Gaz türbinli motorlarda kullanılan labirent sızdırmazlık elemanlarında diş eğim açısının sızdırmazlık performansına etkisinin HAD analizleri ile incelenmesi
CFD investigation of effects of labyrinth seal tooth tilt angle on leakage for gas turbines
Yazar: KAYHAN DAĞIDIR
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, gaz türbinli motorlarda kullanılan labirent sızdırmazlık elemanı dişlerinin eğim açılarına bağlı olarak sızdırmazlık performansının değişimi incelenmiştir. İncelemeler HAD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Labirent sızdırmazlık elemanını oluşturan dişlerin dik olarak yerleştirilmesi bilinen yaygın bir uygulamadır. Dişlerin eğimli yerleştirilmesi uygulamada pek görülmemektedir. Ayrıca açık literatürde bu konudaki yayın sayısı da oldukça sınırlıdır. 
Literatürde labirent dişlerin düz olması durumu için çok sayıda deneysel, sayısal ve bunlara bağlı olarak geliştirilmiş analitik çalışmalar bulunmaktadır. Çok az sayıda olan eğimli diş ile ilgili çalışmalarda ise sadece bir eğim açısı çalışılmıştır. İmalat açısından mümkün olan tüm eğim açıları belli bir labirent diş için verilmemiştir. Dişlerin eğimlendirilmesi ile kaçak debinin azalması, labirent sızdırmazlık elamanında oluşan akış formu dikkate alındığında beklentiler dahilindedir. 
Bu incelemede, labirent diş eğim açısının kaçak debiye etkisini incelemek üzere 5 dişli bir labirent keçe referans olarak literatürden alınmıştır. Diş ön eğim açısı geniş bir aralıkta 35o-45o-60o-75o-80o-85o-90o-100o değerleri alınarak değiştirilmiştir. Buradaki eğim açısının 90o olması düz dişe karşılık gelmektedir. Böylece, toplamda 8 adet diş eğim açısı incelenmiştir. Bu incelemedeki asıl amaç diş eğim açısının kaçak debi üzerindeki etkisini belirlemek olduğundan diğer geometrik parametreler ve çalışma şartları sabit tutulmuştur. Diş ile stator arasındaki açıklık labirent keçeler için tipik çalışma değerleri olarak cr=0,254 mm ve cr=0,508 mm alınmıştır. Çıkış atmosfer şartlarına olmak üzere labirent keçe üzerindeki basınç oranı rp=1,5 olarak tanımlanmıştır. Labirent keçeye hava giriş sıcaklığı 298 K olarak alınmıştır. Labirent dişlerin bağlı olduğu rotor, hem sabit olarak n=0 d/dk ve hem de n=13000 d/dk devir sayısı ile dönüyor olarak tüm diş eğimleri için dikkate alınmış ve analizler yapılmıştır. HAD analizleri, 2 boyutlu eksenel simetrik koordinatlarda ANSYS-Fluent v.15 paket programı kullanılarak yapılmıştır.HAD analizi, öncelikle literatürde bulunan düz bir labirent keçe için yapılmış ve analiz prosedürü doğrulanmıştır. HAD analizleri sonucunda, rotorun dönmediği durumda eğim açısının 90o-35o arasında değişen değerlerinde 0,254 mm açıklıkta yaklaşık %1,1 ile %6,5, 0,508 mm açıklıkta ise yaklaşık %1,1 ile %4,8 oranlarında daha az debi kaçırdığı belirlenmiştir. Rotorun 13000 d/dk hızla dönmesi durumunda ise yine 90o-35o arasındaki eğim açılarında 0,508 mm açıklıkta yaklaşık %1,1 ile %7,0 oranlarında daha az debi kaçırdığı belirlenmiştir.HAD analizlerinden elde edilen hız ve basınç dağılımlarının oluşturduğu akış formu incelendiğinde dişlerin eğimlendirilmesi ile asıl etkinin ilk dişteki eğim sayesinde olduğu gözlenmiştir. Bu gözlemi teyit etmek için sadece birinci diş 75o eğimlendirilerek sabit rotor için ilave bir analiz daha yapılmıştır. Bu durumda hesaplanan debi düz dişe göre %2,3 azalmıştır. Yani, dişlerin tamamı eğimli olduğunda debi azalması %3,0 iken ilk diş eğimlendiğinde %2,3 olmaktadır. Bu bilgiye yapılan taramada açık literatürde rastlanmamıştır. 
Özetle, en küçük bir diş eğim açısının dahi kaçak debiyi azalttığı belirlenmiştir. Artan eğim açısı ile kaçak debi azalması düşmektedir. Ayrıca, ilk dişin eğimlendirilmesi tüm dişlerin eğimlendirilmesine yakın bir etki yapmaktadır. Eğim açısının 75o değerinde kaçak debi değişiminde bir kırılma oluşmaktadır. İncelemede, ayrıca, yaygın kullanılan dikdörtgen, konik ve eğik diş için kaçak debiler kıyaslanmıştır. 
Labirent keçelerde diş geometrisi kaçak debiyi etkileyen önemli bir parametredir. Bu konudaki çalışmaların türbin performansının oluşturacağı baskıya göre devam edeceği öngörülmektedir.

Abstract:
In this thesis, the variation of the sealing performance of the labyrinth seal used in gas turbine engines is investigated according to the tooth-tilt angles. The analyzes were carried out with CFD (Computational Fluid Dynamics) analyzes. It is a common practice to use straight labyrinth seal teeth. The tilted teeth is rarely seen in practice. In addition, the number of publications in the open literature is also very limited in this field.
Numerous experimental, numerical and analytical studies are available for the case of straight labyrinth teeth in the literature. Studies involving tilted teeth is very limited and only consider single tilt angle. In terms of manufacturability limits, all possible tilt angles have not been given for a particular labyrinth tooth. The reduction of the leakage with the tilted teeth is expected when the labyrinth sealing flow formation is considered.
In this study, a labyrinth seal with 5 teeth was taken as a reference from the literature in order to investigate the leakage effect of the tooth slope angle. The frontal tooth tilt angle has been changed over a wide range by taking values 35o-45o-60o-75o-80o-85o-90o-100o. The 90° angle corresponds to the straight tooth. Thus, a total of 8 tooth tilt angles were examined. Since the main purpose of this study is to determine the effect of tooth tilt angle on the leakage, other geometrical parameters and working conditions are kept constant. The clearance between tooth and stator was taken as cr=0,254 mm and cr=0,508 mm as typical working values for labyrinth seals. The pressure ratio on the labyrinth seal is defined as Rp=1.5 with respect to the outlet atmospheric conditions. The air inlet temperature for the labyrinth seal was taken as 298 K. The rotor to which the labyrinth teeth were mounted was considered and analyzed for all tooth inclination by rotating with n=0 rpm and n=13000 rpm. HAD analyzes were performed using the ANSYS-Fluent v.15 in 2-D axial symmetric coordinates.
The HAD analysis was performed primarily for a straight labyrinth seal available in the literature and the analysis procedure was verified. As results of the HAD analyses, it was determined that in the stationary rotor case, the leakage for the tilt angle range of 90°-35° is reduced 1.1-4,8% and 1.1-6.5% for clearances of 0.254 mm and 0.508 mm, respectively. If the rotor rotates at a speed of 13000 rpm, it is determined that the leakage reduces 1.1-7.0% for 0.508 mm clearance.
When the flow form of the velocity and pressure distributions obtained from the HAD analyzes is examined, it is observed that the main effect is due to the inclination of the first teeth. To confirm this observation, only the first tooth is tilted at 75o and an additional analysis is made for the stationary rotor. In this case, the leakage is decreased by 2.3% compared to the straight tooth. That is, when the entire teeth are tilted, the flow reduction is 3%, whereas when the first tooth is tilted, it is 2.3%. This information was not found in the open literature.
In summary, it has been determined that even the smallest tooth tilt angle reduces the leakage. With increasing tilt angle, the leakage reduction decreases. In addition, the inclination of the first tooth has a similar effect to the inclination of all the teeth. There is a break in the leakage reduction at 75o of the tilt angle.
The leakage is also compared for commonly used rectangular, conical, and tilted teeth.
In labyrinth seals, tooth geometry is an important parameter that affects the leakage flux. It is predicted that the work in this area will continue depending on the pressure on turbine performance.