و روی یكدیگر تاثیر می گذارند. همرفتی اجباری نقش مهمی را برای اكثر مولفه های توربین در مقایسه با همرفتی طبیعی ایفا می كند. عوامل مهم در انتقال حرارت بیرونی از گاز داغ به دیواره تیغه, لایه مرزی است كه در سطح و دمای كل جریان آزاد توسعه می یابد.
لایه مرزی كه بعنوان یك بافر بین جریان اصلی و ماده خشك عمل می كند, مقاومت در برابر انتقال حرارت را نشان میدهد. انتقال حرارت در این لایه بین ماده خشك و سیال از طریق مكانیسم های همرفتی و رسانایی اتفاق می افتد. اگر سطح مولفه در یك دمای بالاتر باشد, انتقال حرارت از سطح به سیال اتفاق می افتد و اگر دمای سیال بیشتر از سطح باشد برعكس این روند اتفاق خواهد افتاد وقتی حرارت در جریان نفوذ می كند انتقال انرژی عمدتاً از طریق همرفتی با محیط در حال حركت اتفاق می افتد.
بنابراین منطقه بافر و لایه مرزی، نقش بسیار مهمی را در انتقال حرارت ایفا می كنند. شرایط و ویژگی‌های این لایه سرعتی را تعیین می كند كه در آن حرارت انتقال داده می شود.
یك شناخت فیزیكی خوب از انتقال حرارت همرفتی را می توان با بررسی معادله انرژی بدست آورد كه در آن یك طرف معادله به انتقال انرژی و طرف دیگر به ترتیب به انتقال حرارت توسط رسانایی ملكولی سیال مربوط می شود و این كاری است كه با نیروهای فشار و تنش های خطی و كار انجام شده توسط تنش های نوسانی و انتقال حرارت با شدت جریان نوسانی و نوسانات دمایی صورت می‌گیرد.
توزیع انتقال حرارت نسبی در یك تیغه توربین متداول در شكل 8 به تصویر كشیده شده است.
 
بالاترین شار حرارتی عمدتاً در منطقه سكون لبه هدایت كننده و به سمت لبه گردابی تیغه اتفاق می افتد. تغییرات گسترده انتقال حرارت در بخش گازی باید به شكل مناسبی با تاثیرات حرارتی بخش خنك كننده متناسب و هماهنگ باشد به گونه ای كه بتوان به توزیعات دمایی قابل قبولی رسید. حداقل 7 منطقه مجزا و متفاوت و از انتقال حرارتی را می توان شناسایی كرد:
1-نقطه سكون
2-لایه مرزی خطی
3-لایه مرزی متعارف
4-لایه مرزی آشفته
5-كنش متقابل لایه مرزی / شوك
6-تكنیك با هماهنگ سازی مجدد
7-تفكیك بدون هماهنگ سازی مجدد
از آنجایی كه انتقال حرارت با پدیده مكانیك های سیال قویاً فرد و زوج می شود، هر یك از این مناطق شامل یك تجزیه و تحلیل جداگانه معتبر برای آن منطقه خاص می باشد. انتقال حرارت به تعداد mach. عدد رینولد, آشفتگی جریان آزاد, نسبت دمای دیواره به جریان آزاد, همواری و تحدب تیغه، ماده و ویژگی های گاز بستگی دارد.
در كاربردهای انتقال حرارت, استفاده از تجزیه و تحلیل بعدی بعنوان انتقال حرارت حائز اهمیت بوده و به تعداد زیاد پارامترها بستگی دارد. تجزیه و تحلیل بعدی كاهش تعداد زیاد متغیرها به عدد معنی دارد گروههای غیر بعدی را فعال می سازد. این در عوض آزمونگران را قادر به طراحی آزمایشاتی برای انجام یك تحقیق پارامتری می نماید.
آزمونهای قابل توجهی در تحلیل انتقال حرارت همرفتی بخاطر شكل هندسی پیچیده و كنش متقابل پیچیده بین جریان و میدان های انتقال حرارت وجود دارد. گروههای زیر را می توان با یك تجزیه و تحلیل بعدی شناسایی كرد:
عدد رینولد  مبتنی بر یك طول مرجع یا  مبتنی بر قطر هیدرولیك.
عدد mach                               ma=v/a
عدد Prandti                           pr=mcp/k
عدد Eckert                              
در كاربردهای انتقال حرارت (بیرونی و درونی) گروههای غیر بعدی مضاعف متعددی مهم هستند. انتقال حرارت كلی با اختلاف دمای بین سیال  و دیواره خشك (Tw) از طریق قانون خنك سازی نیوتن ارتباط دارد:  ضریب انتقال حرارت  را می توان با عدد نوزلت  بصورت غیر بعدی در آورد.
همانطور كه قبلاً نشان داده شد, لایه مرزی بعنوان یك مقاومت در برابر انتقال حرارت عمل می كند و این ویژگی با تنش برشی معین می شود. گروه غیر بعدی كه عدد استانتون ST نامیده می شود ضریب انتقال حرارت غیر بعدی را نشان میدهد.
St =
همچنین
St =
انتقال حرارت تابعی از عدد رینولد و عدد پرانده می باشد و مستقیماً متناسب با مورد لایه مرزی آشفته به كسر پوسته می باشد.
 
و یا  
یك لایه مرزی نازك (مقاومت كمتر), یك انتقال حرارت بزرگتر را نشان میدهد. در حالت ضخامت لایه مرزی صفر (مثل نقطه سكون) حداكثر انتقال حرارت وجود دارد. ضخامت لایه مرزی شدت جریان و حرارت مثل حالت مربوط به هوا بوده و شدت جریان و دما مثل حالت مربوط به یك صفحه تخت می باشد (گرادیان فشار صفر).
در یك لایه مرزی آشفته، شار حرارتی آشفته را می توان به همان روش كاربردی برای تنش رینوار اصلاح كرد. رابطه دمای شدت جریان متناسب با گرادیان دما در راستای y فرض می شود (نرمال به دیواره) از اینرو شار حرارتی بخاطر نوسانات آشفتگی را می توان بصورت زیر نوشت
 
كه در آن n  قابلیت پراكندگی حرارتی گردابی است.
تشابهات بین تبادل های حرارت و حركت با نوسانات آشفتگی باید در هنور گرادیان شدت جریان تاكید شود. یك رابطه مزدوج نزدیك بین انتقال حرارت و انتقال حركت وجود دارد كه بصورت یك رابطه مزدوج نزدیك بین شار حرارتی و برش تنش ترجمه و تفسیر می شود. چون نگرانی اصلی در اینجا انتقال حرارت بین سیال و ماده خشك است، تنش برش در دیواره یك نقش كلیدی را ایفا می‌كند.
عدد پراندل نوسانی بدون بعد  رابطه بین انتقال حركت و حرارت مزدوج شده را نشان میدهد.
نقش تشابه در رقابت تجربی حرارت ایرفویل توربین و انتقال جرم
یكی از مهمترین معیارهایی كه روی عمر پروانه تیغه و تیغه توربین اثر می گذارد دمای فلز آنهاست یك دمای فلز خوب پیش بینی نشده  به راحتی       می تواند باعث 50% كاهش در عمر گسیختگی خزش تیغه شود. پیش بینی دقیق این دما اغلب مبتنی بر شبیه سازی تجربی كیفیت انتقال حرارت مولفه است كه شرایط موتور واقعی را نشان میدهد. این خصوصاً برای یك ایرفویل توبین خنك شده كه در آن انتقال حرارت همرفتی بیرونی و درونی باید بعنوان شرایط مرزی برای انتقال حرارت رسانایی در مولفه در نظر گرفته شود, حائز اهمیت می باشد. استفاده از یك آبشار حرارتی برای آزمونهای پیوسته یا تسهیلات دارای دوام كم برای آزمونهای گذرا یك الزام برای بدست آوردن داده‌های قابل اطمینان و معتبر سازی سیستم های خنك سازی ایرفویل می باشد. آزمونهای آبشار حرارتی پیوسته شبیه سازی شده كه در آن سخت افزار موتور واقعی با تنظیمات خنك سازی درونی/بیرونی صحیح استفاده می‌شود، می تواند برای پیش بینی دمای محلی ایرفویل توربین در مرحله اولیه توسعه توربین مفید باشد. تعداد كمی از آزمونها كه در آن پیكر بندی موتور واقعی استفاده شده است گزارش شده است. با این وجود، آزمونهای انتقال حرارت شامل ارزیابی و مقایسه ثاثیر خنك سازی در محیط های آبشار حرارتی و موتور می باشد كه بندرت در آثار بحث می شود...