Gaz türbin pasajını temsil eden 90° dönüşlü kanalda aerotermal inceleme
Aerothermal investigation of a 90° turning duct simulating the gas turbine passage
Yazar: OZAN ŞENMAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MURAT ÇAKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Analoji = Analogy ; Gaz türbini = Gas turbine ; Isı geçişi = Heat transfer ; Kütle aktarımı = Mass transfer ; Reynolds sayısı = Reynolds number

Özet:
Bu tez çalışması, türbin pasajını simüle eden 90° dönüşlü kanalda, iki kanat arasında kalan duvar üzerindeki ısı transferi performansının sınır tabaka çitlerinin varlığı durumunda nasıl değişeceğini incelemek amacıyla yürütülmüştür. Çalışmada, ısı transferi sonuçlarına kütle transferinin deneysel ölçümü yoluyla; ısı-kütle transferi analojisi kullanılarak yaklaşılmıştır.Sınır tabaka çitleri, türbin/kompresör pasajlarındaki ve iç soğutma sistemlerindeki aerotermal etkileri düzeltmek için kullanılmaktadır. Pasaj vortekslerinin hakim olduğu akışın, sınır tabaka çitleri ile olan etkileşimini gözlemlemek için, türbin pasajı veya iç soğutma sistemi, 90° dönüşlü kanal ile simüle edilmiştir. Deneyin yapıldığı kanalın kesidinin kare olmasından ötürü hidrolik çap, Dh, 20 cm'dir ve hidrolik çapa bağlı Reynolds sayısı 360.000'dir.Deney düzeneği üç önemli elemandan oluşmaktadır: rüzgar tüneli, test kısmı ve tartım sistemi. Rüzgar tüneli, atmosfer altı akış koşullarında çalışmaktadır. Rüzgar tünelindeki hız ölçümleri, 90°'lik dönüşün olduğu test kısmına geçilmeden önceki kısımda, pitot tübü yardımıyla ölçülmüştür ve havanın ortalama hızı 28,3 m/s olarak bulunmuştur.90° dönüşün tabanına yerleştirilen alüminyum levhanın üzerinde,içinde çitsiz konfigürasyonun da bulunduğu, yedi ayrı çit konfigürasyonu kullanılmıştır. Kullanılan çit konfigürasyonlarındaki ısı/kütle geçişi katsayıları dağılımı ve büyüklükleri, çitsiz konfigürasyondaki ısı/kütle geçiş katsayıları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca literatürde bulunan çalışmalar ile de bir karşılaştırma yapılmış olup, bu çalışmalardaki dağılımlar ile yürütülen tez çalışmasındaki dağılımlar birbirine benzer çıkmıştır.Isı/kütle taşınım katsayılarını elde etmek için naftalin süblimleşme tekniği kullanılmıştır. Isı geçişi deneylerinde ölçümler genellikle iletim ve ışınım kayıpları içerir. Sonuç olarak, izotermal ve adyabatik sınır şartları yaklaşıktır; fakat bu sınır koşulları naftalin süblimleşme tekniği ile ufak ya da sıfır hata ile uygulanabilir.Naftalin süblimleşme tekniği, dönüşün tabanına yerleştirilen yüz sekiz adet naftalin plakasını taşıyan, altı satır (i) ve on sekiz sütuna (j) ayrılmış, alüminyum bir levha üzerindeki naftalinlere uygulanmaktadır.Her naftalin plakasının ağırlığı, deney öncesinde ve deney sonrasında ölçülür, ardından ölçülen bu iki ağırlık arasındaki fark alınarak, her naftalin plakasının yüzeyinde, deney süresince meydana gelen süblimleşme miktarı hesaplanmış olur, bundan sonra doğal taşınım (süblimleşme) düzeltmesi yapılır ve çalışmada kullanılan hesaplama yöntemi ile boyutsuz kütle geçiş sayıları olan Sherwood sayıları elde edilir.Deney sonuçlarında, sınır tabaka çitlerinin ısı/kütle taşınım katsayılarına fark edilir oranda etki ettiği görülmüştür.Bazı çit konfigürasyonlarının, alüminyum levha üzerindeki naftalin plakalarında meydana gelen kütle geçişini (süblimleşmeyi), emme tarafından basma tarafına doğru azalttığı görülmüştür. Bazı çit konfigürasyonlarının ise kütle geçişini, kullanılan çitin civarında gözle görülür ortanda arttırdığı ve emme tarafından basma tarafına doğru azalttığı görülmüştür.Sonuç olarak, naftalin süblimleşme tekniği kullanılarak yapılan bir deney, ısı geçişi deneylerinde kullanılan yöntemlerden daha kolay ve doğru sonuç vermektedir.

Abstract:
This study deals with determining dimensionless local Sherwood numbers, on the end wall of a simulated turbine passage experimentally by looking at the interaction between the boundary layer fences that are located on the aluminum plate and the aerothermal properties of the flow which includes heat/mass transfer and secondary flows.In order to achieve higher cycle efficiencies, the turbine inlet temperature should be increased, however with the current technology in the material science and the cooling techniques used in the turbines, the maximum achievable temperature is around 2000 K. Another way of increasing the cycle efficiency of the turbine is to decrease the pressure losses which are created by the secondary flows and passage vortices that are present in the duct flow. The interaction between the factors such as three dimensional flow field, turbulence, pressure gradient, the passage vortices and the horse shoe vortices have been frequently investigated, but the role of these aerodynamical factors in generating the pressure losses are not explained and understood completely by the current prediction methods.Boundary layer fences are currently used to improve the aerothermal properties of the flow in turbine/compressor passages and internal cooling systems. In order to observe the interaction between the boundary layer fences and the passage flow that is dominated by the passage vortices and secondary flows, the turbine passage or the internal cooling system is simulated by a 90° turning duct with a square cross section. Since the duct has a square cross section, the hydraulic diameter, Dh, that is the edge length of the square which is 20 cm, is used and hydraulic based Reynolds number is calculated as 360.000.The experiment facility consists of three important components: wind tunnel, test section and high precision weighing system.The wind tunnel is designed to work between the ranges, 0 < ReDh < 400.000. and it works in aspiration mode.The length of the sections before the test section is long enough to allow the flow to be developed. The velocity measurements in the wind tunnel are taken with the help of a pitot tube in the section just before the test section which is the 90° turn and the average velocity of the air flow is measured 28,3 m/s.The test section, the section that has the 90° turn, includes an aluminum plate which holds the naphthalene specimens. The aluminum plate?s top surface is leveled with the bottom side of the turning section to level the naphthalene specimens? surfaces with the bottom side of the turning test section.Weighing system consists of a high precision, high accuracy and high resolution weighing instrument.The resolution of the instrument is 10-4 grams. The weighing should be done very carefully to have accurate results.The room is circulated with the help of three fans that are located on the windows of the room. Therefore, the naphthalene vapor that is present in the air is discharged from the room to outside, so the hazardous effects of the naphthalene vapor is prevented.On the top of the aluminum plate, which is located in the 90° turning test section?s bottom side,representing the endwall of a turbine, seven different fence configurations are used including the no fence configuration.Single and double fence cofigurations as well as full and half fence configurations and the combinations of these four configurations are used.The configurations used are as follows; no fence configuration, full fence configuration, half fence (upstream) configuration, half fence (downstream) configuration, double full fence configuration, double half fence (upstream) configuration, double half fence (downstream) configuration.The heat/mass transfer coefficients? distributions and area averaged Sherwood number of the fence configurations which include at least one fence are compared with the heat/mass transfer coefficients? distributions and area averaged Sherwood number of the ?no fence? configuration.Furthermore, a comparison is also made with an investigation exits in literature. The results and the contour plots of the both investigations seem to be similar.The naphthalene sublimation technique is used to obtain heat/mass transfer coefficients. In heat transfer experiments, there are usually conduction and radiation losses. As a result, isothermal ve adiabatic boundary conditions are approximate; but with the use of the naphthalene sublimation technique, these boundary conditions can be applied with a little or zero error.The naphthalene sublimation technique is applied on the naphthalene specimens located on the aluminum plate. The aluminum plate holds one hundred and eight naphthalene specimens and is separated into six rows (i) and eighteen columns (j).Every naphthalene specimen is weighed before and after a test run which has a duration of approximately ninety minutes. Then, the measured weights of the naphthalene specimens are substracted from each other, in order to obtain the sublimation amount of that specific naphthalene specimen in the test run. After that, the natural mass convection (sublimation) correction is applied and the calculation method that is explained in the thesis is used to determine the dimensionless Sherwood numbers.The results of the experiments show that, boundary layer fences affect the heat/mass transfer coefficients along the aluminum plate, the bottom side of the 90° turning duct, in a more distinguished way.Sherwood number distributions along i =1,3,4,6 are shown as points in order to reflect the behavior of the dimensionless Sherwood numbers in each configuration tested.All of the fence configurations are observed to increase the heat/mass transfer levels from the pressure side to suction side of the 90° turning duct.Some of the fence configurations, especially half fence configurations, are observed to affect the heat/mass transfer levels around the fence.Comparisons are made between fence configurations in order to understand the effects of each fence configuration. Double half fence configuration has the highest area average Sherwood number value. The vortices inside the turning duct caused by the fences effect the heat/mass transfer and they increase the amount of the heat/mass transfer levels.First of all, full fence and the no fence configurations are compared and it is seen that full fence configuration?s heat/mass transfer is more than the no fence configuration?s except on the row i = 3.Secondly, full fence and the half fence (upstream) configurations are compared and it is seen that half fence (upstream) configuration has the higher heat/mass transfer levels than the full fence on every row of the aluminum plate.Then, double full fence and full fence configurations are compared and it is observed that, double full fence configuration has the higher heat/mass transfer levels than the full fence.After that, double full fence and double half fence (upstream) are compared and it is seen that double half fence (upstream) configuration has the higher heat/mass transfer levels than double full fence configuration.Also, half fence (downstream) and half fence (upstream) configurations are compared and it is seen that half fence (downstream) configuration has the higher heat/mass transfer levels than half fence (downstream) configuration.Finally, double half fence (upstream) and double half fence (downstream) are compared and it is observed that double half fence (upstream) has the higher heat/mass transfer levels than double half fence (downstream) configuration.