Gaz türbini soğutma kanallarında rib kullanımının akış yapısına ve ısı transferine etkisinin deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmesi
Experimental investigation and numerical evaluation of the rib application impact on flow structure and heat transfer within a gas turbine cooling passage
Yazar: YASİN ŞÖHRET
Danışman: PROF. DR. TAHİR HİKMET KARAKOÇ
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation ; Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering
Dizin: Gaz türbini = Gas turbine ; Gaz türbinli motorlar = Gas turbine engines ; Türbülanslı akış = Turbulent flow ; İç akış = Internal flow

Özet:
Geçmişten günümüze gaz türbinli motorların verimini artırmak her zaman hedeflenen bir nokta ve üzerine çalışan bir konu olmuştur. Gaz türbinli motor teorisinden de bilindiği üzere gaz türbini giriş sıcaklığı, motorun veriminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenledir ki yanma sonu gazların sıcaklığını artırmaya yönelik çalışmalar gaz türbin soğutma teknolojilerinde de ilerleme sağlanmasını zorunlu kılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında türbin kanatçığı iç soğutma yöntemlerinden olan rib dizili soğutma kanalı ele alınmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analiz edilen soğutma kanalı ayrıca deneysel yöntemlerle de incelenmiştir. Kanal içerisindeki akış yapısı parçacık görüntülemeyle hız ölçümü (PIV) yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlar, hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinden alınan sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulama gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasının bir diğer amacı ise akış yapısını ortaya koyarken riblerden kaynaklı oluşan türbülanslı akış neticesinde oluşan ısı geçişi mekanizmalarını da irdelemektir. RANS türbülans modellerinden k-ω yaklaşımı ile edilen sonuçlar deneysel veriler ile tutarlılık göstermektedir. Bu nedenle rib dizili kanallar içerisindeki fiziksel olayların çözümlemesinde k-ω türbülans modelinin kullanımı uygun bulunmuştur. Diğer yandan, akış içerisinde hız dağılımının ani değişim gösterdiği veya türbülansın yoğun olduğu akışların parçacık görüntülemeyle hız ölçümü yapılırken alınan verilerin işlenmesi için uyarlanabilir PIV yönteminin daha doğru sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Yüksek hızlarda gerçekleşen akışlardaki rib kullanımı için rib adımı tanımı gözen geçirilmelidir. Rib adımı ile rib yüksekliği arasındaki oran artırılmalı ve rib adımı büyütülmelidir. Yüksek hızlarda gerçekleşen akışlarda soğutma yüzeyinde kış bozulmalarının meydana gelmesi için rib engelleme oranı büyük olacak soğutma kanalı tasarımı yapılması önerilmektedir. Bu tez sonucunda elde edilen sonuçların ulusal bilgi birikimine doğrudan ve ülkemizin 2023 hedefleri arasında yer alan yerli ve milli hava aracı ve güç sistemi geliştirme hedeflerine dolaylı olarak katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
From past to the present, enhancing efficiency of aircraft gas turbine engines has been the main goal and hot topic. As known on the basis of gas turbine theory, turbine inlet temperature plays a vital role on engine overall efficiency. Within the scope of this thesis research, rib turbulated cooling passage as one of the turbine blade cooling methods is discussed.  Cooling passage is not only analyzed by means of computational fluid dynamics but also investigated experimentally. Flow field through the passage is evaluated using particle image velocimetry. Results obtained from experiments are benefited to compare and validate CFD results. Another objective of the current study is evaluating heat transfer process linked to turbulent flow in addition to presenting flow field within the passage. Results obtained from numerical analysis using k-ω turbulence model as one of the RANS turbulence model agree with experimental data. So, k-ω turbulence model is found to be useful to analyze physical phenomena within the rib roughed cooling passages. On the other hand adaptive PIV approach being used to data processing yields better results under instant velocity alternation or turbulent flow conditions. At high velocities, definition of pitch should be revised. Pitch to rib height ratio must be increased or pitch value should be enhanced. For high velocities design of cooling passages with high blockage ratio is recommended. Results presented in the end of this thesis are thought to contribute national knowledge accumulation directly and development of indigenous and national aerial vehicle and its power system goal as one of the 2023 goals of Turkey implicitly.