Numerical investigation of flow through labyrinth seals in gas turbine engines
Gaz türbinli motorlarda yer alan labirent keçelerde akışın nümerik incelenmesi
- Tez No: 664750
- Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Makine Mühendisliği, Uçak Mühendisliği, Astronomy and Space Sciences, Mechanical Engineering, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Havacılık sektöründe uçak, helikopter ve insansız hava araçlarında jet motorları kullanılmaktadır. Jet motorlarının çalışma mantığı Brayton çevrimine dayanmaktadır. Jet motorlarında, havayı basınçlandırmak için kompresör, basınçlandırılan havanın yakılarak ısı enerjisi kazandırıldığı yanma odası ve ısı enerjisi kazanılmış havanın mekanik işe dönüştürüldüğü türbinler mevcuttur. Türbinlerin verimleri çekilen havanın işe çevrilmesi ile hesaplanır. Verimlerin yüksek olması çekilen havadan hangi ölçüde faydalanıldığına bağlıdır. Fakat, önlenemez kayıplardan dolayı tamamından faydalanmak mümkün değildir. Döner parça ile dönmeyen parçalar arasındaki boşluklardan sızan hava önlenemez kayıplara örnektir. Motorda en çok rastlanan kayıp bölgeleri ise kanatçık ile onu muhafaza eden parça arasıdır. Havanın bu bölgeden kaçmasının sebebi dönen türbin kanatçıkları ile bunu muhafaza eden statik parçanın birbirleri ile temasının mümkün olamamasıdır. Buradaki açıklık miktarına göre kaçan hava debisi değişecektir. Yaygın olarak düşük basınçlı türbinlerde kanatçık ile statik parça arasına labirent keçe kullanılmaktadır. Labirent keçeler bu bölgelerden geçen hava debisini düşürmeye yada minimize edilmesine yaramaktadır. Labirent keçenin birçok avantajı mevcuttur. Yüksek sıcaklıklarda ve yüksek basınç oranlarında çalışabilmektedir. Yüksek dönme hızına sahip döner parçalarda kullanımı oldukça başarılı sonuçlar vermektedir. Ayrıca, üretim kolaylığı, ucuz temin edilmesi gibi avantajları vardır. Yaygın kullanılan sızdırmazlık elemanı olan labirent keçeler, sıcaklık ve yüksek dönme hızına bağlı olarak uçuş zarfları boyunca uzayarak ve kısalarak kalıcı deformasyonlar geçirebilir. Bu deformasyonlar geometride bazı değişimlere sebep olur. Geometrisi değişmiş olan labirent keçe dişi, sızdırmazlık performansının beklenmedik bir şekilde değişmesine ve bu da motor performansı ve veriminde düşmeye neden olacaktır. Literatürde, labirent keçeden geçen kaçak debideki %1 artışın turbo jet motorların özgül yakıt sarfiyatında %0,1 artışa ve itme kuvvetinde %0,8 azalışa neden olduğu raporlanmıştır. Bu tez kapsamında, literatürden yararlanılarak uygun labirent keçe geometrisi seçilmiştir. Bu elde edilen geometrinin CFD analizi yapılmıştır. Yapılan CFD analizinin literatürden alınan deney sonuçları ile uygunluğu araştırılmıştır. Bunun için öncelikle oluşturulan ağ haritasının, düğüm noktaları sayısından bağımsızlığı araştırılmıştır. Daha sonrasında ise türbülans modellemesi seçim çalışması yapılmıştır. Kullanılan türbülans modelleri aynı şekilde literatür taranarak elde edilmiştir. Oluşturan CFD model ile farklı açıklıklar, basınç oranları ve dönme hızlarından kaynaklı kaçak debi miktarları araştırılmıştır. İlk çalışma olarak, referans alınan aşınmamış düz labirent keçenin CFD analizi yapılmış ve labirent sızdırmazlık kaçak debileri hesaplanmıştır. Bu kapsamda açıklık, basınç oranı ve rotor dönüş hızının kaçak debi üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Analiz edilen parametreler ve değişim aralıkları şu şekildedir: açıklık (clearance = 0,254-2,032mm), basınç oranı (Pressure Ratio = 1,5-3,5) ve rotor dönüş hızı (n = 0-80000 rpm). Bu aralıklar, literatürdeki motorlarda kullanılan değerlerdir. Tezin ikinci kısmında ise, bir başka önemli tasarım kriteri olan; akışta meydana gelen girdaptan kaynaklı olarak total sıcaklığın labirent keçe boyunca artması (windage heating) incelenecektir. Bu total sıcaklık artışının sebebi havanın döner parçadan kaynaklı enerji kazanmasıdır. Bu artış türbinde verim kaybına ve dolayısıyla motorda performans kaybına sebep olmaktadır. Labirent keçe ile üzerinde yer alan statik parça arasındaki mesafe azaldıkça kaçak debi azalmaktadır. Fakat, dar kesitten geçen havaya etki eden viskoz kuvvetler arttığı için havanın toplam sıcaklığı artacaktır. Sıcaklığı fazla artan hava keçenin çıkışında yüksek sıcaklıklara bağlı gerilim yaratacaktır. Günümüzde üretilen motorlarda burayı soğutmak için soğutma havası ile kaçak debi karıştırılarak keçe üzerinden geçmesi sağlanmaktadır. Yüksek sıcaklık artışı daha fazla soğutma debisi gerektirecek ve buna bağlı olarak da motorun veriminde ciddi düşüşlere sebep olacaktır. Bunun için labirent keçeden geçen kaçak debinin araştırılması sırasında bu bölgede oluşacak hava sürtünme kaybının da hesaplanması gerekmektedir. Tezin bu kısmında kaçak debi için kullanılan geometrik değişikliklerin total sıcaklık değişimi üzerindeki etkilerine bakılacaktır. Tezin üçüncü kısmında ise akışın teğetsel hız ile labirent keçeye girdiği varsayımı yapılacaktır. Kullanılan değerler literatürden alınacaktır. Bu durumdaki kaçak debi ve total sıcaklık değişimlerine bakılacaktır. Girdap değeri ile rölatif total sıcaklık arasında önemli bir bağıntı mevcuttur. Girdap değeri arttıkça rölatif sıcaklık da artacaktır. Bunun neticesinde ana akıştan geçen havadan daha yüksek sıcaklıkların bu bölgede görülebileceği ve malzeme seçiminde rölatif sıcaklık etkisinin büyük olacağı anlaşılacaktır. Tezin çıktısı olarak labirent keçe tasarımında kaçak debiyi etkileyen parametreler özetlenmiştir. Bunların etkisi tartışılmıştır. Labirent keçe tasarımı yaparken dikkat edilmesi gereken toplam sıcaklık artışı ve bu durumu etkileyen parametreler tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Labyrinth seal is frequently used in turbomachines and mostly preferred in blade tip regions. It increases the engine efficiency by preventing the leakage flow in the rotor tip areas. Labyrinth seals possess many advantages. They can operate under high-temperature and high-pressure rates and provide successful sealing for high-speed rotating parts. Other advantages include ease of manufacture, inexpensive supply etc. One of the main problems of these seals are the teeth tip erosions that can deteriorate the sealing performance and hence engine performance/efficiency. The literature reveals that 1% increase in leakage flow causes 0.1% increase in the specific fuel consumption and 0.8% decrease in thrust in civil aviation engines, 0.3% increase in the specific fuel consumption and 1% decrease in thrust in military engines. Within the scope of this thesis, different seal geometries with various clearances and inlet conditions are examined by using CFD analysis to illustrate their effects on the sealing performance. In addition, the CFD model is verified by available tests in the literature. Firstly, unworn straight-through teeth analysis is carried out and labyrinth seal leakage flow rate is calculated. The effect of three different parameters, namely; clearance, pressure ratio and rotor rotation speed on leakage flow rates are determined. In order to do that, the clearance is varied from 0.254 to 2.032 mm, whereas pressure ratio ranges from 1.5 to 3.5 and rotor rotation speed varies between 0-80 krpm. The chosen ranges for the parameters reflect the preferred ranges in the current engine designs. CFD analyses are carried out by using a compressible turbulent flow model in two dimensional coordinates. The analyses are verified by comparing experimental results that are published in the literature of some similar applications. In addition, the leakage flow rate obtained from CFD analyses are compared with the well-known labyrinth seal correlations and experimental results. After validating CFD studies, windage for different geometries and entrance conditions are examined. The most suitable geometry found in the ranges is selected as the output of this thesis. Windage effects occurring under different entry conditions are discussed.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of flow through labyrinth seals with and without honeycomb lands
Düz labirent keçelerin bal petek yapısı ile ve bal petek yapısı olmadan akış alanının nümerik olarak incelenmesi
AVNİ ERTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİH ÖZEN ÜNVERDİ
- Bal peteği sızdırmazlık elemanında eğimli labirent keçe dişlerinin kaçak debiye etkisinin sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the effect on leakage flow of inclined labyrinth teeth with honeycomb sealing element
İBRAHİM ZENGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BEYTULLAH ERDOĞAN
- Tesisat bağlantı parçalarının akış karakteristiklerinin nanoakışkan kullanılarak sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of flow characteristics of different type fittings using nanofluid
MÜRÜVVET AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiOsmaniye Korkut Ata ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NEHİR TOKGÖZ
- Numerical investigation of cavitating flow in variable area venturi on the basis of experimental data
Değişken alanlı venturi'lerde kavitasyonlu akışın deneysel temelli nümerik incelenmesi
HASAN TOLGA GÜMÜŞEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
DR. MEHMET ALİ AK
- Aort kapağı kan akımının katı-sıvı etkileşim yöntemiyle sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the aortic valve blood flow using fluid-structure approach
ARMİN AMİNDARİ
Doktora
Türkçe
2022
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ