Jet motor türbin kanatları soğutma metotlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği yardımıyla incelenmesi
Investigation of jet engine turbine blade cooling methods with the aid of computational fluid dynamics
Yazar: İSMAİL TUNÇİL
Danışman: PROF. DR. MUTLU TARIK ÇAKIR
Sivas Bilim ve Teknoloji Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Gaz türbini = Gas turbine

Özet:
Gaz türbinlerinin verimi ve üretilen güç, türbin kanatlarının ısıl dayanımıyla doğrudan 
ilişkilidir. Isıl dayanım arttıkça, türbin giriş sıcaklığının da artırılması mümkün hale gelir, 
bu da daha yüksek verim ve güç üretimi sağlar. Son yıllarda türbin çalışma sıcaklıkları 
yaklaşık 2000 K değerlerine ulaşmıştır. Türbin çalışma sıcaklıklarının artırılmasıyla daha 
güçlü ve verimli jet motorlarının elde edilmesi mümkün olmuştur. Ancak, türbin kanatlarının 
üretildiği malzemenin ısıl dayanımı, sıcaklık artışını kısıtlayan önemli bir faktördür. Sunulan 
tez çalışmasında, türbin kanatlarında uygulanan soğutma yöntemleri incelenmiş ve 
hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri gerçekleştirilmiştir. Film soğutma performansını 
en çok etkileyen altı parametre olarak delik çapı, delik şekli, üfleme açısı, soğutucu hızı, 
soğutucu sıcaklığı ve türbülans yoğunluğu seçilmiştir. Bu parametreler farklı değerlerde 
analiz edilerek türbin kanadı sıcaklık değişimi ve film soğutma etkinlik değeri sonuçları 
değerlendirilmiştir. NASA tarafından yapılmış deneysel çalışmalardaki veriler referans 
alınarak C3X türbin kanadı üzerinde yapılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, 
ANSYS FLUENT 2023 R2 yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları, 
NASA'nın '44344' numaralı deneysel çalışması ile kıyaslanarak doğrulanmıştır. Sunulan 
çalışmada, k-ω SST türbülans modeli kullanılmıştır. Analizler neticesinde incelenen 
parametrelerden, Üçgen delik şekli, -45° üfleme açısı, 2mm delik çapı, 500K soğutucu 
sıcaklığı, 0,01595 kg/s soğutucu hızı, %0,5 türbülans yoğunluğunun kullanıldığı kanat 
tasarımları en yüksek film soğutma etkinlik değerini sağlamıştır.

Abstract:
The efficiency of gas turbines and the power generated are directly related to the thermal 
endurance of the turbine blades. As the thermal endurance increases, it becomes possible to 
increase the turbine inlet temperature, which results in higher efficiency and power 
generation. In recent years, turbine operating temperatures have reached about 2000 K. By 
increasing turbine operating temperatures, it has been possible to obtain more powerful and 
efficient jet engines. However, the thermal strength of the material from which the turbine 
blades are manufactured is an important factor limiting the temperature increase. In the 
present thesis, cooling methods applied to turbine blades are investigated and computational 
fluid dynamics analyses are performed. Hole diameter, hole shape, spanwise angle, coolant 
rate, coolant temperature and turbulence intensity were selected as the six parameters that 
most affect the film cooling performance. These parameters were analysed at different 
values and the results of turbine blade temperature variation and film cooling effectiveness 
values were evaluated. Computational fluid dynamics analyses on the C3X turbine blade 
were performed using ANSYS FLUENT 2023 R2 software with reference to data from 
NASA experimental studies. The results of the analyses are validated by comparing with 
NASA's experimental study numbered '44344'. In the presented study, k-ω turbulence model 
is used. As a result of the analyses, the blade designs with triangle hole shape, -45°  blowing 
angle, 2mm hole diameter, 500K coolant temperature, 0,01595 kg/s coolant velocity and 
0,5% turbulence intensity provided the highest film cooling effectiveness value.