Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile türbin kanadının soğutulmasının incelenmesi
Investigation of turbine blade cooling using computational fluid dynamics method
- Tez No: 953511
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DİLEK NUR ÖZEN, DR. ÖĞR. ÜYESİ OSMAN BABAYİĞİT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Necmettin Erbakan Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 78
Özet
Türbin kanatları, çalışma koşulları gereği son derece yüksek sıcaklıklara maruz kaldıklarından, yapısal bütünlüklerini korumaları ve performanslarını sürdürebilmeleri için etkin bir şekilde soğutulmaları gerekmektedir. Ancak, uygulanan soğutma yöntemleri genellikle ilave basınç kayıplarına neden olmakta ve bu durum çevrim verimini olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Bu nedenle, türbin kanatlarının soğutulmasına yönelik tasarım süreçlerinde ısı transferi performansı ve basınç kayıpları birlikte değerlendirilmektedir. Bu çalışmada, NASA C3X türbin kanadı üzerinde üç farklı soğutma tekniği incelenmiştir: jet çarpması ile soğutma, nervür türbülatörler ile soğutma ve iğne-kanat türbülatörler ile soğutma. Yapılan kapsamlı literatür taramasına göre, söz konusu üç soğutma yönteminin aynı türbin kanadı üzerinde entegre şekilde uygulandığı bu çalışma, literatürde ilk olma özelliği taşımaktadır. Çalışmada akış ve ısı transferi analizleri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak ANSYS Fluent© yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Kullanılan sayısal yöntem ve türbülans modeli, literatürde yer alan bir çalışmaya ait deneysel ve sayısal sonuçlarla karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, en uygun soğutma tasarımının belirlenmesi amacıyla ANSYS içerisinde yer alan optimizasyon araçları kullanılarak kapsamlı bir optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Farklı optimizasyon yöntemlerinin karşılaştırılması sonucunda, Yanıt Yüzeyi Optimizasyonu (RSO) yöntemi en uygun yöntem olarak seçilmiştir. Elde edilen sonuçlar, yalnızca soğutma kanalı kullanılan kanat modeli ve soğutma kanalına nervür türbülatör yerleştirilmiş kanat modeli sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Buna göre: Boş kanal (yalnızca soğutma kanalı) modelinde, kanat yüzey sıcaklığında %8.9 azalma olurken, soğutucu akışta %0.25 basınç kaybı ortaya çıkmıştır. Nervür türbülatörlü modelde, sıcaklık düşüşü %11.2, basınç kaybı ise %2.5 olarak belirlenmiştir. Optimum kanat yüzeyinde %16.8 ile en yüksek sıcaklık düşüşü elde edilirken, bu kanatta jet çarpması ile soğutma %12.8, nervür türbülatör ile soğutma %4.5 ve iğne-kanat türbülatör ile soğutma %3 oranında basınç kaybına neden olmuştur. Bu çalışma, türbin kanatlarında çoklu soğutma yöntemlerinin entegre uygulanmasının ısı transferi performansına etkilerini ve beraberinde getirdiği basınç kayıplarını kapsamlı şekilde ortaya koyması bakımından literatüre önemli katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Turbine blades are exposed to extremely high temperatures due to operating conditions, and therefore must be effectively cooled to maintain their structural integrity and sustain their performance. However, the cooling methods applied often result in additional pressure losses, which can adversely affect cycle efficiency. For this reason, both heat transfer performance and pressure losses are evaluated together during the design processes of turbine blade cooling systems. In this study, three different cooling techniques were investigated on a NASA C3X turbine blade: jet impingement cooling, rib turbulator cooling, and pin-fin turbulator cooling. According to extensive literature review, the integrated application of these three cooling methods on the same turbine blade represents a novel approach in the literature. Flow and heat transfer analyses were performed using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method with ANSYS Fluent© software. The numerical method and turbulence model employed were validated by comparing them with the experimental and numerical results reported in a study from the literature. Furthermore, a comprehensive optimization study was conducted using the optimization tools available in ANSYS to determine the most suitable cooling design. As a result of comparing different optimization methods, the Response Surface Optimization (RSO) method was selected as the most appropriate approach. The results obtained were compared with those of two other turbine blade models: one cooled only by an internal cooling channel, and another incorporating rib turbulators within the cooling channel. Accordingly, in the plain cooling channel model, a 8.9% reduction in blade surface temperature was achieved and a 0.25% pressure drop in the coolant flow was observed. In the rib turbulator model, a temperature reduction of 11.2% and a pressure drop of 2.5% were determined. The optimum blade design achieved the highest temperature reduction of 16.8%. In this model, the individual pressure drops were measured as 12.8% for jet impingement cooling, 4.5% for rib turbulator cooling, and 3% for pin-fin turbulator cooling. This study makes a significant contribution to the literature by comprehensively presenting the effects of applying multiple cooling techniques in an integrated manner on turbine blade heat transfer performance and the associated pressure losses.
Benzer Tezler
- Gaz türbinlerinde soğutmalı türbin kanadının HAD ile optimum tasarımı ve analizi
Optimal design and analysis of the cooled turbine blade in gas turbines with CFD
ESRA YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM CAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ FERHAT KOCA
- Eğimli bir yatay eksenli rüzgar türbini kanadının aerodinamik tasarımı ve optimizasyonu
Aerodynamic design and optimization of a swept horizontal axis wind turbine blade
MEHMET NUMAN KAYA
Doktora
Türkçe
2019
EnerjiKonya Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FARUK KÖSE
PROF. DR. OĞUZ UZOL
- Gemi pervanesi performans karakteristiklerinin lineer olmayan kanat elemanı momentum teorisi ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemleriyle incelenmesi
Investigation of marine propeller performance characteristic with nonlinear blade element momentum theory and computational fluid dynamics methods
AHMET SOYDAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Sesüstü türbin tasarımı
Supersonic turbine design
SALİH DENİZ DEVELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN AYDER
- Kanat yapısal deformasyonunun rüzgar türbini rotor performansı üzerine etkisi
Influence of blade structural deformation on wind turbine rotor performance
AKGÜN KALKAN
Doktora
Türkçe
2017
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU