Gaz türbinli motorlarda kullanılan labirent keçelerdeki aşınmış diş geometrisinin sızdırmazlık performansına etkisinin had analizi ile incelenmesi
CFD investigation of labyrinth seal worn teeth tip effects on leakage performance in gas turbines
Yazar: MUSTAFA CEM SERTÇAKAN
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Uçak motoru ve diğer turbomakinalarda sızdırmazlık elemanı olarak yaygın kullanılan labirent keçeler, özellikle manevra ve devreye giriş ve çıkış süreçlerindeki geçici operasyon rejimleri esnasında sürtünme nedeniyle aşınır ve kalıcı diş hasarıyla karşılaşır. Aşınmış diş, sızdırmazlık performansının öngörülemeyen şekilde düşmesine neden olur. Motordaki geçici operasyon rejimine bağlı olarak rotor ve stator arasındaki açıklık öngörülen labirent keçe açıklığından fazla kapandığında, labirent keçe dişlerinin yerleştirildiği rotor/stator karşısındaki stator/rotor sürtünme sonucu aşınır. Bu aşınma ile düzgün köşeli labirent diş ucu geometrisinin genellikle mantar veya yuvarlatılmış şekilde bir diş ucu geometrisine dönüştüğü motor bakımlarında gözlenmiştir. Bu diş ucu aşınmaları ile sızdırmazlık performansı ve dolayısıyla motor performansı ve verimi, motor tasarımında öngörülemeyen bir şekilde kalıcı olarak düşer. Kaçak debideki %1 artışın sivil havacılıkta kullanılan motorların özgül yakıt sarfiyatında %0,1 artışa ve itme kuvvetinde %0,8 azalışa, askeri alanda kullanılan motorların özgül yakıt sarfiyatında %0,3 artışa ve itme kuvvetinde %1 azalışa neden olduğu konusunda literatürde bilgiler bulunmaktadır. Öngörülemeyen performans kaybına neden olan mantar diş ve yuvarlatılmış diş aşınmaları ile ilgili literatürdeki bilgiler oldukça sınırlıdır. 
Bu tez kapsamında; genellikle uçak motorlarındaki labirent keçe uygulamalarında karşılaşılan mantar diş ve yuvarlatılmış diş olmak üzere iki aşınma geometrisinin sızdırmazlık performansı üzerindeki etkileri HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizi ile incelenmiştir. Ayrıca sızdırmazlık elemanlarının test düzeneklerinde testleri gerçekleştirilerek HAD analiz modeli doğrulanmıştır.
Tezin amacı labirent keçelerde aşınmış diş geometrilerinin kaçak debiye etkilerinin belirlenmesidir. Bu amaçla aşağıda listelenen 3 farklı diş geometrisi incelenmiştir: Düz Diş, Mantar Diş, Yuvarlatılmış Diş.
İlk olarak; aşınmamış düz diş analizleri gerçekleştirilmiştir ve labirent keçe kaçak debileri hesaplanmıştır. Bu amaçla, dört farklı parametrenin (açıklık, basınç oranı, diş sayısı ve rotor dönüş hızı) kaçak debi üzerindeki etkisi belirlenmiştir. İncelenen parametreler ve değişim aralıkları; açıklık (cr=0,254-2,032mm), basınç oranı (Rp=1,5-3,5), diş sayısı (nt=1-12) ve rotor dönüş hızı (n=0-80 krpm) şeklindedir.
Mantar diş analizlerinde beş adet etkin parametre; mantar yarıçapı (R=0-0,508mm), açıklık (cr=0,254-2,032mm), basınç oranı (Rp=1,5-3,5), diş sayısı (nt=1-12) ve rotor dönüş hızı (n=0-80 krpm) uygulamada karşılaşılan aralıklarda değiştirilerek, labirent keçenin kaçak debisi hesaplanmıştır. 
Yuvarlatılmış diş analizleri için ise altı adet etkin parametre; oyuk derinliği-genişliği (0,000-0,000mm; 0,600-0,508mm), açıklık (cr=(-0,254)-0,254mm), basınç oranı (Rp=1,5-3,5), diş sayısı (nt=1-12) ve rotor dönüş hızı (n=0-80 krpm) uygulamada gözlenen aralıklarda değiştirilerek kaçak debi hesaplanmıştır. 
HAD analizleri, 2-Boyutlu eksenel simetrik koordinatlar kullanılarak sıkıştırılabilir türbülanslı akış için gerçekleştirilmiştir. HAD analizleri, literatürde deneysel sonuçları yayınlanmış bazı uygulamalar ile karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Ayrıca, HAD analizlerinden elde edilen kaçak debiler literatürde ve uygulamada yaygın kullanılan labirent keçe korelasyonları ile ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.
Düz diş uygulamalarında; kaçak debinin açıklık, basınç oranı, diş sayısı ve rotor dönüş hızının fonksiyonu olarak değişimi belirlenmiştir. Tüm diş sayıları için, artan açıklık ve basınç oranı kaçak debiyi artırmaktadır. Artan diş sayısı belli bir değere kadar etkin şekilde kaçak debiyi düşürmektedir. Düşük devir sayılarında kaçak debi ihmal edilecek seviyede azalmaktadır. 
Mantar diş aşınmasının oluşması durumlarında, aşınmadan kaynaklı açıklık artışı göz ardı edildiğinde dahi, mantar dişin düz dişe göre daha yuvarlak geometrik formundan dolayı kaçak debi de artış görülmüştür. Bu kaçak debi artışı; mantar diş etrafındaki akışta, daha düşük vena-contracta etkisinin yanı sıra akış ayrılması ve akış çalkantılarının da daha düşük seviyelerde olmasından kaynaklanmaktadır. Aşınmadan kaynaklı açıklık artışı dâhil edildiğinde ise kaçak debideki artış daha etkin olmaktadır. Mantar diş geometrisi için, diş sayısı ve rotor dönüş hızının da kaçak debi üzerindeki etkileri belirlenmiştir.
Yuvarlatılmış diş aşınmalarında, yüksekten düşüğe doğru kaçak debi sıralaması, sığ-geniş oyuklu, derin-geniş oyuklu, derin-dar oyuklu, sığ-dar oyuklu, oyuksuz yuvarlatılmış ve düz diş şeklindedir.
Belirtilen iki aşınma çeşidi için yüksekten düşüğe doğru kaçak debi sıralaması, mantar dişli labirent keçe, oyuksuz yuvarlatılmış dişli labirent keçe ve düz dişli labirent keçe şeklindedir.
Mantar diş (açıklık artışı olmadan) kaçak debisi düz dişe göre; cr=0,127 mm, cr=0.254 mm ve cr=0,508 mm açıklıklar için sırasıyla %15,9, %22,1 ve %19,6 daha fazla gerçekleşmiştir. Bu oranlar mantar diş aşınması gerçekleşirken aşınma sonucu dişin eriyerek açıklığın artması durumunda daha da artacaktır.
Yuvarlatılmış diş (oyuksuz) kaçak debisi düz dişe göre; cr=0,127 mm, cr=0.254 mm ve cr=0,508 mm açıklık için sırasıyla %15,9, %10,1 ve %7,3 daha fazla gerçekleşmiştir. Bu oranlar yuvarlatılmış diş aşınması gerçekleşirken karşı yüzeyde oyuk oluşması durumunda daha da artacaktır.

Abstract:
Conventional labyrinth seal applications in jet engines other turbomachinery encounter a permanent teeth tip damage and wear during transitional operations of manoeuvring, start-up and shut-down. Worn tooth causes unpredictable seal leakage performance degradation. Depending on engine transitional operations, when the clearance between the rotor and the stator closes more than the design value, labyrinth teeth located on the rotor/stator wear against the stator/rotor. During engine maintenance, this teeth wear is observed mostly in the form of the labyrinth teeth becoming a mushroom shape or a rounded shape. As a result of this tooth tip wear, leakage performance permanently decreases, which causes unpredicted drop in the engine's overall performance and efficiency. There is information in the literature that the leakage increase of 1% leads to a 0.1% increase in the specific fuel consumption and a 0.8% decrease in the propulsive power of the civilian aviation engines. It also leads to a 0.3% increase in the specific fuel consumption and a 1% decrease in propulsive power of the military field engines. However, very limited information about leakage performance degradation caused by mushroom and rounded wear are available in open literature.
Within the scope of this thesis; the effects on the sealing performance of the two wear geometry in the form of namely mushroom and round shaped labyrinth teeth encountered in labyrinth seal applications on aircraft engines were investigated by CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. In addition, the CFD analysis model has been verified by performing tests on the test fixtures of the sealing elements.
The thesis aim is to determine the effects of worn tooth geometries on leakage. For this purpose, the following three tooth geometries are examined: Straight Tooth, Mushroom Tooth, Round Tooth.
Firstly; the analysis was performed for unworn straight tooth and labyrinth seal leakages were calculated. For this purpose, the effect of four different parameters (clearance, pressure ratio, number of teeth and rotor rotational speed) on leakage flow was determined. Parameters and their intervals are of clearance (cr=0.254-2.032mm), pressure ratio (Rp=1.5-3.5), number of teeth (nt=1-12) and rotor rotational speed (n=0-80 krpm).
In mushroom tooth analyses; the leakage of the labyrinth was calculated by changing five effective parameters of mushroom radius (R=0-0.508mm), clearance (cr=0.254-2.032mm), pressure ratio (Rp=1.5-3.5), number of teeth (nt=1-12) and rotor speed (n=0-80 krpm in the range of application. 
For rounded tooth analysis, six effective parameters were considered. These are; groove depth-width (0.000-0.000mm; 0.600-0.508mm), clearance (cr= (-0.254)-0.254mm), pressure ratio (Rp=1.5-3.5), number of teeth (nt=1-12) and rotor speed (n=0-40 krpm). These parameters were changed at the intervals observed in the application and the leakage flow rate was calculated.
CFD analyses were carried out by employing compressible turbulent flow in 2-D axi-symmetrical coordinate system. CFD analyses have been verified by comparing experimental results published in the literature. In addition, CFD leakages were also compared with well-known labyrinth seal semi-empirical correlations in literature and with the test results as well. 
In straight tooth applications; the leakage as a function of the clearance, the pressure ratio, the number of teeth and the rotor speed was determined. For all tooth numbers, the increased clearance and pressure ratio increases the leakage. The increased number of teeth effectively reduces the leakage up to certain level. At low speeds, the leakage flow is reduced at negligible level.
In mushroom tooth wear cases, even when the clearance increase due to wear is ignored, the leakage flow is increased due to the rounded geometric form of the mushroom tooth compared to the straight tooth. This leakage increase is caused by less flow separation and flow disturbance and the vena contracta effect for flow over the smoothly shaped mushroom tooth tip compared to the sharp-edged tooth tip. When the clearance increase due to wear is included, the leakage increase becomes more effective. For mushroom tooth geometry, the effects of number of teeth and rotor speed on the leakage have also been determined.
It was found that the leakage varied with rounded labyrinth teeth, in order from highest to lowest leakage, as shallow-wide groove, deep-wide groove, deep-narrow groove, shallow-narrow groove, non-groove rounded teeth and straight-through labyrinth teeth.
For the two specified wear types, leakage order from highest to lowest is mushroom shaped labyrinth teeth, non-groove round shaped labyrinth teeth, and straight labyrinth teeth.
Mushroom tooth (without clearance increase) leaks more than straight tooth; 15.9%, 22.1% and 19.6% more for cr=0.127 mm, cr=0.254 mm and cr=0.508 mm, respectively. These percentages will be further increased in case of clearance increase due to tooth wear.
Round tooth (without groove) leakage is also more than the straight tooth which is 15.9%, 10.1% and 7.3% more cr=0.127 mm, cr=0.254 mm and cr=0.508 mm, respectively. These percentages will be further increased in case of groove formation during round tooth wear.