title: Investigation of particles deposition on gas turbine blades
title: Μελέτη εναπόθεσης σωματιδίων σε πτέρυγα αεριοστροβίλων
Creators: name: Γουσοπουλος Φωτιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: Turbine blades’ wear is a frequent phenomenon, mainly because of the high temperatures occurring in that area (temperatures above the melting point of any metal used to make the blades), usually combined with mechanical fatigue, due to increased operating speeds of the corresponding rotors. Frequently, however, the phenomenon of premature (in some cases before 50% of the expected operating limit) irreversible wear is observed, which obviously entails considerable cost, both economically and operationally (when referred to aircraft engines or gas turbines). This phenomenon, the initial wear of the outer, usually ceramic, surface and the subsequent wear of the blade metal itself, is called erosion and its study is the purpose of this diploma thesis. Numerous bibliographic references associate the erosion formation with the deposition of particles, transported through the air compressed by the engine, into the blades and coming either from the outside environment (dust, salt, etc.) or from the engine environment itself (combustion defects, lubricants etc.). In the first part, the mechanisms of erosion formation are presented, along with methods to prevent and partially address the phenomenon, as reflected in various bibliographical references. In the second part, flow analysis of a typical fan-shaped cooling hole, with the use of CFD, is performed. This study is carried out for various blowing ratios, for the purpose of obtaining a more detailed view of the cooling system behavior. Afterward, a comparison of the obtained results with other similar simulation or experimental results is performed for validation purposes.
description: Η φθορά των πτερυγίων στροβίλου είναι ένα φαινόμενο συχνό, κυρίως λόγω των υψηλών θερμοκρασιών του καυσαερίου σε εκείνη την περιοχή του κινητήρα (θερμοκρασίες υψηλότερες απο το σημείο τηξης οποιουδήποτε μετάλλου χρησιμοποιείται για την κατασκευή πτερυγίων), που συνήθως συνδυάζεται με υψηλή μηχανική κόπωση λόγω των αυξημένων στροφών λειτουργίας των περιστρεφόμενων πτερυγώσεων. Πολλές φορές παρατηρείται όμως το φαινόμενο της κατά πολύ πρόωρης (σε ορισμένες περιπτώσεις πριν συμπληρωθεί το 50% του προβλεπόμενου ορίου λειτουργίας), μη αναστρέψιμης φθοράς, που όπως είναι προφανές επιφέρει υψηλό κόστος και απο οικονομικής άποψης αλλά και απο τη πλευρά της επιχειρησιακής διαθεσιμότητας (όταν αναφερόμαστε σε κινητήρες αεροσκαφών ή επίγειους αεριοστροβίλους). Το φαινόμενο αυτό της φθοράς, πρώτα της εξωτερικής, συνήθως κεραμικής επιφάνειας, και αργότερα του ίδιου του μετάλλου των πτερυγίων, ονομάζεται διάβρωση και σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη του.
Πληθώρα βιβλιογραφικών αναφορών συσχετίζουν τη δημιουργία διαβρώσεως με την επικάθιση σωματιδίων, που μεταφέρονται μέσω του αέρα που συμπιέζεται απο τον κινητήρα στα πτερύγια και προέρχονται είτε απο το εξωτερικό περιβάλλον (σκόνη, αλάτι, κλπ.), είτε από το ίδιο το περιβάλλον του κινητήρα (ατέλειες καύσης, λιπαντικα, κ.λπ.). Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας παρουσιάζονται οι μηχανισμοί δημιουργίας της διαβρώσεως, αλλά και τρόποι πρόληψης και μερικής αντιμετώπισης του φαινομένου, όπως έχουν αποτυπωθεί απο διάφορες βιβλιογραφικές αναφορές.
Στο δεύτερο μέρος, πραγματοποιείται η ανάλυση της ροής σε μια τυπική οπή ψύξης πτερυγίου στροβίλου (fan – shaped cooling hole) με χρήση λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD). Η μελέτη αυτή διεξάγεται για διάφορους λόγους μέσων ταχυτήτων αέρα ψύξης - καυσαερίων (blowing ratios), με σκοπό την όσο λεπτομερέστερη παρατήρηση της συμπεριφοράς του συστήματος ψύξης. Στη συνέχεια, πραγματοποείται σύγκριση των αποτελεσμάτων της μελέτης με προσομοιώσεις και πειραματικά αποτελέσματα, ούτως ώστε να επιβεβαιωθεί η εγκυρότητα τους.