Gaz türbini kanatçıklarının hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of gas turbine blades
Yazar: EMRE YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. HALİT KARABULUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Otomotiv Mühendisliği = Automotive Engineering
Dizin: Gaz türbini = Gas turbine ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Kanat profili = Airfoil ; Kanatçıklar = Blades

Özet:
Gaz türbini kanatçıklarının tasarımı, türbin performansını belirleyen en önemli unsurlardan biridir. Türbin kanatçıklarının tasarımı çok disiplinli bir tasarım sürecidir. Bu çalışmada, türbin kademesinin ön tasarım ölçülerini belirlemek için orta çizgi akış tasarımı yöntemi kullanılarak bir aerotermodinamik analiz modeli geliştirilmiştir. Türbin kademesindeki kayıplar Soderberg korelasyonu ile tahmin edilmiştir. Rotor kanatçıklarının optimizasyonunda türbin kademesine ait verim, güç, tork, kademe yükleme katsayısı, akış katsayısı, reaksiyon derecesi ve Mach sayısı dikkate alınmıştır. Stator kanatçığının çıkış açısı, kanatçıkların eksenel kord uzunluğu ve kanatçıklar arasındaki mesafe gibi geometrik parametrelerin yanı sıra kütlesel debi ve türbin dönüş hızı gibi çalışma parametrelerinin türbin performansı üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Geliştirilen modelde, iki boyutlu kanatçık profilleri kamber eğrisi kalınlık dağılımı ve on bir parametre yöntemleri kullanılarak elde edilmiştir. Kanatçıkların uç ve dip profilleri serbest girdap teorisi ile hesaplanan açılar doğrultusunda oluşturulmuştur. Dip, orta ve uç kısımdaki kanatçık profilleri birleştirilerek üç boyutlu kanatçık modelleri çizilmiştir. Kanatçık profilleri üç boyutlu, viskoz ve türbülanslı akış şartlarında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile analiz edilmiştir. Rotor kanatçığının teğetsel kord uzunluğu, ön kenar kalınlığı ve ön kenar profili yapısının, Mach sayısı, basınç, hız ve sıcaklık üzerine etkileri incelenmiştir. Tasarlanan on beş farklı kanatçık modelinin HAD analizi ile tespit edilen sonuçlar, orta çizgi akışı analiz modeli ile hesaplanan performans değerlerine oldukça yakın çıkmıştır. Ön tasarım aşamasında orta çizgi akışı tasarımı yapılmasının tasarım hızı ve doğruluğu açısından avantajlı olduğu görülmüştür.

Abstract:
The design of gas turbine blades is one of the most important factors determining turbine performance. The design of turbine blades is a multidisciplinary design process. In this study, an aerothermodynamic analysis model was developed using the meanline flow design method to determine the preliminary design dimensions of the turbine stage. The losses in the turbine stage were estimated by the Soderberg correlation. In the optimization of rotor blades, efficiency, power, torque, stage loading coefficient, flow coefficient, reaction degree and Mach number of the turbine stage were taken into consideration. In addition to geometric parameters such as the outlet angle of the stator blade, the axial cord length of the blades and the distance between the blades, the effects of operating parameters such as mass flow and turbine rotation speed on turbine performance were determined. In the developed model, two-dimensional blade profiles are obtained using camber line thickness distribution and eleven parameters methods. The tip and bottom profiles of the blades are formed in accordance with the angles calculated by the free vortex theory. Three-dimensional blade models were created by combining the blade profiles at the bottom, middle and tip. The blade profiles were analyzed by Computational Fluid Dynamics in three-dimensional, viscous and turbulent flow conditions. The effects of tangential cord length, leading edge thickness and leading edge profile structure of the rotor blade on Mach number, pressure, velocity and temperature were investigated. The results determined by CFD analysis of the fifteen different blade models designed were quite close to the performance values calculated by the meanline flow analysis model. It has been seen that meanline flow design in the preliminary design phase is advantageous in terms of design speed and accuracy.