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
Yazar: ESRA YILDIZ
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM CAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ FERHAT KOCA
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Gaz türbini = Gas turbine ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Nervür = Ribbed ; Optimum tasarım = Optimum design

Özet:
Bu tez çalışmasında, yüksek sıcaklıklara maruz kalan gaz türbini sabit ve hareketli kanatlarının soğutulması için kullanılan kanalların yapısal geometrilerinin etkileri incelenmiştir. Sabit ve hareketli kanatlar gibi gaz türbini sıcak bölge elemanlarının soğutulması kanatların daha yüksek sıcaklık ve mekanik yükler altında çalışmasını mümkün kılmaktadır. Gaz türbin kanadının benzeşim metoduyla 10 farklı tipte nervürlü kanal kullanılarak soğutulması amaçlanmıştır. 4:1 en boy oranına sahip dikdörtgen bir soğutma kanalındaki termal performansları iyileştirmek için tasarlanan standart ve kademeli düzenlemelere sahip çatı, ters çatı, yamaç ve takoz tipi nervürler incelenmiştir. Kare tipi nervür, termal karşılaştırmalar yapmak için temel geometri tasarlanmıştır. Türbülanslı akış detayları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak standart k-ε türbülans modeli ile sayısal hesaplamalar yapılmıştır. Nervürlü duvarlarda ısı transferi kanal giriş kesitine göre; 10000, 20000, 40000 ve 80000 olmak üzere dört farklı Reynolds (Re) sayısında incelenmiştir. Hesaplamalar sonucunda Re sayısına bağlı olarak çalışma şartlarında türbin kanadındaki sıcaklık değişimi, kanat içerisindeki kanallarda meydana gelen ısı transferi değişimleri ve genel termal performans karşılaştırılmıştır. Çalışmada değerlendirilen farklı tip nervürler kare standart nervür ile karşılaştırıldığında; sırasıyla takoz kademeli nervür, çatı kademeli nervür, yamaç kademeli nervür ve ters çatı kademeli nervürde daha yüksek Nu sayısı elde edilmiştir. Takoz kademeli bir nervürün, genel termal performansı artırabildiği, türbin kanatlarının dahili soğutulmasındaki uygulamalar için umut verici olduğu gözlemlenmiştir. Re=10000 ve Re=20000 değerlerinde ters çatı kademeli nervür, takoz kademeli nervüre göre sırasıyla %3,62 ve %4,34 daha yüksek temel performans sağlarken Re=40000 değerinde yaklaşık termal performans sağladığı sonucuna ulaşılmaktadır. Re=80000 değerinde ise takoz kademeli nervürün ters çatı kademeli nervüre göre %3,37 daha yüksek termal performans sağlamıştır. Tüm modellerin en iyi çalışma aralığının Re=40000 ve Re=80000 arasında olduğu belirlenmiştir. En iyi termal performans faktörü (PEC) sonuçları takoz kademeli nervür modelinde elde edilmiştir.

Abstract:
In this research study, the effects of the structural geometries of the channels used for cooling the fixed and movable blades of the gas turbine exposed to high temperature were investigated. Cooling of gas turbine hot zone elements such as fixed and movable blades make it possible for the blades to operate under higher temperatures and mechanical loads. It is aimed to cool the gas turbine blade using 10 different types of ribbed channels by the analogy method. Roof, inverted roof, slope and chock-type ribs with standard and staggered arrangements designed to improve thermal performances in a rectangular cooling duct with a 4:1 ratio aspect was studied. Square type rib, the basic geometry is designed to make thermal comparisons. The turbulent flow details were calculated numerically with the standard k-ε turbulence model using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The heat transfer in ribbed walls was examined in four different Reynolds (Re) numbers, 10000, 20000, 40000 and 80000 according to the channel input cross section. As a result of the calculations, the temperature change in the turbine blade under operating conditions, the heat transfer changes occurring in the channels inside the blade and the overall thermal performance were compared depending on the number of Re. The different types of ribs evaluated in the study were compared with the square standard rib; higher Nu number was obtained in chock staggered rib, roof staggered rib, slope staggered rib and inverted roof staggered rib, respectively. It has been observed that a chock- staggered rib can improve overall thermal performance and is promising for applications in internal cooling of turbine blades. At Re=10000 and Re=20000 values, inverted roof staggered rib provides 3,62% and 4,34% higher basic performance compared to chock staggered rib, respectively, while it is concluded that it provides approximate thermal performance at Re=40000. If Re=80000, the chock staggered rib provided 3,37% higher thermal performance compared to the inverted roof staggered rib. It was determined that the best working range of all models was between Re=40000 and Re=80000. The best Performance Evaluation Criteria (PEC) results were obtained in the chock staggered rib model.