Position optimization of film cooling holes on a squealer turbine blade tip
Squealer tip türbin kanat ucunda film soğutma deliklerinin pozisyon optimizasyonu
- Tez No: 572878
- Danışmanlar: DOÇ. EMRE ALPMAN, YRD. DOÇ. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Marmara Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 56
Özet
Gaz türbinli motorlarda verimlilik ısının artmasıyla artar ve bu durum bilim insanlarını daha yüksek sıcaklıklarda çalışabilen gaz türbinli motorlar tasarlamaya yöneltmiştir. Bu sebeple yüksek termal yükler altında çalışan türbin kanatlarının soğutması daha önemli hale gelmiştir. Türbin kanadının kritik bölgelerinden biri olan kanat ucunda, film soğutma ile ilgili oldukça fazla çalışma vardır. Bilimsel çalışmalar film soğutma deliklerinin pozisyonlarının ısı transferini düşürmek için önemli olduğunu göstermiştir fakat bu çalışmalar belirli pozisyonlara odaklanmıştır. Bu çalışmada, film soğutma deliklerinin pozisyon optimizasyonu iki amaç göz önünde bulundurularak yapılmıştır. Bunlar kanadın uç yüzeyindeki ısı transferi ve kanadın aerodinamik performansıdır. Geleneksel squealer uca sahip bir kanat kullanılmış ve onun cascade modeli nümerik olarak OpenFOAM ile analiz edilmiştir. Bu çalışmada kanadın eksenel akort uzunluğu boyunca eşit aralıklarla olmak üzere 5 adet film soğutma deliği kullanılmıştır. Bu deliklerin 4 tanesine ait pozisyonların y-eksenine ait değerleri optimizasyonun giriş parametreleri olarak kullanılmıştır, takip kenarına yakın olan 5. delik belirli bir noktaya sabitlenmiştir. OpenFOAM içerisinde bulunan bazı araçlar kullanılarak her bir pozisyon değişikliğinde tekrar mesh üretmek yerine, bütün çalışmalar aynı mesh ile yapılmıştır. Film soğutma için üfleme oranı 1 olarak alınmıştır. Nümerik analizler için Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) denklemlerinin 3 boyutlu, sabit ve sıkıştırılamaz formu ve Shear Stress Transport (SST) k-ω türbülans modeli kullanılmıştır. Optimizasyon prosesinde analiz sayısını azaltabilmek için Artificial Neural Network (ANN) ve evrimsel optimizasyon algoritması olarak ise Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm NSGA-II kullanılmıştır. Total basınç kayıp katsayısı ve kanat uç yüzeyindeki ısı transferi film soğutma ile azaltılmıştır. Film soğutmanın özellikle kavite yüzeyindeki ısı transferine etkisi diğer bölgelere oranla daha fazla olmuştur. Kanat uç yüzeyinde ki ısı transferi optimizasyon ile daha da azaltılmıştır fakat kanadın aerodinamik kaybı film soğutma ile azaltılmış olmasına rağmen optimizasyondan pek etkilenmemiştir. Diğer yandan film soğutma, akış yönü dolayısıyla kanadın ön ucunu etkili biçimde koruyamamaktadır ve yüksek ısı akısına sahip bir bölge kalmaktadır buna karşın neredeyse yüksek ısı akısına sahip diğer bütün bölgelerde film soğutma ile ısı akısı düşürülmüştür ve en kötü duruma kıyasla kavite yüzeyindeki ısı transferinde %9,8 azalma sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Efficiency of gas turbine engines increases with increasing temperature and this situation directs scientists to design gas turbine engines that can works under higher temperatures. Therefore, cooling of turbine blades that works under high thermal loads becomes more important. There are many scientific studies that try to reduce heat transfer on tip surface, which is one of the critical areas on turbine blades, by using film cooling. Scientific studies show that positions of film cooling holes are important for reducing heat transfer on surface however they deal with specific positions. In this study, position optimization of film cooling holes is studied with 2 objectives which are heat transfer on tip surface and aerodynamic performance of blade. A blade with conventional squealer tip is used and its cascade model is numerically analyzed by using OpenFOAM. 5 film cooling holes are used, and they are equally spaced on axial chord length of the blade. Positions of 4 film cooling holes in y-axis of computational domain are used as input parameters for optimization and fifth hole which is closed to trailing edge is fixed on a position. By using the utilities in OpenFOAM, positions of film cooling holes are changed without changing generated mesh for all numerical analyzes. Blowing ratio is selected as 1 for film cooling. Three-dimensional, steady, incompressible form of Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) equations are used for numerical analyzes and Shear Stress Transport (SST) k-ω is used as turbulence model. For optimization process, Artificial Neural Network (ANN) is used to reduce number of analyzes and Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm NSGA-II is selected as an evolutionary optimization algorithm. Total pressure loss coefficient and heat transfer on tip surface of the blade is reduced with using film cooling. Especially the effect of film cooling on cavity surface is higher than other regions. Heat transfer on tip surface is further reduced with position optimization of film cooling holes however the aerodynamic loss of the blade is reduced by film cooling but is not affected by optimization. On the other hand, film cooling does not effectively protect the leading edge of tip surface because of flow direction and a region with high wall heat flux remains. However, wall heat flux is reduced almost all other regions that has high wall heat flux values with film cooling and 9.8% reduction in heat transfer on cavity surface with respect to worst case is obtained with position optimization.
Benzer Tezler
- Gemilerde kullanılan seçici katalitik indirgeme sistemlerinde tortu oluşumunun ve azot oksit indirgeme performanslarının deneysel ve sayısal olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of urea-deposit formation and nitrogen oxide reduction performances in selective catalytic reduction systems used on marine vessels
TALAT GÖKÇER CANYURT
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile tantal katkılı elmas benzeri karbon film üretimi ve karakterizasyonu
Production of tantalum doped diamond-like carbon film by means of plasma assisted chemical vapor deposition and its characterisation
NİLÜFER ORHON
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. KÜRŞAT KAZMANLI
- Alternatif renklerde reflektör içeren otomotiv aydınlatma ürünlerinin farklı alaşımlar kullanılarak PVD kaplama metodu ile aydınlatma regülasyonlarına uygun (ECE) olarak üretilmesi
PVD coating with different alloys for production of different coloured reflector components in lighting units used in automotive industry and providing ECE regulation requirements
İBRAHİM EMRAH SÖZER
Doktora
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA CEMAL ÇAKIR
- Tandem perovskit foto-elektrokimyasal güneş pilleri için elektron ve boşluk taşıyıcı tabakaların geliştirilmesi
Developing of electron and hole transport layers for perovskite photoelectrochemical solar cells
ÖZLEM COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURDAN DEMİRCİ SANKIR
- Tek vidalı ekstruderlerin performans tespiti ve ideal vida tasarımı
Determination of performance of single-screw extruders and design of ideal screw
MUSTAFA FATİH ERGİN
Doktora
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL AYDIN