Eksenel türbin kanatları arasında oluşan ikincil akış kayıplarının birleşik bariyer-yivleme yöntemi uygulanarak azaltılmasının sayısal olarak incelenmesi

Yıl 2023, Cilt: 38 Sayı: 1, 357 - 370, 21.06.2022

Emre Yıldırım , Levent Kavurmacıoğlu

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.686234

Cited By: 1

Öz

Eksenel türbinlerin kanat kökü ve kanat uç bölgelerinde oluşan karmaşık üç boyutlu ikincil akış yapılarının ana akış ile etkileşimi sonucunda yüksek oranda aerodinamik kayıplar oluşmaktadır. Bu çalışmada gaz türbini kanatları arasındaki akışta oluşan ikincil akış kaynaklı aerodinamik kayıpların azaltılmasına yönelik olarak literatürde bağımsız olarak kullanılan iki yöntem birleştirilerek incelenmiştir. Bu yöntemler kanatlar arası bölgeye bariyer ilave edilmesi ve literatürde kompresör kanatları için uygulanan kasa geometrisinin yivlenmesi yöntemleridir. Bu doğrultuda öncelikle bariyer ve yiv uygulanmamış rotor hali incelenmiş, ardından beş farklı geometride bariyer uygulanmış durum ve son olarak her bir bariyerle birlikte olmak üzere iki farklı yiv geometrisi birleştirilerek oluşan geometriler için akış alanları ve kayıplar incelenmiştir. Kayıpların değerlendirilmesinde kanatlar arası bölge giriş ve çıkış toplam basınçlarında görülen farklar ve bu farkların kütle ortalamalı toplam basınç kayıp katsayısına dönüştürülmesi yöntemi uygulanmıştır. Analizlerin sonucunda gerek bariyerlerin tek başlarına ve gerekse yivlerle birlikte kayıp katsayılarında azalma sağladıkları görülmüştür. Sonuç olarak en fazla kazancın 2,0x1,7 mm’lik bariyer ve 1,5x5,2 mm’lik geniş yiv geometrisinin birlikte uygulanmasıyla elde edildiği belirlenmiş ve toplam basınç kayıp katsayısında % 3’lük bir iyileşme sağlanmıştır.

Anahtar Kelimeler

İkincil akış, eksenel türbin, ikincil akış kayıpları, bariyer, yiv

Kaynakça

• 1. Kiran, K. N., Anish, S., Computational investigation of secondary flow losses in linear turbine cascade by modified leading edge fence, World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Engineering, 10 (5), 836-843, 2016. 2. Langston L.S., Secondary flow in axial turbines-a Review, Heat and Mass Transfer in Gas Turbine Systems, Annals of the New York Academy of Sciences, Vol 934, 11-26, 2001. 3. Simon, T.W., Piggush, J.D., Turbine endwall aerodynamics and heat transfer, Journal of Propulsion and Power, 22 (2), 301-312, 2006. 4. Thole K., The Gas Turbine Handbook, National Energy Technology Laboratory US, Chapter 4.2.3. Airfoil Endwall Heat Transfer, 2006. 5. Ligrani, P., Potts, G., Fatemi, A., Endwall aerodynamic losses from turbine components within gas turbine engines, Propulsion and Power Research, 6 (1), 1-14, 2017. 6. Wei N., Significance of loss models in aerothermodynamic simulation for axial turbines, Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm, 2000. 7. Elwan W.M., Shaalan M.R., Nassief M.M., Gobran M.H., Effects of varying tip clearance and axial flow turbine stage performance (Present State of the Art), The Egyptian International Journal of Engineering Sciences and Technology, Vol.18, No.4, 218-228, 2015. 8. Moon Y.J., Koh S.R., Counter-rotating streamwise vortex formation in the turbine cascade with endwall fence, Computers and Fluids, Pergamon, 473-490, 2001. 9. Kawai T., Adachi T., Shinoki S., Secondary flow control and loss reduction in a turbine cascade using endwall fences, The Japan Society of Mechanical Engineers International Journal, Series II, Vol.32, No.3, 1989. 10. Kawai T.,Shinoki S., Adachi T., Visualization study of three-dimensional flows in a turbine cascade endwall region”, JSME International Journal, Series II, Vol.33, No.2, 256-264, 1990. 11. Kumar, K.N., Govardhan, M., Secondary flow loss reduction using endwall fences in a turbine cascade, Proceedings of the 13th Asian Congress of Fluid Mechanics, 659-662,Dhaka-Bangladesh, December 17-21, 2010. 12. Kumar, K.N., Govardhan, M., Visualization of flow through the turbine blade cascade with optimized streamwise boundary layer fence, Journal of Flow Visualization & Image Processing, 19 (1), 57-80, 2012. 13. Goswami, S.M., Govardhan, M., Effect of lean on performance of an axial compressor rotor with circumferential casing grooves, ISROMAC 2016 International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Hawaii, Honolulu, April 10-15, 2016. 14. Zhu, M-M., Qiang, X-Q., Teng, J-F., Numerical loss analysis on slot-type casing treatment in a transonic compressor stage, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 55 (1), 293-306, 2017. 15. Shivayogi A. K., Nagpurwala Q.H., Deshpande M.D., Numerical studies on the effect of slotted casing treatment on the performance of a transonic axial flow compressor, SASTECH 63, Volume 8, Issue 2, September 2009. 16. Legras G., Castillon L., Trébinjac I., Gourdain N., Flow mechanisms induced by non-axisymmetric casing treatment in a transonic axial compressor, Proceedings of the 10th International Symposium on Experimental Computational Aerothermodynamics of Internal Flows, Brussels, Belgium, 4-7 July, 2011. 17. Doshi, M.S., Computational prediction of a large scale HP türbine flow against measured aerodynamic data, the Pennstate University, Department of Aerospace Engineering, MSc Thesis, December 2018. 18. Maral H., Senel C.B., Kavurmacıoğlu L.A., Eksenel gaz türbinlerinde kanat ucu akışının sayısal incelenmesi: kanat ucu boşluğunun ve bağıl hareketin etkisi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 37, 1, 79-92, 2017. 19. Senel, C.B., Maral, H., Kavurmacioğlu, L.A., Camcı, C., Casing grooves to improve aerodynamic performance of a HP turbine blade, Elsevier Aerospace Science and Technology, 76 (2018), 194-203, 2018. 20. El-Batsh H.M., Nada S.A., Abdo S.N., El-Tayesh A.A., Effect of secondary flows on heat transfer of a gas turbine blade, International Journal of Rotating Machinery, Volume 2013, Article ID 797841. 21. Menter F., Ferreira C., Esch T., Konno B., The SST turbulence model with improved wall treatment for heat transfer predictions in gas turbines, Proceedings of the International Gas Turbine Congress, IGTC 2003-TS-059, Tokyo, Japan, November 2-7, 2003. 22. Ataş S., Lineer dizilmiş türbomakina kanatları arasındaki ikincil akışların sabit referans düzleminde sayısal olarak incelenmesi, Doktora Tezi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012. 23. Denton, J.D., Loss mechanisms in turbomachines, Journal of Turbomachinery, 115, 621-655. 1993.