Improvement of aerothermal and aerodynamic performance at the typical squealer tip of aerocraft turbine blade
Havacılık türbin kanatlarının sıyırıcı uçlarında aerotermal ve aerodinamik performansın iyileştirilmesi
- Tez No: 988418
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OMID KARIMI SADAGHIANI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Gaz türbinli motorlar, Turbo jet motoru, Turbo şarj türbin kanatçığı, Gas turbine engines, Turbojet engine, Turbo charge impeller
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Türk Hava Kurumu Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine ve Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbinleri çeşitli endüstrilerde geniş bir kullanım alanına sahiptir. Gaz türbinlerinde giriş sıcaklığının artırılması, türbin verimini yükseltir. Ancak gaz türbinlerinin imalatında kullanılan alaşımların sıcaklık dayanımı sınırlı olduğundan, özellikle türbin kanatçıklarının sıcaklığını düşürmek için ek soğutma çözümlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Türbin kanatları hem içten hem de dıştan soğutulmaktadır. İç soğutma yönteminde, kanatçıkların içerisinden soğuk akışkan geçirilerek sıcaklık düşürülür. Dış soğutma yönteminde ise, soğuk akışkan kanat yüzeyi üzerinde koruyucu bir tabaka oluşturarak sıcak akışın doğrudan kanat gövdesine çarpmasını engeller. Deneysel çalışmaların zorluğu ve yüksek maliyeti nedeniyle bu alanda çok sayıda sayısal (nümerik) çalışma yapılmıştır. Bu çalışmada da, Catia ile geometrik model, hesaplama ağıysa (mesh) Gambit yazılımı kullanılarak oluşturulmuştur. Türbin kanat ucundaki ısı transfer katsayısı (HTC) en yüksek değere sahip olduğundan, bu çalışmada ve benzer diğer çalışmalarda soğutma delikleri genellikle kanat kenarına yerleştirilmiştir. Akışı yöneten denklemler Fluent yazılımı ile çözülmüş ve akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Türbomakinelerde akışın türbülanslı yapısı nedeniyle, akış türbülansını modellemek için uygun türbülans modellerinin seçimi, türbinlerdeki ısıl analizlerin en önemli konularından biridir. Bu çalışmada uygun türbülans modelini belirlemek amacıyla öncelikle birkaç farklı model denenmiştir. İncelenen modeller; iki denkleme dayalı k–ω ve k–ε modelleri ile dört denkleme dayalı v²–f modelidir. Elde edilen sonuçların doğruluğu, deneysel çalışmalarla rapor edilen verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. En iyi tahminler, k–ω–SST ve v²–f modelleriyle elde edilmiştir; ancak v²–f modelinin yüksek hesaplama maliyeti nedeniyle bu model kullanılmamıştır. k–ω–SST türbülans modeli duvar fonksiyonu (wall function) kullanmadığından, kanat yüzeyine yakın bölgelerde uygun ağ yapısına olan gereksinim, toplam ağ hacmini artırmıştır. Basınç yüzeyinde (pressure side) elde edilen sonuçlar deneysel verilerle oldukça iyi uyum gösterirken, emme yüzeyinde (suction side) akışta oluşan kararsızlıklar nedeniyle sonuçlar deneysel verilerle tam olarak örtüşmemiştir. Bu alanda yapılan birçok deneysel ve sayısal çalışmada, türbin kanatları durağan (sabit) kabul edilmiştir; oysa gerçek çalışma koşullarında türbin kanatları yüksek hızda dönmektedir. Bu çalışmada, öncelikle sınır koşulları için laboratuvar değerleri kullanılarak, laminer soğutmanın varlığı ve yokluğunda türbin kanatları etrafındaki ısıl akış incelenmiştir. Daha sonra, soğutma sürecinde etkili parametreler değiştirilerek ısı transfer katsayısındaki değişimler analiz edilmiştir. Kanat durağan durumda incelendikten sonra, dönme etkisinin hareketli durumda soğutma tabakası üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Soğutma akışkanının sıcaklığı ve debi oranı, türbin kanatlarında laminer soğutma performansını belirleyen temel parametrelerdir. Durağan durumda, soğutma akışkanının sıcaklığının değiştirilmesinin kanat gövdesindeki ısı transfer katsayısında önemli bir değişikliğe neden olmadığı görülmüştür. Soğutma akışkanının sıcaklığı düşürüldüğünde, yalnızca kanadın basınç tarafındaki küçük bölgelerde hafif bir ısı transfer katsayısı azalması meydana gelmiştir. Soğutma akışkanının debisinin, ana sıcak akışın %1'i oranında artırılması, ısı transfer katsayısını azaltmada etkili olmuştur. Ancak debinin daha fazla artırılması durumunda, kanat gövdesinin bazı bölgelerinde ısı transfer katsayısı artışı gözlenmiştir. Dönel durumda, düşük ve orta dönme hızlarında soğutma akışkanının debisinin ana sıcak akışın %1,5'ine kadar artırılması ısı transfer katsayısını azaltmıştır. Buna karşın, yüksek dönme hızlarında debinin %1'e kadar artırılması yine ısı transfer katsayısını düşürürken, %1,5 oranında artırılması durumunda türbülans artışı nedeniyle kanat gövdesinin bazı bölgelerinde ısı transfer katsayısının yükseldiği görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Gas turbines have many applications in various industries. Increasing the inlet temperature in gas turbines will increase their efficiency. Due to the temperature limitation of the alloys used in the manufacture of gas turbines, a solution is needed to reduce the temperature of turbine components, especially turbine blades. Turbine blades are cooled internally and externally. In internal cooling, their temperature is reduced by passing cold fluid through the blades. In external cooling, the cool fluid prevents the hot flow from directly hitting the blade body by creating a protective layer. Due to the high difficulties and costs in carrying out experimental work, many numerical studies have been carried out in this field. In this numerical simulation, the geometric model was developed in CATIA, and the computational grid was generated using the Gambit software. The heat transfer coefficient at the blade tip has its highest value, which is why in the present study and most similar works, the cooling holes are located at the blade edge. Fluent software has also been used to solve the governing equations and analyse the flow. Due to the turbulent nature of the flow in turbomachines, the use of appropriate turbulence equations to model flow turbulence is one of the important issues in the thermal analysis of flows in turbines. In the present study, several turbulence models were first used to solve the problem in order to find an appropriate turbulence model. The turbulence models under investigation are the two-equation models k-ω and k-ε and the four-equation model of v^2 f. The accuracy of the results obtained has been confirmed by the values reported in experimental work. The best predictions were made by the k-ω-SST and v^2 f models, which did not use the turbulence model due to its high computational cost. Since the k-ω-SST turbulence model does not use the wall function, the need for an appropriate computational grid next to the blade boundary has increased the volume of the computational grid. The predictions made on the pressure side are in very good agreement with the experimental results, but on the suction side, due to the instabilities created in the flow, the results obtained do not agree well with the experimental results. In most of the experimental and numerical works carried out in this field, the turbine blades have been investigated as stationary and motionless, while in real conditions the turbine blades are rotating at high speed. In the present study, first, using the laboratory values reported for the boundary conditions, the thermal flow around the turbine blades in the presence and absence of laminar cooling was investigated. Then, by changing the effective parameters in cooling, how the heat transfer coefficient changes were investigated. After examining the blade in the stationary state, the effect of rotation on the cooling of the layer in the moving state was investigated. The temperature and flow rate of the cooling fluid are important parameters in the laminar cooling of turbine blades. In the stationary state, it has been shown that changing the temperature of the cooling fluid does not cause much change in the heat transfer coefficient on the blade body. By reducing the temperature of the cooling fluid, a slight decrease in the heat transfer coefficient is only caused in small areas of the pressure zone of the blade. Increasing the flow rate of the cooling fluid in the stationary state by up to 1% of the main hot flow is useful in reducing the heat transfer coefficient, while with a further increase in the flow rate of the cooling fluid, the heat transfer coefficient increases in parts of the blade body. In the moving state with low and medium rotation speeds, increasing the flow rate of the cooling fluid by up to 1.5% will reduce the heat transfer coefficient, while at high rotation speeds, increasing the flow rate of the cooling fluid by up to 1% of the main hot flow will reduce the heat transfer coefficient, and with a 1.5% increase in the cooling fluid in parts of the blade body, the heat transfer coefficient will increase due to increased turbulence.
Benzer Tezler
- Bell-crank tahrikli yakınsak nozul mekanizmasının tasarımı ve yapısal analizi
Design and structural analysis of a bell-crank driven convergent nozzle mechanism
BATUHAN AK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VEDAT ZİYA DOĞAN
- Aerothermodynamics of turbine blade trailing edgecooling
Türbin kanadı firar kenarı soğutmasının aerotermodinamiği
TUĞBA TUNÇEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiDR. ÖĞR. ÜYESİ HARİKA SENEM KAHVECİ
- Gaz türbinlerinde su/buhar enjeksiyonunun termoekonomik performans ve emisyonlar üzerindeki etkisinin incelenmesi ve optimizasyonu
Effects of water/steam injection on the thermoeconomic performance and emissions of gas turbines and their optimization
HASAN KAYHAN KAYADELEN
Doktora
Türkçe
2014
Gemi MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YASİN ÜST
- Classification, prediction and state estimation algorithms for predictive maintenance
Kestirimci bakım için sınıflandırma, tahmin ve durum kestirimi algoritmaları
UĞUR YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2026
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN AFŞER