Rotor-stator boşluklarında radyal içe doğru akışın incelenmesi
Investigation of radial inward flow in rotor-stator cavities
Yazar: MUSTAFA CEM SERTÇAKAN
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU ; DR. ERİNÇ ERDEM
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Jet motorları = Jet engines ; Turbo jet motoru = Turbojet engine ; Uçak motorları = Aircraft engines

Özet:
Radyal kompresörlü gaz türbinli motorlarda kompresör çark arkasındaki rotor-stator boşluklarında motor genelindeki soğutma, basınçlandırma ve süpürme için gerekli akışın transferini sağlar ve ayrıca eksenel yükü dengeler. Bu rotor-stator boşluklarındaki akışın karakteristiği, çark ucundaki ve sızdırmazlık elemanındaki debilerin dağılımında etkin rol oynar. Çark arkası rotor-stator boşluklarında, çark ucu kaçağı genelde radyal içe yönlüdür ve alt yarıçap bölümlerinde keçe kaçağı ile birleşerek soğutma ve basınçlandırma görevlerini yerine getirmek için türbin ve karter gibi bölümlere doğru yönlendirilir. Bu sebeple rotor-stator boşluklarındaki akış karakteristiğini oluşturan hız ve basınç dağılımının ilgili geometrik ve çalışma parametrelerine bağlı olarak belirlenmesi gaz türbinli motorların tasarımı için kritiktir. 
Bu tezin konusu olan rotor-stator boşluklarındaki akış karakteristiği; geometrik olarak boşluk oranının (G) ve çalışma şartları olarak giriş teğetsel hız oranının (β1), teğetsel Reynolds Sayısının (Reθ) ve türbülans akış parametresinin (ʎt) fonksiyonudur. Bu tez kapsamında, bu akış karakteristiğinin bu parametreler cinsinden değişimi sayısal olarak 1-boyutlu akış ağı çözümü ile ve 2-boyutlu eksenel-simetrik HAD analizleri ile belirlenmiştir. Sayısal çalışmalar, literatürde bulunan rig testleri ile ve tez kapsamına yönelik olarak laboratuvar ortamında yapılan motor yer testleri ile doğrulanmıştır. Motor ve rig testlerinde farklı yarıçaplarda ve farklı motor çalışma şartlarında boşluk içindeki statik basınç ve toplam sıcaklık ölçümleri alınmıştır. 
Sayısal çalışmanın 1-boyutlu analiz çözümünde boşluğu oluşturan elemanlar için literatürde bulunan korelasyonlar kullanılarak çözümler yapılmıştır. 2-boyutlu eksenel simetrik HAD analizleri, ilgili geometrik ve sınır şartı konfigürasyonları için gerçekleştirilmiştir. 
Literatürde yaygın kullanılan korelasyonlarda modifikasyon yapılarak 1-Boyutlu analiz ve 2-Boyutlu HAD analizi arasındaki farklar azaltılmıştır. Bu doğrultuda, literatürdeki korelasyon, rotor-stator boşlukları için en kritik parametre olan türbülans akış parametresine (ʎt) bağımlı hale getirilerek düzeltilmiştir. Yapılan düzeltme işlemi sonrasında 1-B analiz sonucu, HAD analizi (ve test) sonucuyla daha uyumlu hale getirilmiştir.
Basit boşluk ve çark arkası boşluk olmak üzere iki geometri için analizler gerçekleştirilmiştir. Basit boşluk analizlerinde, literatür ile uyumlu olacak şekilde geometrik düzensizlik içermeyen, düzgün dörtgen bir rotor-stator geometrisi için boşluk oranının (G), giriş teğetsel hız oranının (β1), teğetsel Reynolds Sayısının (Reθ) ve türbülans akış parametresinin (ʎt) etkisi 3'er parametre alınarak incelenmiştir. Basit boşluk analizlerinde kritik parametre olarak, debi ve rotor dönüş hızı terimlerini içeren ʎt'nin olduğu belirlenmiştir. Rotor-stator boşluğunun karakteristiğine, G ve β1 etkilerinin görece sınırlı kaldığı tespit edilmiştir. G'nin etkisi %0.3, β1'in etkisi %3, Reθ'nın etkisi %12, ʎt'nın etkisi %38 mertebelerindedir.
Çark arkası boşluk analizlerinde ise, gaz türbinli motorlarda kullanılan, görece yamuk şekilli ve bağlantılı olduğu diğer aparatlar kaynaklı geometrik bozukluklar içeren bir boşluk ele alınmıştır. Çark arkası boşluk için teğetsel Reynolds Sayısının (Reθ), tip türbülans akış parametresinin (ʎt,tip) ve CDP türbülans akış parametresinin (ʎt,CDP) etkisi 3'er parametre alınarak incelenmiştir. Yapılan değerlendirmelerde, çark arkası rotor-stator boşluğunun etkili parametre olarak, ʎt,tip olduğu tespit edilmiştir. ʎt,CDP etkisinin rotor-stator boşluğunun genelinde karakteristiğe etkisinin sınırlı bir bölge için geçerli olduğu tespit edilmiştir. Reθ'nın etkisi %6, ʎt,CDP'nin etkisi %3, ʎt, tip'in etkisi %49 mertebelerindedir.

Rotor-stator boşluğu üzerinden geçen havanın teğetsel hız oranı, basınç, sıcaklık ve bu parametrelerin değişiminin motorun performansı, güvenliği ve maliyetini doğrudan etkilemektedir. Tez kapsamında doğrulanmış HAD analiz modeli ve geliştirilen korelasyon ile gaz türbinli motorun tasarımı esnasında tasarımcıya rotor-stator boşluğunun karakteristiğinin belirlenmesi konusunda kıymetli bilgiler sağlanmaktadır.

Abstract:
Impeller backface cavities provide transfer of flows required for cooling, pressurisation and purge and balance axial load in gas turbine engines with radial compressors. In impeller backface rotor-stator cavities, tip leakage is generally radial inwards and is combined with seal leakage in lower radius sections and directed towards turbine, sump to perform cooling, and pressurising duties. The characteristics of flow play an active role in flows distribution at tip and sealing element. For this reason, it is critical for gas turbine engines design to determine velocity and pressure distributions that determine flow characteristics in rotor-stator cavities depending on relevant geometrical and operating parameters. 
The flow characteristics in rotor-stator cavities, gap ratio (G) as a geometric parameter and inlet swirl ratio (β1), tangential Reynolds Number (Reθ) and turbulent flow parameter (ʎt) as operating conditions. Within the scope of this thesis, variation of flow characteristics in terms of critical parameters is determined numerically by 1-D flow network which were performed using correlations in literature and 2-D axial-symmetric CFD analyses for relevant geometric and boundary conditions. The numerical studies were validated with rig tests in literature and engine ground tests performed in laboratory environment for scope of thesis. Critical measurements were taken in cavity tests at different radii and under different engine operating conditions. 
By modifying correlations commonly used in literature, differences between 1-D analysis and 2-D CFD analysis were reduced. Correlation in literature was corrected by making it dependent on turbulent flow parameter (ʎt), which is most critical parameter for rotor-stator cavities. After correction process, 1-D analysis result is more compatible with CFD analysis (and test) result.
Analyses were performed for two geometries: simple cavity and impeller backface cavity. In simple cavity analyses, effect of gap ratio (G), inlet swirl ratio (β1), tangential Reynolds Number (Reθ) and turbulent flow parameter (ʎt) for a smooth rectangular rotor-stator geometry without geometrical irregularities was examined by taking 3 parameters each in accordance with literature. It is observed that ʎt is critical parameter in simple cavity analyses. Effects of G and β1 on characteristics of rotor-stator cavity are found to be relatively limited. Effect of G, β1 Reθ and ʎt are around 0.3%, 3%, 12%, and 38%, respectively.
A cavity, which has relatively trapezoidal shape and contains geometrical defects due ito connections and other parts, is considered in impeller backface cavity analyses. Effects of tangential Reynolds Number (Reθ), tip turbulent flow parameter (ʎt,tip) and CDP turbulent flow parameter (ʎt,CDP) for impeller backface cavity are analysed by taking 3 parameters each. ʎt,tip is critical parameter in rimpeller backface cavity analyses. The effect of ʎt,CDP on the characteristics of the rotor-stator cavities in general is found to be valid for a limited region. Effect of Reθ ʎt,CDP, and ʎt,tip are around 6%, 3%, and 49%, respectively.
Cavity characteristic directly affect performance, safety and cost of engine. Validated CFD model and improved correlation provide valuable information to designer to determine characteristics of the rotor-stator cavities during gas turbine engine design.