Farklı jet geometrili dikdörtgen kesitli kanallarda ısı transferinin termokromik sıvı kristal metodu ile deneysel incelenmesi
Experimental investigation of heat transfer in rectangular section channels with different jet geometries by the thermochromic liquid crystal method
Yazar: METİN SÖZBİR
Danışman: DOÇ. DR. ÜNAL UYSAL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi modeli = Heat transfer model ; Isı iletim denklemi = Heat conduction equation ; Sıvı kristaller = Liquid crystals

Özet:
Gaz türbinleri enerji santrellerinde, uçaklarda ve helikopterlerde kullanılan enerji üreten makinalardır. Gaz türbinlerinin termal verimi ve çıkış gücünü iyileştirmek için yüksek sıcaklıkta (≈2000°C) türbin giriş sıcaklığına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sıcaklıklar gaz türbin kanatlarında güvenli çalışma sıcaklığının üzerindedir. Bu nedenle gaz türbinlerinin herhangi bir arızaya sebep vermemesi için farklı metodlarla soğutulması gerekmektedir. Gaz türbinine giren hava kompresöründen yanma odasına, bir miktarı da iç ve dış kanallara yönlendirilerek birincil ve ikincil kanatlar üzerinde soğutma işleminde kullanılır. Dizi sıralı çarpmalı jetler, yüksek oranda ısı taşınımının gerekli olduğu gaz türbin kanadının hücum kenarı bölgesinin soğutulmasında yaygın olarak kullanılır. Gaz tübin kaanatlarının soğutulmasında çarpmalı jet, film, rip ve pinli soğutma metotları kullanılmaktadır. Bu çalışmada dört farklı Reynolds sayısı için termokromik sıvı kristal (TLC) metoduyla, gaz türbin kanadı iç kanal modeli üzerinde daire, kare ve eşkenar üçgen tipli beş sıra dizilimli toplam elli adet düzenli dağıtılmış çarpmalı jet kullanılarak kanal yüzeyindeki ısı taşınım katsayısı dağılımı deneysel olarak araştırılmıştır. Deneysel veriler kullanılarak jet geometrisinin, jet çapının, jet-hedef plaka aralığının ve Re sayısının, jetlerin plaka üzerinde sıralı dizilimin yüzey ısı taşınım katsayısına etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda; Re sayısının artırılması ile akış yönü doğrultusunda ısı taşınım katsayısı dağılımının arttığı görülmüştür. Tüm çarpmalı jet boyutlarında ısı taşınım katsayısı dağılımının eş eğrilerine ve rakamsal değerlere bakıldığında sırasıyla eşkenar üçgen, kare ve daire tipli çarpmalı jetlerde yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca jet-hedef plakası aralığı ve jet hidrolik çaplarının artırılması ile durağan bölgelerin artmış olduğu tespit edilmiştir. Hedef plaka üzerindeki yerel ısı taşınım katsayısı eş eğrileri; jet distorsiyonunun oluşumunda türbülanslı akışın ve çoklu dizili çarpmalı jetlerden gelen çapraz akışın etkisinin güçlü olduğunu göstermiştir. Jet-hedef plaka aralığının arttırılmasının ısı taşınım katsayısı değerinde azalmaya neden olduğu tespit edilmiştir. Hedef plaka yüzeyi üzerinde görülen jet distorsiyonuna bağlı eliptik desenler incelendiği zaman küçük hidrolik çaplı çarpmalı jetlerde ortalama ısı taşınım katsayısı (hort) etkisinin daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Deneysel çalışmada kullanılan çarpmalı jetlerin tümünde hız kanal boyunca eksponansiyel olarak azalmıştır. Hızın azalmasına bağlı olarak ısı taşınım katsayısınında azaldığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Gas turbines are energy generating machines used in power plants, airplanes and helicopters. A high temperature (≈2000°C) turbine inlet temperature is needed to improve the thermal efficiency and output power of gas turbines. These temperatures are above the safe operating temperature in gas turbine blades. For this reason, gas turbines must be cooled by different methods in order not to cause any malfunctions. The entering air to the gas turbine is directed from the compressor to the combustion chamber, and some of it is directed to the inner and outer channels, and is used in the cooling process on the primary and secondary blades. Array sequential impingement jets are commonly used for cooling the leading edge region of the gas turbine blade where high heat transfer is required. Impact jet, film, rip and pin cooling methods are used for cooling gas turbine blades. In this study, the heat transfer coefficient distribution on the channel surface was investigated experimentally by using the thermochromic liquid crystal (TLC) method for four different Reynolds numbers, using a total of fifty regularly distributed impingement jets of circle, square and equilateral triangle type on the gas turbine blade inner channel model. Using the experimental data, the effects of jet geometry, jet diameter, jet-target plate spacing and Re number on the surface heat transfer coefficient of the sequential arrangement of the jets on the plate were investigated. As a result of experimental studies; It has been observed that the distribution of heat transfer coefficient in the direction of flow increases with increasing Re number. Considering the iso-curves and numerical values of the heat transfer coefficient distribution in all impingement jet sizes, it was observed that it was higher in equilateral triangle, square and circle-type impingement jets, respectively. In addition, it was found that the stationary regions increased with increasing jet-target plate spacing and jet hydraulic diameters. Isometric curves of local heat transfer coefficient on the target plate was showed that the effect of turbulent flow and cross flow from multiple-array impingement jets is strong on the formation of jet distortion. It has been detected that increasing the jet-target plate spacing causes a decreasing in the heat transfer coefficient value. When the elliptical patterns connected with the jet distortion on the target plate surface are examined, it has been found that the effect of the average heat transfer coefficient (hort) is higher in impinging jets with small hydraulic diameters. In all of the impinging jets used in the experimental study, the velocity was decreased exponentially along the channel. It has been found that the heat transfer coefficient decreases depending on the decrease in the velocity.