Eksenel bir türbinde adjoint yöntemi ile rotor-stator kanatlarının optimizasyonu
Optimization of stator and rotor blades using adjoint method in an axial turbine
Yazar: MEHMET KILINÇ
Danışman: PROF. DR. KÜRŞAD MELİH GÜLEREN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Gaz türbinli motorlarda, yanma odasından çıkan yüksek enerjili gazın enerjisini mekanik enerjiye çevrilmesi ve bu hareket ile oluşan gücün kompresör miline aktarılması için eksenel türbinler kullanılmaktadır. Türbinler, sabit türbin kanatları (stator) ile hareketli türbin kanatlarına (rotor) yanma odasından çıkan gazın yönlendirilmesi sonucunda meydana gelen bağıl hareketi kullanmaktadır. Bu nedenle sabit ve hareketli kanat profilleri türbinlerin verimini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada literatürde yer alan 1.5 kademe eksenel Aachen Türbini referans alınmış ve iki boyutlu rotor-stator kanatlarının optimizasyonu yapılması amaçlanmıştır. Sayısal çalışmalar çok amaçlı Ansys Fluent 2019R2 akış çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada referans geometri kullanılarak iki boyutlu akış alanı oluşturulmuş, akış alanı için uygun ağ yapısı ve akış problemi tanımlanmıştır. Sınır koşulları tanımlanan ve iki boyutlu akış alanı oluşturulan sayısal model üzerinde akış analizleri yapılmıştır. Sayısal çalışmalarda ideal gaz kabulü, sıkıştırılabilir akış, daimi akış koşulları ve k-ω SST türbülans modeli kullanılmıştır. Kanat optimizasyonu için sayısal çalışma sonucunda elde edilen veriler deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulama çalışması yapılmıştır.
Optimizasyon çalışmalarında birinci adımda stator kanadı için eniyileme çalışmaları yapılmıştır. Stator kanadı profili üzerinde farklı iyileştirme oranlarına göre optimizasyon çalışmaları yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Optimizasyonun ikinci adımında rotor kanadı için eniyileme çalışmaları yapılmıştır. Rotor profili için farklı iyileştirme oranlarına göre yapılan optimizasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, basınç farkı ve entropi üretimi dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda stator profili için profil iyileştirmesi %7 ve rotor profili için profil iyileştirmesi %4 olarak sınırlandırılmıştır. Elde edilen yeni profiller kullanılarak sayısal analizler tekrarlanmıştır ve kademe veriminin artığı görülmüştür.

Abstract:
Axial turbines are used to convert the energy of the high-energy gas coming out of the combustion chamber into mechanical energy by the stator and rotor blades and to transfer the power generated by this movement to the compressor shaft in gas turbine engines. Therefore, stator and rotor blade profiles significantly affect the efficiency of turbines. In this study, the 1.5-stage axial Aachen Turbine in the literature was taken as a reference, and it was aimed to optimize the 2D rotor-stator blades. Numerical studies were performed with the multi-purpose Ansys Fluent flow solver. First off, a 2D flow field was created using the reference geometry, then the appropriate mesh and flow problem were defined. In numerical studies, ideal gas assumption, compressible flow, steady-state flow conditions and k-ω SST turbulence model were used. Numerical study results were compared with the experimental data to validation work was carried out.
In the first step of the optimization studies, the stator blade was optimized, and then the results were compared by performing it with different improvements ratios. In the second step, the rotor blade was optimized, and then the results were compared by performing it with different improvement ratios. The improvement results were evaluated by considering the pressure difference and entropy generation. As a result of this evaluation, profile improvement for the stator blade was limited to 7%, and 4% for rotor blade. Numerical analyzes were repeated using the optimized profiles, and it was seen that stage efficiency increased.