Bileşik analiz metoduyla tubular yanma odası metal sıcaklığı hesaplanması
Calculation of can type combustion chamber metal temperature using coupled analysis method
Yazar: TÜMERKAN VURAL
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Geçmiş yıllarda insanlığın gelişimiyle beraber artan enerji ihtiyacı insanlığı çeşitli araçların tasarımlarına yöneltmiştir. Gaz türbinleri bu artan enerji ihtiyacını karşılamada bir devrim niteliğindedir. 1870 yılında George Brayton tarafından ilk çevrim tasarlanmıştır. Geliştirilmesi ise 1930'lu yıllarda Sir Frank Whittle tarafından gerçekleştirilmiştir. İlk etapta yerde kullanılan bu gaz türbinleri bir mili çevirip karşılığında enerji üretme esasına dayanmaktadır. Daha sonraki yıllarda ise itki oluşturma amaçlı hava araçlarına da uygulanmaya başlanmıştır. İlk örneklerinde turbojet tipi motorlar görülmekteyken daha sonraki yıllarda turboşaft, turboprop ve turbofan tipi motorlar da ortaya çıkmıştır. Turbojet ve turbofan tipi motorlar hava aracının itki ile hareket etmesini sağlarken, turboşaft ve turboprop tipi motorlar ise bir mil aracılığıyla tahrik edilen pervanenin hareketi sayesinde hava aracına hareket kabiliyeti katmaktadırlar. Brayton çevriminin esas alındığı gaz türbinli motorlarda üç adet ana modül bulunmaktadır. Bunlardan ilki kompresör olup, amacı havayı sıkıştırarak basıncı arttırmak ve hava kütlesini yanma odasına iletmektir. İkinci modül ise yanma odasıdır. Yanma odası kompresörden gelen basınçlı hava ile yakıtı sabit basınçta yakar ve akışkanın enerjisini arttırarak akışkanı türbine doğru iletir. Üçüncü modül olan türbin ise üzerine gelen akışkanı genişleterek basıncını düşürür ve kompresörü tahrik ederek çevrimin devamlılığını sağlar, itki sistemlerinde çıkışta hava hızını arttırarak itki oluşturur milli sistemlerde ise türbinin merkezinde bulunan mil vasıtasıyla mili tahrik ederek pervaneyi döndürür.
Yanma odası gaz türbinli motorlarda en yüksek sıcaklıkların görüldüğü modüllerdendir. Basit Brayton çevrimine göre en yüksek sıcaklık yanma odası çıkışında, yani türbin girişinde olsa da gerçek durumda bu durum biraz farklıdır. Yanma odasının, yanma olayının gerçekleştiği birincil bölgede sıcaklıklar 2000 K mertebelerinde olurken, yanma odasında bulunan seyreltme delikleri ve soğutma delikleriyle beraber hava sıcaklığı seyreltilerek türbin girişine kadar düşürülmektedir. Bu sayede türbin girişindeki kanatçıkların erimesi önlenmekte ve çevrim için gereken çıkış sıcaklığı elde edilmektedir. Yanma odası içerisindeki yüksek gaz sıcaklıkları sebebiyle yanma odasını oluşturan duvara ait malzemenin bu sıcaklıklarda ayakta durması günümüz malzeme teknolojisiyle mümkün değildir. Bu sebeple yanma odasının içerisindeki yüksek gaz sıcaklıklarıyla beraber devamlı çalışabilmesi için yanma odası duvarlarına çeşitli soğutma teknolojileri ve seramik kaplamalar uygulanmaktadır. Uygulanan soğutma tipleriyle beraber genellikle amaç sıcak gaz ile yanma odası duvarı arasında daha soğuk sıcaklığa sahip bir hava ile film oluşturmaktır. Bununla beraber, soğuk havanın metal yüzeye çarptırılması da başka bir soğutma çeşididir. Yanma odasının devamlı çalışabilmesi için uygulanması gereken tüm bu uygulamalar, öncesinde duvar sıcaklığı hesaplamalarıyla beraber kurgulanmalıdır.
Aksi takdirde yanlış hesaplamalar sonucu ortaya çıkabilecek hatalar yanma odasının infilak etmesine, can ve mal kaybına sebep olabilir.
Yanma odası duvar sıcaklığı hesaplama yöntemlerinde birçok yöntem mevcuttur. Bunlardan ilki el hesabına dayanan bir boyutlu hesaplama yöntemleri, ikincisi eşlenik ısı transferi yöntemiyle gerçekleştirilen hesaplamalar üçüncüsü ise bileşik analiz metodu yöntemiyle gerçekleştirilen hesaplamalardır. Eşlenik ısı transfer yönteminde akışkan ile katı beraber aynı problem içerisinde çözülmektedir. Burada ısı transferinin doğru hesaplanabilmesi için çözüm ağı ara yüzeylerde çok sık atılmalı ve kullanılan modeller iyi analiz edilmelidir. Bu yöntem bu yüzden doğrulama çalışmaları için hesaplama maliyeti anlamında çok pahalı olmaktadır. Endüstriyel uygulamalarda hesaplamaların maliyeti uygun olması ve hesapların doğru yapılması gereklidir. Literatürde incelenen bileşik analiz metodunun hesaplama maliyetinin uygun ve pratik bir yöntem olduğu incelenmiştir.
Bu tez kapsamında tubular yanma odasına ait duvar sıcaklıkları doğrulaması hedeflenmiştir. Yöntem olarak bileşik analiz metodu kullanılmıştır. Doğrulama çalışması için tubular yanma odasına ait testler farklı koşullarda gerçekleştirilmiştir. İki adet test kampanyası gerçekleştirilmiştir. İlk test kampanyasında termal boya uygulanmamış olup ikinci test kampanyasında alev tüpü termal boya ile boyanmış ve sıcaklık dağılımı amaçlanmıştır. Testler esnasında duvar sıcaklığı ölçümü için toplamda tubular yanma odasına 28 adet ısıl çifti uygulaması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca testler esnasında giriş hava debisi, giriş sıcaklığı, giriş basıncı, çıkış sıcaklık profilleri ve çıkış basıncı gibi parametreler de ölçülmüştür. İlk test kampanyası iki adet test noktası için başarıyla gerçekleştirildikten sonra, ikinci test kampanyasında tubular yanma odası termal boya ile boyanmış ve bir test noktasında testi başarıyla gerçekleştirilerek, sıcaklık dağılımı termal boya sayesinde başarıyla elde edilmiştir.
Testlerden elde edilen verilerin sayısal ortamda doğrulama çalışması için bileşik analiz metodu yöntemi tercih edilmiştir. Bu yöntemde, hesaplamalı akışkanlar dinamiği tarafında alev tarafından yayılan radyasyonun etkisi de hesaplara dâhil edilmiştir. Bileşik analizler, yazılan kodlar vasıtasıyla tamamen otomatik bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bileşik analiz kurgusunda ısı transferi katsayıları için iç akış korelasyonları kullanılmıştır. Ancak bu korelasyonlar doğrudan yanma odası akışları için kurgulanmadığından doğrulama çalışmasında yanma odasına göre kalibre edilmelidir. Bu sebeple ilk analiz kurgusu doğrudan bu korelasyonların kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. İlk analizin test verileriyle karşılaştırılmasından sonra düzeltme katsayıları belirlenmiş, yanma odasına göre kalibre edilmiş ısı transferi katsayıları elde edilmiştir. İkinci ve üçüncü analizler farklı test koşullarını temsil eden ve kalibre edilmiş ısı transferi katsayısı korelasyonlarını kullanan analizlerdir. Bu analiz sonuçları test verileriyle iyi bir uyum göstermiş, duvar sıcaklıkları bu yöntem ile doğrulanmıştır.

Abstract:
In the past years, the need for energy, which has increased with the development of humanity, has directed humanity to the designs of various vehicles. Gas turbines are a revolution in meeting this growing energy demand. George Brayton designed the first cycle in 1870. Sir Frank Whittle carried out its development in the 1930s. These gas turbines, which were used on the ground in the first place, are based on the principle of turning a shaft and generating energy in return. In the following years, it started to be applied to aircraft for propulsion purposes. While turbojet type engines were seen in the first examples, turboshaft, turboprop and turbofan type engines also emerged in the following years. Turbojet and turbofan type engines allow the aircraft to move with thrust, while turboshaft and turboprop type engines add mobility to the aircraft thanks to the movement of the propeller driven by a shaft. There are three main modules in gas turbine engines based on the Brayton cycle. The first of these is the compressor, the purpose of which is to increase the pressure by compressing the air, and to transmit the air mass to the combustion chamber. The second module is the combustion chamber. The combustion chamber burns the fuel with the compressed air coming from the compressor at constant pressure, increasing the energy of the fluid and transmits the fluid towards the turbine. On the other hand, the turbine reduces the pressure by expanding the fluid coming on it and ensures the continuity of the cycle by driving the compressor.
The combustion chamber is one of the modules with the highest temperatures in gas turbine engines. Although the highest temperature according to the simple Brayton cycle is at the combustion chamber outlet, that is, at the turbine inlet, in the real case this is slightly different. While the temperatures in the primary zone of the combustion chamber where the combustion takes place are at the levels of 2000 K, the air temperature is diluted with the dilution holes and cooling holes in the combustion chamber and reduced to the turbine inlet temperature. In this way, melting of the blades at the turbine inlet is prevented and the exit temperature required for the cycle is obtained. Although very high gas temperatures are observed in the combustion chamber, the material of the wall forming the combustion chamber cannot stand at these temperatures with today's material technology. For this reason, various cooling technologies and ceramic coatings are applied to the walls of the combustion chamber in order to operate continuously with the high gas temperatures in the combustion chamber. With the cooling types applied, the aim is to create a film with a cooler air between the hot gas and the combustion chamber wall. Also, the cold air hitting the metal surface is another type of cooling. Before all applications that need to be applied in order for the combustion chamber to work continuously, wall temperature has to be calculated correctly. Otherwise, errors that may arise because of incorrect calculations may cause the combustion chamber to explode, loss of life and property.
There are many methods in the combustion chamber wall temperature calculation methods. The first one is one-dimensional calculation methods based on hand calculation, the second is the calculations performed by the conjugate heat transfer method, and the third is the calculations performed by the coupled analysis method. In the conjugate heat transfer method, fluid and solid are solved together in the same problem. Here, in order to calculate the heat transfer correctly, the number of elements should be higher at the interfaces and the models used should be analysed well. This method is therefore very expensive in terms of computational cost for verification studies. In industrial applications, the cost of calculations must be appropriate and also the calculations must be made correctly. It was observed that the calculation cost of the coupled analysis method examined in the literature is a convenient and practical method.
Within the scope of this thesis, it is aimed to verify the wall temperatures of the can type combustion chamber. Coupled analysis method was used as a method. Tests of the can type combustion chamber were carried out under different conditions for the verification study. Two test campaigns have been carried out. In the first test campaign, thermal paint was not applied, and in the second test campaign, the flame tube was painted with thermal paint and observing temperature distribution was aimed. During the tests, 28 thermocouples were applied to the can type combustion chamber for wall temperature measurement. In addition, parameters such as inlet air flow, inlet temperature, inlet pressure, outlet temperature profiles and outlet pressure were also measured during the tests. After the first test campaign was successfully carried out for two test points, in the second test campaign, the can type combustion chamber was painted with thermal paint and the test was successfully carried out at one test point, and the temperature distribution was successfully observed thanks to the thermal paint.
The coupled analysis method was preferred for the verification of the data obtained from the tests. In this method, the effect of the radiation emitted by the flame on the computational fluid dynamics side is also included in the calculations. In the calculations of heat transfer by radiation, the radiation transport equation has been solved by the Discrete Ordinates method. The absorption effect of molecules such as carbon dioxide and water vapor formed as a result of combustion was also calculated using the Weighted Sum of Gray Gases (WSGGM) model. According to the analysis results in the calculation of flame side wall heat fluxes, the ratio of heat transfer with radiation to heat transfer by convection varied between 5% and 23% from region to region. Coupled analyses were carried out completely automatically by means of the written codes. Internal flow correlations were used for the heat transfer coefficients in the coupled analysis setup. However, since these correlations are not set up for direct combustion chamber flows, they must be calibrated according to the combustion chamber in the verification study. For this reason, the first analysis setup was made directly by using these correlations. After the first analysis was compared with the test data, the correction factors were determined and the heat transfer coefficients calibrated according to the combustion chamber were obtained. After the first analysis was completed, the inner surfaces of the flame tube were divided into 8 along the axial distance. This is due to the different flow regimes on these surfaces. Therefore, 8 different correction factors were studied for these surfaces. The correction factors in the primary zone of the flame tube are greater than in the secondary zone. This is due to the fact that the flow in the primary zone has more circulation zones than the secondary zone. As the flow moves towards the secondary region, the flow structure becomes similar to that of classical internal flow problems. Therefore, the correction factors here are closer to 1. Because the internal flow correlation used is a correlation derived in the literature to analyze the situation in classical internal flow problems.
The second and third analyses were made for test points under different conditions, respectively. In these analyses, the correction factors obtained from the first analysis were used for the heat transfer coefficient calculation. According to the analysis results, the wall temperatures showed a promising agreement with the test data. Especially the results in the secondary zone and film cooling outlets showed good agreement with the test data. In addition, the casing temperatures of the analysis showed a perfect match with the test data. This is an indication that the passage of the radiation emitted from the flame tube from the surface to the surface has been well modelled.
By means of this method, metal temperature distributions at another test point could be calculated with little error, thanks to the correction coefficients obtained from only one test. Thanks to this method, which is practical for industrial applications, the wall temperatures in the combustion chamber can be calculated with little error for other operating conditions. In this way, the number of costly combustion chamber tests to measure combustion chamber metal temperatures can be reduced. If this method is fed with more than one test, the error rate of estimating metal temperatures will be much lower.