Angel wing overlap length effect on rim seal design
Rim keçe tasarımında rotor-stator uzantıları örtüşme mesafesinin etkisi
- Tez No: 733317
- Danışmanlar: PROF. DR. KADİR KIRKKÖPRÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Gaz türbinli motorlar sivil ve askeri uygulamaları bulunan, hava araçları, deniz araçları ve elektrik üretimi gibi farklı çalışma alanlarında kullanılabilen akım makinalarının bir türüdür. Kullanım alanlarına göre turbojet, turbofan, tuboprop ve tuboşaft olarak sınıflandırılırlar. Gaz türbinleri üç temel komponentten oluşmaktadır. Bunlar, kompresör, yanma odası ve türbindir. Motorun çalışma noktası ve motordan istenen performans isterlerine göre modüller birden fazla kademede olabilir. Yine motor isterlerine göre kompresör veya türbin kademeleri eksenel yahut radyal tipte seçilebilir. Ayrıca, yanma odası eksenel akışlı olabildiği gibi, motor uzunluğundan yer kazabilmek adına ters akışlı olarak da seçilebilir. Dolayısıyla motor mimarisi, performans isterleri, yapısal ve geometrik gereklilikler doğrultusunda değişebilmektedir. Kompresör, yanma odası ve türbin boyunca ana akış duran ve dönen parçalardan oluşmaktadır. Dönen ve duran parçalar arası açıklıklar ikincil akışlara sebebiyet vermektedir. Bu sebeple rotor-stator boluklarını basınçlandırmak, dönen ve duran parça arası boşluklardaki sızdırmazlığı sağlamak, ayrıca yüksek sıcaklığa maruz kalan parçaları soğutmak adına motorun ikincil hava sistemi tasarımı yapılmaktadır. İkincil hava sistemleri tasarımcısının temel görevleri, parçaların soğutulması için gerekli havayı iletecek akış yolunun boyutlandırılması, sızdırmazlık isterlerinin sağlanması, rotor bloğuna gelecek eksenel yükün kontrolü, sızdırmazlık elemanlarının seçimi, buz önleme sistemi ile kabin basınçlandırma havasının ikincil akış sistemleri fonksiyonundan ödün vermeden sağlanması şeklindedir. Bu sebeple, kompresörden çekilen hava miktarının motor performans isterleri açısından gerek ve yeter koşulları sağlayacak biçimde kullanılması motor tasarımı ve mimarisi açısından anahtar role sahiptir. Rotor-stator boşluklarını basınçlandırmak ve motor parçalarını soğutmak için gerekli hava miktarı iki temel gaz girişi mekanizması ile incelenmektedir. Birinci gaz girişi mekanizması rotor parçasının dönme hareketiyle gerçekleşen durumdur. Rotor yüzeyindeki akışkan parçacığı kaymama koşulu gereği rotor hızında dönebilirken, yüzeyden biraz uzakta ve sınır tabaka içerisinde kalan akışkan parçacığı ise üzerine gelecek kesme kuvvetleri sebebiyle merkezkaç kuvvetlerine maruz kalmaktadır. Merkezkaç kuvveti nedeniyle akışkan parçacığı sınır tabaka boyunca radyal dışarı yönde hareket etmekte, rotor parçası ise kanatsız bir pompa görevi görmektedir. Kütle korunumunun sağlanması için sınır tabaka, boşluk içerisindeki süpürme/soğutma havasından beslenmektedir. Soğutma havasının yetersiz olması durumundaysa gerekli hava miktarı boşluk dışarısındaki ortamdan tamamlanmaktadır. Ana akıştan dönme hareketi kaynaklı çekilecek gaz girişi mekanizması literatürde dönme hareketine bağlı sıcak gaz girişi olarak isimlendirilmiştir. İkinci gaz girişi mekanizması ise ana akıştaki basınç asimetrisi kaynaklı gaz girişidir. Ana akıştaki dönen ve duran kanatçıkların varlığı sebebiyle çevresel yönde maksimum ve minimum basınç bölgeleri oluşmaktadır. Yüksek basınç bölgelerinden boşluk iç basıncına göre düşük basınç bölgelerine lokal gaz girişleri gerçekleşmektedir. Boşluk basınçlandırma havasının azalması durumunda ana akış asimetrisine bağlı gaz girişi daha agresif olmaktadır. Ayrıca düşük miktardaki boşluk basınçlandırma havası içinse boşluk içerisinde asimetrik akış dağılımı gerçekleşmekte ve boşluğa giren hava miktarını daha da arttırmaktadır. Bu mekanizma da literatürde ana akış asimetrisine bağlı gaz girişi olarak isimlendirilmiştir. İki meknizmanın birbirlerine göre baskın olduğu akış rejimleri ayrıca eş baskın bulundukları bir aralık da mevcuttur. Ana akış Re arttıkça dönme hareketine bağlı gaz giriş miktarının toplam gaz girişi miktarına etkisinin oldukça düşük olduğu yapılan testler ile gösterilmiştir. Benzer şekilde, ana akış Re düşük olduğu akış rejimleri içinse dönme hareketinin gaz girişi üzerinde belirleyici mekanizma olduğu gösterilmiştir. Deneysel çalışmalarda sıklıkla başvurulan ölçüm yöntemleri basınç ve konsantrasyon ölçümleridir. Sıcak gaz girişinin niteliksel olarak belirlenmesinde izlenen yöntemler basınç ölçümlerinde, boşluk iç basıncı ile ortam basıncının farkı gözetilerek yapılmıştır. Konsantrasyon ölçümlerinde ise dış ortam veya soğutma/süpürme havası NO, NO2 veya CO2 gibi gazlarla kontamine edilmiştir. Bu sayede boşluk tamamen temiz hava ile dolana kadar veyahut boşluk içerisinde kontaminasyon tamamlanana kadar süpürme/soğutma havasının değeri değiştirilmiştir. Sıcak gaz girişinin sayısallaştırılmasında görüntüleme teknikleri de kullanılmıştır. Ana akışa gönderilen dumanın görüntülenmesi veya lazer ışınları kullanılarak da rim keçelerdeki karmaşık akış yapısı anlaşılmaya çalışılmıştır. Günümüz teknolojisinde ise ölçümler gerçek zamanlı ve çalışan motorlar üzerinden de toplanmış, veriler simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Gaz girişi hesaplamaları öncelikle deneye bağlı korelasyonlar ile yapılmıştır. Korelasyonlar Re, boyutsuz açıklık miktarı ve rim keçe geometrisinin etkilerini içerecek şekilde deneysel veriler ile geliştirilmiştir. Ayrıca akış sıkıştırılamaz ve zamandan bağımsız düşünülerek analitik çözümler elde edilmiş ve deneysel sonuçlar ile kalibre edilmiştir. Bilgisayarların güçlenmesi ve nümerik yöntemlerin gelişmesi ile birlikte hesaplamalı akışkanlar dinamiği 2000'li yıllardan itibaren öne çıkmış ve karmaşık rim keçe akış yapılmasının anlaşılmasında kullanılmıştır. Rim keçe tasarımı ve rotor-stator boşluklarını basınçlandırmak için yapılan debi hesaplamaları gaz türbini motoru tasarımında olduça önemli bir rol üstlenmektedir. Rotor-stator boşluğunu basınçlandırmada kullanılan akışkan boşluk boyunca soğutma görevi üstlenerek parça ömürünü ve dayanım limitlerini artırır aynı zamanda ana akıştan boşluğa sıcak gaz girişini tamamen veya kısmen engellemekte kullanılır. Kullanılacak debinin miktarı ise sınır şartlarına oldukça bağlıdır. Fazla miktarda basınçlandırma debisi kullanımı parça dayanım ve ömürüne pozitif yönde katkı sağlarken, toplam motor verimini düşürür ve özgül yakıt tüketimini arttırır. Haliyle, uygun debi miktarı ile rotor-stator boşluğunun basınçlandırması rim keçe tasarımını daha da önemli kılmaktadır. Gaz girişi üzerindeki parametreler, rim keçenin sabit ve dönen kanatçıklara göre uzaklığı, rim keçe konfigürasyonu, ana akış asimetrisi, dönme hızı ve keçenin açıklık miktarı olarak sıralanabilir. Gaz girişi zaman bağlı gerçekleşmektedir ve akışkan sıkıştırılabilirdir. Gaz giriş miktarının yüksek doğruluk ile tahmin edilebilmesi için, gaz mekanizması üzerindeki parametrelerin etkileri detaylıca incelenmelidir. Parametre etkilerinin sayısallaştırılması ise tasarım süresince yeniden analizler gerçekleştirilmeden tasarımın ilerletilmesi ve ön tasarım aşamasında süre ve maliyetten kazanç sağlanması anlamına gelmektedir. Aynı zamanda, gerçekçi yapılacak tahminler sayesinde kompresörden çekilen hava miktarının azaltıması, türbin giriş sıcaklığının azaltılarak yüksek verimde çalışan motor tasarımlarının yapılmasına olanak sağlanabilir. Kompresörden çekilen her birim havanın özgül yakıt tüketimini arttırması sebebiyle, optimum miktarda soğutma havası kullanılması yakıt tüketiminin düşürülmesini sağlayabilir. Bu yüksek lisans tezinin amacı, rim keçe konfigürasyonlarına özgün olarak tasarlanan rotor ve stator çıkıntılarının örtüşme mesafesinin ana akıştan girecek sıcak gaz miktarına etkilerinin incelenmesidir. Bu sayede, keçe tasarımı ve basınçlandırma debisi hesabı yapılırken uygun örtüşme mesafesinin seçilmesinde yol gösterecek bir metodoloji çalışması yapılmasıdır. Rotor-stator boşluğuna sıcak gaz girişinde keçe boyunca akış yapısı 3B'dur ve zamana bağlı incelenmesi gerekmektedir. Fakat hesaplama yükünün ve süresinin azaltılabilmesi adına analizler sektör model ile zamandan bağımsız yapılmıştır. Literatürden bulunan deneysel veriler kullanılarak bir doğrulama analizi gerçekleştirilmiştir. Doğrulama analizi için literatür geometrisi oluşturulmuştur. Sabit kanatçıklar literatür verisinden tersine eğri uydurularak modellenmiştir. Dönen kanatçıklar profili iyi bilinen NACA-18 kanatçıklardır. Kanat profili bulunarak döner kanatçık modellemesi de yapılmıştır. Literatürden bulunan deneysel çalışmanın soğutma havası gönderilmeyen durumu karşılaştırma yapılmak üzere temel alınmıştır. Deney düzeneği tasarım koşulları kullanılarak sınır şartları hesaplanmıştır. Çözüm ağı yapısı, akışta görülebilecek gradyenler göz önünde bulundurularak modeldeki gerekli bölgelerde sıklaştırılmıştır. Analizler birden çok türbülans modeli için denenmiştir. Türbülans modeli seçim kriteri ise deneysel boyutsuz basınç dağılımı eğrisine en yakın dağılımı almak üzere kurgulanmıştır. Türbülans modeli seçimi tamamlandıktan sonra analizler artan çözüm ağı yoğunlukları için tekrar edilmiştir. Analiz için gerekli görülen çözüm ağı yoğunluğunda ise gaz girişi miktarı deneysel sonuçlar ile karşılaştırılarak raporlanmıştır. Elde edilen veriler ışığında bir rim keçe konfigürasyonu için örtüşme mesafesinin parametrik çalışması yapılmıştır ve raporlanmıştır. Çözüm ağından bağımsızlık çalışması ve gaz girişi hesabı farklı hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsünde de gerçekleştirilmiştir. Bu sayede farklı çözücülerden elde edilen gaz girişi miktarları da karşılaştırılmıştır. Literatürden bulunan korelasyonlar ile de gaz girişi mertebesi kontrol edilmiştir. Ayrıca deney düzeneği tasarım noktası kriterleri analiz çıktılarından yeniden kontrol edilmiştir. Sonuçlar değerlendirilmiş ve yorumlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Gas turbine engines are a type of energy conversion machines that have civil and military applications and used in many fields such as aircrafts, sea vehicles and electricity generation. They are subdivided as turbojet, turbofan, turboprop and turboshaft according to their usage areas. Three main components compose the main flow path of the gas turbine engines. These are compressor, combustion chamber and turbine. The main flow path consists of stationary and rotating parts. The openings between rotating and stationary parts cause parasitic flows. For this reason, the engine's secondary air system (SAS) is designed to pressurize the rotor-stator cavities, to ensure the sealing between rotating and stationary parts, and cool down the parts that are exposed to high temperatures. To pressurize rotor-stator cavities, rim seal design and flow calculations play an important role in gas turbine engine design. While pressurizing the rotor-stator cavity, the SAS flow also cools down the cavity, and hence improves the rotating and stationary part's life and durability limits. In order to do that, preventing hot gas ingestion into the cavity completely or partially holds an important role. The amount of cooling air used in the cavity highly depends on the boundary conditions and geometry of the rim seal. The use of a large amount of cooling air contributes positively to component strength and life, while reducing overall engine efficiency and increasing specific fuel consumption. Meanwhile, designing complex rim seal geometry reduces the cavity cooling air requirement but makes the manufacturing processes difficult and clearance control challenging at the rim seal. As a result, the pressurization of the rotor-stator cavity with the appropriate flow rate makes the rim seal design vital. The aim of this master thesis is to examine the amount of ingestion from the main flow into the cavity in terms of overlap distance and clearance of the angel wing. In this way, it is aimed to make more precise predictions while designing the rim seal and calculating sufficient amount of cooling air. In this thesis, a validation study was performed using an experimental data from the literature. A methodology was applied by selecting proper geometry and methods for CFD solutions. Grid independency study was also carried out for the CFD model. Based on literature data, a parametric study was exerted by looking at the effects of the amount of overlap length at a radial opening for a rim seal configuration. The results were evaluated and visualized.
Benzer Tezler
- Kanat planform şeklinin rampa hareketi yapan kanadın akım yapılarına ve kuvvetlerine etkisi
Effect of planform shape and pivot axis position on the flow structure and forces of an impulsively pitching flat plate
CİHAD KÖSE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM
- Experimental investigation of boundary layer transition via vortex generators
Vorteks üreteçleri ile sınır tabakadaki akışın laminerden türbülansa geçisinin deneysel incelenmesi
İSMET CİHAT AY
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. DUYGU ERDEM
- Trakya bölgesi bal arısı (Apis mellifera L.) populasyonunun morfolojik karakterizasyonu ve standart tanımlama fonksiyonlarının geliştirilmesi
Morphological characterization of thrace honey bee (Apis mellifera L.) populations and improving the standard identification consant coefficient functions
ABDURRAHMAN AYDIN
- Computational analysis of external store carriage in transonic speed regime
Harici yük taşımanın transonik sürat bölgesinde hesaplamalı analizi
İ. CENKER ASLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2003
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
PROF. DR. OKTAY BAYSAL
- Fare (Balb/c mice) ve sıçan (wistar albino rat)'da artıculatıo genus'un karşılaştırılmalı morfolojik incelenmesi
Comparative morphological examination of articulatio genus in mouse (balb/c mice) and rat (wistar albino rat)
SEFA YEKELER
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
AnatomiOndokuz Mayıs ÜniversitesiVeterinerlik Anatomisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BURCU ONUK