Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması
Investigating the effect of impinging jet and rib usage on the cooling performance of the channel surface
Yazar: ORHAN YALÇINKAYA
Danışman: DOÇ. DR. UFUK DURMAZ
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Jet çarpmalı soğutma (JIC), genellikle gaz türbin kanatlarının ön kenarı gibi yüksek sıcaklıklara maruz kalan yüzeylerin soğutulması için kullanılan bir tekniktir. Bu yöntemde, yüksek hızda bir akışkan jeti hedef yüzeye yönlendirilir, bu da yüzeydeki ısı transferini artırarak malzemenin aşırı ısınmasını önlemeye yardımcı olur. Jet çarpmalı soğutma enerji üretiminde ve havacılıkta sıkça kullanılan bir soğutma yöntemidir. Gaz türbin teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, gaz türbin kanatları daha yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır. Bu durum, hedef yüzeyin sürekli olarak artan maksimum çalışma sıcaklığına maruz kalması anlamına gelir. Hedef yüzeyin homojen bir şekilde soğutulmaması durumunda, yüksek yerel yüzey sıcaklıkları performansı düşürebilir ve kanat malzemesinin kullanım ömrünü azaltabilir. Gaz türbin kanatçıklarının dâhili soğutma kanallarında hedef yüzey üzerindeki ısı transferini artırmak ve ısı transfer dağılımını üniform hale getirmek amacıyla yüzey üzerinde pin ve rib gibi kanatçıklı yapılar tercih edilmektedir.
Bu çalışmada düz hedef yüzeye sahip uzatılmış jet çarpmalı model kullanılmıştır. Düz hedef yüzey, öncelikle eliptik ve slot biçimli pinler ile pürüzlendirilmiş ve pinlerin ısı transfer performansına etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Dikdörtgen bir kanal akışında değişken nozul uzunlukları, farklı pin düzenlemeleri ve Reynolds sayıları (Re) için çeşitli pin yüksekliklerinin konvektif ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Pinler kademeli ve dairesel bir düzende hedef yüzeye yerleştirilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar ve sayısal çözüm prosedürü literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Sınır koşulları dikkate alınarak SST k-ω türbülans modeli ile analizler gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan sayısal model, pürüzsüz ve pin-pürüzlü hedef yüzeyler için ısı transferini ve basınç düşümünü makul bir şekilde tahmin etmiştir. Deneysel verilerle doğrulanmış model kullanılarak ilgili yüzeydeki ortalama Nusselt sayıları (Nu) ve basınç düşümleri, farklı boyutsuz pin yükseklikleri (Hp/d = 0, 167, 0,417, 0,667), çeşitli pin düzenlemeleri (R1, R2, R3), boyutsuz nozul uzunlukları (G/d = 1,0, 2,0, 6,0) ve Re sayıları (16250, 27100, 32500) için sayısal olarak belirlenmiştir. Sayısal sonuçlar, orifis plakalı diğer bir deyişle geleneksel çarpan jet modeli (G/d = 6,0 ve Hp/d = 0) ile de karşılaştırılmıştır. Eliptik pinli düz hedef yüzey için elde edilen sonuçlar geleneksel çarpan jet modeliyle karşılaştırıldığında, Re = 16250'de R2_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 için ortalama Nu sayısının %35,82'ye kadar arttığı görülmüştür. Sistemin akış özellikleri ve termal performans kriteri (TPC) dikkate alındığında tüm Re sayıları için optimum parametreler R3_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 olarak belirlenmiştir. Ayrıca eliptik pin sıra sayısının arttırılması, yerel ısı taşınım katsayısı dağılımının homojenliğini de artırmıştır. Buna ilave olarak slot pin geometrisi kullanıldığında maksimum ısı transfer artışı R1_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 parametrelerinde %33,2 olarak hesaplanmıştır.
Ayrıca deneysel olarak jet akışı ile çapraz akış arasındaki etkileşimi azaltmak ve jet akışının potansiyel çekirdek bölgesinde hedef yüzeye çarpması için jetler nozullar ile hedef yüzeye doğru uzatılmıştır. Son olarak, kanal içindeki konvektif ısı transferini ve türbülans yoğunluğunu artırmak için jetlerin hemen hizasında olacak şekilde hedef yüzey konik pinler ile pürüzlendirilmiştir. Boyutsuz nozul yüksekliklerinin G/d (1, 2, 3 ve 6), boyutsuz konik pin yüksekliklerinin Hc/d (0,67, 1,00 ve 1,33) ısı transferi ve akış karakteristikleri üzerindeki etkileri belirlenmiştir. 
Deneysel verilerin elde edilmesi aşamasında Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği TLC Laboratuvarı kullanılmıştır. Belirlenen modeller üzerindeki ısı taşınım katsayısını belirlemek için sıvı kristal termografisi yöntemi tercih edilmiştir. Optimum nozul uzunluğu ve konik pin geometrisi belirlenerek en iyi termal performansa sahip model parametreleri belirlenmiştir. Aynı zamanda, önerilen model ile ihmal edilebilir bir basınç kaybı artışı ile birlikte hedef yüzey üzerindeki ortalama ısı taşınım katsayısında yaklaşık olarak minimum %5'lik bir artış elde edilmiştir.
Yukarıda bahsedilen çalışmalar daha ziyade düz hedef yüzeyler üzerine gerçekleştirilmiştir. Gaz türbin kanatlarının iç yüzeyleri genellikle konkav bir geometriye sahiptir. Söz konusu pin konfigürasyonları, özellikle içbükey yüzeylerde, ısı transferini artırmak ve sıcaklık dağılımını daha homojen hale getirmek amacıyla da kullanılabilir. Bu sayede soğutucu akışkanın yüzeyle etkileşimini artırarak daha etkili bir soğutma sağlanabilir. Sonuç olarak düz hedef yüzeylerde olduğu gibi, içbükey yüzeylerdeki pin konfigürasyonları jet çarpmalı soğutma sistemlerinin genel ısı transfer performansını artırmaya yönelik bir strateji olarak benimsenebilir.
Bu kapsamda, çarpmalı jet dizisine sahip yarım daire şeklindeki bir kanal akışında içbükey yüzey eliptik ve aerofoil pinlerle pürüzlendirilmiştir. Bu çalışmaların temel amacı, uzatılmış jet deliği ile eliptik ve aerofoil pin kombinasyonlarının ısı transfer performansı ve akış özelliklerini belirlemek ve bir türbin kanadının soğutulmasında uygulanabilirliğini ortaya koymaktır. Ayrıca farklı bir çalışmada aynı model için pinlerin yanı sıra uzatılmış jet ve rib etkileşimi de incelenmiştir. Sayısal çözüm prosedürünün ısı transferi ve akış özelliklerini doğrulamak için mevcut literatürdeki deneysel veriler kullanılmıştır. Türbülans denklemlerinin çözümünde düşük Re düzeltmeli SST k-w türbülans modeli tercih edilmiştir.
İçbükey hedef yüzeye eliptik pinlerin yerleştirildiği modellerdeki sayısal çalışmalarda sabit üç sıra (R3) sıralı pin dizilimi tercih edilmiş ve analizler farklı Reynolds sayıları (Re = 5000, 15000 ve 25000), boyutsuz nozul-hedef yüzey mesafeleri (0,5 ≤ G/d ≤ 8,0) ve boyutsuz orifis plakası-hedef yüzey mesafeleri (H/d = 4,0 ve 8,0) altında gerçekleştirilmiştir. İçbükey hedef yüzeye aerofoil pinlerin monte edildiği fiziksel modellerde ise H/d = 8,0 olarak alınmıştır. Buna ilave olarak, bir sıra (R1), iki sıra (R2) ve üç sıra (R3) sıralı pin dizilimlerinin içbükey yüzey boyunca konvektif ısı transferi üzerindeki etkisine ilişkin bir değerlendirme yapılmıştır.
Pürüzsüz ve pinli hedef yüzeylerdeki ortalama Nu sayıları, yerel Nu konturları, akış özellikleri ve termal performans kriteri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sonuçlar, geleneksel çarpan jet ile karşılaştırıldığında G/d'nin azaltılması ve yüzeyin pinlerle pürüzlendirilmesiyle yerel ve alan ortalamalı Nu sayılarının arttığını göstermiştir. Re = 25000 için H/d = 8,0'da uzatılmış jet (G/d = 0,5) ve eliptik pin-pürüzlü yüzey tasarımı ile maksimum ısı transfer artışı %55,68 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, eliptik pinli modelde en yüksek TPC değeri, Re = 25000'de G/d = 2,0 ve H/d = 8,0 parametreleri için 1,10 olarak hesaplanmıştır. Aerofoil pin tasarımı ile konkav yüzeydeki en yüksek ısı transfer artışı ise R2 sıralı pin dizilimi ile Re = 25000'de G/d = 0,5 için %52,81 olarak hesaplanmıştır. Maksimum TPC değeri ise R2 sıralı pin dizilimi ile Re = 25000'de G/d = 2,0 için 1,12 olarak elde edilmiştir.
Farklı bir çalışmada ise, içbükey pürüzsüz yüzey analizlerinde kademeli jet dizilimi ve konkav yüzeyin eğrilik etkisi nedeniyle komşu çarpan jetler arasında ilave bir ölü akış bölgesi oluştuğu görülmüştür. Bu bölge konkav yüzeyde düşük ısı transfer bölgelerine yol açmıştır. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için durma noktasının oluştuğu bölgelere dikdörtgen kesitli V-şekilli ribler (VSR) yerleştirilmiştir. Konvektif ısı transferini arttırmak ve termal stres etkisini nispeten azaltarak daha homojen bir ısı transfer dağılımı elde etmek için farklı boyutsuz rib yüksekliklerinin (Hr/d = 0, 0,2, 0,3 ve 0,4), boyutsuz nozul-hedef yüzey mesafelerinin (G/d = 0,5, 2,0, 4,0 ve 8,0) ve rib açılarının (α = 30˚, 45˚, 60˚ ve 90˚) konkav yüzey üzerindeki etkisi de nümerik olarak araştırılmıştır. Sonuçlar, geleneksel jet çarpma konfigürasyonuna kıyasla genel ısı transferinde bir artışa ve daha üniform bir ısı transferine yol açmıştır. Uzatılmış jetlerin VSR ile kombinasyonu sonucu elde edilen en önemli ısı transfer artışı, α = 45˚ için G/d'nin 0,5'e düşürülmesiyle Hr/d = 0,2'de %47,23 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca önerilen modelde en yüksek TPC değeri G/d = 2,0, Hr/d = 0,2 ve Re = 25000'de 1,07 olarak belirlenmiştir.
Sonuçlar dikkate alındığında, pin ile pürüzlendirilmiş yüzeyler, uzatılmış JIC sistemlerinde ortalama ve yerel ısı taşınım katsayılarının yüzey üzerindeki homojenliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu sayede termal gerilmelerin ilgili yüzey üzerindeki olumsuz etkisi azaltılabilir ve kanat malzemesinin ömrü uzatılabilir. Sonuç olarak, pürüzsüz yüzeye kıyasla yüzeyin soğutma performansı artarılırken yerel sıcaklıklar önemli ölçüde azaltılarak bölgesel aşırı ısınma riskini en aza indirilmektedir. Eklemeli imalat teknolojilerinin gelişmesi, gaz türbin kanatlarının dâhili soğutma kanallarında bu tip geometrilerin kullanılmasını mümkün kıldığı için bu çalışma sonucunda literatüre önemli bir katkı sağlanacaktır.

Abstract:
Jet impingement cooling (JIC) is a technique commonly used to cool surfaces exposed to high temperatures, such as the leading edges of gas turbine blades. In this method, a high-speed fluid jet is directed towards the target surface, increasing heat transfer on the surface and preventing material overheating. Jet impingement cooling is a widely employed cooling method in energy production and aviation, especially with advancements in gas turbine technology leading to higher temperatures for turbine blades. As the maximum operating temperature of the target surface continuously increases due to advancements in gas turbine technology, it becomes crucial to prevent excessive local surface temperatures. Elevated temperatures in specific regions can not only diminish the aerodynamic efficiency of the blades but may also contribute to an increased likelihood of structural deformations and deformities. The consequence of failing to achieve uniform cooling on the target surface extends beyond immediate operational challenges, exerting a substantial impact on the overall performance and longevity of the gas turbine blades. Non-uniform cooling introduces a host of detrimental effects that compromise the functionality and structural integrity of the blades.
In order to enhance heat transfer on the target surface and achieve a uniform distribution of heat transfer in the internal cooling channels of gas turbine blades, structures such as pins and ribs are preferred on the surface. Pins and ribs act as key elements in this thermal enhancement strategy. By introducing these features on the surface, the flow dynamics of the cooling fluid are modified, promoting increased convective heat transfer. The pins create localized turbulence in the fluid flow, enhancing the heat exchange process and preventing the formation of stagnant boundary layers. This, in turn, helps in achieving a more uniform distribution of cooling across the target surface. In addition to improving heat transfer efficiency, the presence of pins and ribs contributes to the prevention of hot spots and ensures that the cooling effect extends consistently throughout the internal cooling channels. This becomes especially crucial in preventing localized overheating, which could lead to material degradation, reduced performance, and a shorter lifespan of the blade.
In this study, an extended jet impingement model with a flat target surface was employed. The flat target surface was initially roughened with elliptical and slot-shaped pins, and the effects of pin arrangements on heat transfer performance were numerically investigated. Various pin heights were examined for variable nozzle lengths, different pin arrangements, and Reynolds numbers (Re) in a rectangular channel flow. The pins were arranged in a staggered and circular pattern on the target surface to enhance heat transfer and achieve a uniform distribution of heat transfer. The numerical results and solution procedure were validated by comparing them with experimental data from the literature. The analyses were conducted using the SST k-ω turbulence model, considering boundary conditions. The numerical model accurately predicted heat transfer and pressure drop for both smooth and pin-roughened target surfaces. Average Nusselt numbers (Nu) and pressure drops were numerically determined for different dimensionless pin heights (Hp/d = 0.167, 0.417, 0.667), various pin arrangements (R1, R2, R3), dimensionless nozzle lengths (G/d = 1.0, 2.0, 6.0), and Reynolds numbers (16250, 27100, 32500). The numerical results were compared with the orifice plate model, i.e., the traditional impinging jet model (G/d = 6.0 and Hp/d = 0). For the elliptical-pinned flat target surface, a maximum increase of 35.82% in the average Nu number was observed at Re = 16250 for R2_G/d = 1.0 ve Hp/d = 0.167. Optimal parameters for the entire range of Reynolds numbers, considering flow characteristics and thermal performance criteria (TPC), were determined as R3_G/d = 1.0 and Hp/d = 0.167. Additionally, increasing the number of elliptical pins improved the homogeneity of the local heat transfer coefficient distribution. Furthermore, when a slot pin geometry was used, the maximum heat transfer increase was calculated as 33.2% for parameters R1_G/d = 1.0 and Hp/d = 0.167.
Experimentally, to reduce the interaction between the jet flow and crossflow and ensure that jets extended towards the target surface in the potential core region, jets were elongated using nozzles. Finally, to enhance convective heat transfer and turbulence intensity within the channel, the target surface was roughened with conical pins immediately after the jets. The effects of dimensionless nozzle heights (G/d = 1.0, 2.0, 3.0, 6.0), dimensionless conical pin heights (Hc/d = 0.67, 1.00 and 1.33) on heat transfer and flow characteristics were determined.
Experimental data were obtained using Sakarya University Mechanical Engineering TLC Laboratory, and liquid crystal thermography was used to determine the heat transfer coefficients on the identified models. Optimal nozzle length and conical pin geometry were determined to achieve the best thermal performance. Additionally, the proposed model resulted in approximately a minimum 5% increase in average heat transfer coefficient on the target surface with negligible pressure loss.
The aforementioned studies mainly focused on flat target surfaces, while the internal surfaces of gas turbine blades often have a concave geometry. The pin configurations mentioned can also be applied on concave surfaces, especially to enhance heat transfer and create a more homogenous temperature distribution. Consequently, pin configurations on concave surfaces can be adopted as a strategy to improve the overall heat transfer performance of jet impingement cooling systems, similar to the approach for flat target surfaces.
In this context, a channel flow with a semi-circular shape and a jet array was used to roughen a concave surface with elliptical and aerofoil pins. The fundamental goal of these studies was to determine the heat transfer performance and flow characteristics of elliptical and aerofoil pin combinations with an extended jet hole and to demonstrate their applicability in cooling a turbine blade. Additionally, in a different study, the interaction between ribs and extended jets was investigated for the same model. Experimental data from the literature were used to validate the numerical solution procedure, and the low-Re corrected SST k-w turbulence model was preferred for solving the turbulence equations.
In numerical studies of models where elliptical pins were placed on concave target surfaces, a fixed three-row (R3) pin arrangement was preferred, and analyses were conducted for different Reynolds numbers (Re = 5000, 15000, and 25000), dimensionless nozzle-target surface distances (0.5 ≤ G/d ≤ 8.0), and dimensionless orifice plate-target surface distances (H/d = 4.0 and 8.0). For physical models with aerofoil pins mounted on concave surfaces, H/d was taken as 8.0. Furthermore, an evaluation was made regarding the effect of single-row (R1), double-row (R2), and triple-row (R3) pin arrangements along the concave surface on convective heat transfer.
Average Nu numbers, local Nu contours, flow characteristics, and thermal performance criteria on smooth and pinned target surfaces were thoroughly examined. The results showed that reducing G/d and roughening the surface with pins increased both local and area-averaged Nu numbers compared to the traditional impinging jet configuration. For Re = 25000 at H/d = 8.0, maximum heat transfer enhancement of 55.68% was achieved with an extended jet (G/d = 0.5) and elliptical pin-roughened surface design. Additionally, the highest TPC value for the elliptical-pinned model was calculated as 1.10 for G/d = 2.0 and H/d = 8.0 at Re = 25000. For the aerofoil pin design, the highest heat transfer increase on the concave surface was 52.81% for the R2 pin arrangement at Re = 25000 and G/d = 0.5. The maximum TPC value was obtained as 1.12 for the R2 pin arrangement at Re = 25000 and G/d = 2.0.
In a different study, it was observed in the analysis of smooth concave surfaces that a dead flow region occurred between adjacent impinging jets due to the gradual jet array and the curvature effect of the concave surface. This region led to low heat transfer areas on the concave surface. To overcome this disadvantage, rectangular-sectioned V-shaped ribs (VSR) were placed in regions where the stagnation point occurred. The effect of different dimensionless rib heights (Hr/d = 0, 0.2, 0.3, and 0.4), dimensionless nozzle-target surface distances (G/d = 0.5, 2.0, 4.0, and 8.0), and rib angles (α = 30˚, 45˚, 60˚, and 90˚) on the concave surface was numerically investigated to increase convective heat transfer, reduce thermal stress, and achieve a more uniform heat transfer distribution. The results indicated an increase in overall heat transfer and a more uniform heat transfer compared to the traditional jet impingement configuration. The most significant increase in heat transfer due to the combination of extended jets with VSR was calculated as 47.23% for Hr/d = 0.2 and α = 45˚ with a reduction of G/d to 0.5. Additionally, the highest TPC value in the proposed model was determined as 1.07 for G/d = 2.0, Hr/d = 0.2, and Re = 25000.
In light of the findings, it is apparent that surfaces enhanced with pin configurations substantially influence the uniformity of both average and local heat transfer coefficients within extended jet impingement cooling systems. This innovative approach holds the potential to mitigate the deleterious impacts of thermal stresses on the pertinent surface, thereby prolonging the operational life of the blade material. As a result, the cooling performance of the surface demonstrates improvement when compared to a smooth surface, accompanied by a noteworthy reduction in local temperatures, effectively minimizing the risk of regional overheating. The development of additive manufacturing technologies makes it possible to use such geometries in the internal cooling channels of gas turbine blades, contributing significantly to the literature based on the results of this study.