Gaz türbini soğutması ön-çevri sistemlerinin sayısal olarak modellenmesi ve incelenmesi
Computational modelling and investigation of gas turbine preswirl cooling systems
Yazar: MARKOS ÇAĞAN
Danışman: DOÇ. DR. DOĞAN GÜNEŞ ; PROF. DR. ALİ CEMAL BENİM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, gaz türbini soğutmasında kullanılan bir ön-çevri sistemi sayısal olarak modellenip, incelenmiştir. İlk olarak, çeşitli matematiksel modellerin sistemin temel elemanları üzerindeki basit akışların çözümlenmesinde sınanmalarıyla realizable k-e türbülans modelinin esas problemin çözümlenmesinde kullanılmasının uygun olduğu belirlenmiştir. Stator-rotor etkileşiminin modellenmesi hususu iki boyutlu düzlemsel geometri üzerinde muhtelif sanki-daimi hal ve zamana bağlı hal formulasyonlarının tatbikiyle incelenerek, geniş bir işletme şartı bölgesinde donmuş rotor modelinin kayan ağ tekniğine oldukça benzer çözümler ürettiği görülmüştür. Sistemin tümünün üç boyutlu olarak modellenmesi sanki-daimi hal için donmuş rotor yaklaşımıyla başarılı bir şekilde yürütülmüştür. Geliştirilen hesaplama modeli, ürettiği sonuçların deneylerle karşılaştırılması ile doğrulanmış ve ters çevri oranına bağlı olarak geçerlilik bölgesi tespit edilmiştir. Sayısal modelin nicelik olarak geniş bir işletme şartı bölgesinde, deşarj katsayıları, ara yüzeydeki hız dağılımı ve soğutma havası sıcaklığını oldukça iyi öngörebildiği; ayrıca, incelenen değişkenlerin işletme şartlarına göre değişimindeki temayüllerinin nitelik olarak da çok iyi öngörülebildiği saptanmıştır. Sistemin değişik işletme şartlarına göre davranış ve performansı incelenmiştir. Sistem davranışının işletme şartlarına göre değişiminin ters çevri oranı parametresine ile tanımlabileceği gösterilmiş, ve sistemin nominal çevri civarındaki işletme noktalarında maksimum verimle işlediği gözlenmiştir. Sistem veriminin iyileştirilebilme olanakları, sistem geometrisi üzerinde uygulanabilecek modifikasyonlar ile incelenmiştir. Bu kapsamda, alıcı girişlerinin yuvarlatılmasının sistem verimini iyileştirdiği görülmüştür. Alıcı uzunluğunun, akışın hem tekrar çeperlere temas edebileceği hem de sürtünme kayıplarının etkisini göstermeyeceği bir uzunlukta olması gerektiği belirlenmiştir. Ön-çevri odası genişliğinin, çeşitli işletme şartlarında, hem oda içerisine birikecek büyük bir akışkan kütlesinin yaratacağı kayıpların hem de küçük bir hacimdeki yüksek gradyenlerin oluşturacağı kayıpların minimize edileceği bir boyutta olması gerektiği görülmüştür.

Abstract:
In this study, a gas turbine preswirl cooling system was computationally modelled and investigated. At first, various mathematical models were examined analyzing the simple flows for the basic elements of the system. Therefore, it was shown that the realizable k-e turbulence model would be the most appropriate model for analyzing the main problem. The modelling issue of stator-rotor interaction was investigated on two dimensional planar geometry by implementing various quasi-steady and unsteady modelling procedures. It was observed that the frozen rotor approach produce quite similar results to the ones of sliding mesh technique for a broad range of operating conditions. Three dimensional modelling of the whole system was performed successfully by frozen rotor approach for quasi-steady state. Developed computational model was validated comparing the predictions with experiments, and its validity range was shown with respect to the inverse of swirl ratio. For a broad range of operating conditions the numerical model could quantitatively predict the discharge coefficients, velocity distribution at the interface and cooling air temperature quite well. Additionally, it was observed that the tendencies which different variables exhibit with respect to different operating conditions can be estimated qualitatively very well. The behaviour and the performance of the system were investigated under various operating conditions. It was shown that the system behaviour can be described by inverse of swirl ratio parameter, and the system operates with maximum efficiency for the operating conditions within the vicinity of nominal swirl. The facilities of improving the system efficiency were investigated by modifying the system geometry. It was observed that radiusing receiver inlets can improve the system efficiency. It was found out that the receiver length has to be dimensioned in such a way, both the flow can reattach to the walls and the friction losses do not show its influence. Preswirl chamber has to have such a width, which decreases the losses occurred due to both a great amount of fluid mass filled into the chamber and high gradients inside a small volume, for various operating conditions.