90° Dönüşlü Kanal İçi Akışta Sınır Tabakası Bariyeri Etkisinin Sayısal Akışkanlar Dinamiği(sad) İle İncelenmesi

Abstract

Gaz türbinlerinin verimlerini iyileştirme çalışmaları, türbomakina dünyasında ilgi çekici bir konudur. Gaz türbini çevrimlerinin mevcut verimlerinin arttırılması için üç temel yöntem kullanılmaktadır; türbin giriş sıcaklığının arttırılması, basınç kayıplarının kontrol edilmesi ve ortamdan alınan havanın soğutulması. Türbin çevrimlerine uygulaması yapılan bu üç iyileştirme yöntemi de, avantajlarını ve dezavantajlarını birlikte getirmektedir. Bu nedenle; verim seviyelerinde net bir iyileştirme yapabilmek için, uygulanan iyileştirme yöntemlerinde optimizasyon yapılması ihtiyacı doğmaktadır. Yapılan bu tez çalışmasında; gaz türbini pasajlarındaki cidarlara eklenen sınır tabakası bariyerlerinin etkileri çalışılmıştır. Gaz türbini pasajlarının cidarları üzerine sınır tabakası bariyerlerinin eklenmesi, basınç kayıplarının kontrolü için sıkça başvurulan bir yöntemdir. Gas türbini kanatları arasındaki akışın karmaşık yapısının etkisini azaltabilmek için; yapılan literatür araştırmalarının neticesinde, model akış olarak, 90° dönüşlü kanal içi akış seçilmiştir. Sınır tabakası bariyerlerinin etkilerinin incelenmesi için Sayısal Akışkanlar Dinamiği(SAD) ile analiz tercih edilmiştir. Daha önce deneysel olarak da çalışılmış olan, 90° dönüşlü kanal içerisindeki tam türbülanslı akış, bir SAD paket programı olan FLUENT ile çözülmüştür. Akış alanı içerisine eklenen sınır tabakası bariyerlerinin etkileri analiz edilmiştir. Sınır tabakası bariyerlerinin boyutlarındaki değişim ile gelen avantajlar ve dezavantajlar üzerinde bir optimizasyon çalışması yürütülmüştür. Türbülanslı akışın çözülebilmesi için, RNG k-ϵ türbülans modeli tercih edilmiştir. Akışı sınırlayan duvarların akış üzerindeki etkilerinin incelenmesi için, geliştirilmiş duvar işlemlerine başvurulmuştur. Analiz neticesinde elde edilen sonuçların doğruluğu, daha önce deneysel olarak yapılan çalışmanın sonuçları ile karışılaştırılarak kontrol edilmiştir. Karşılaştırma neticesinde doğruluğu ispatlanan SAD ile analiz yöntemi; basınç kayıplarının sınır tabakası bariyerleri ile kontrol edilmesindeki optimizasyon çalışmaları için; doğru, hızlı ve ekonomik bir yöntem olarak ortaya konulmuştur.

Improving the gas turbine efficiency is an attractive subject in the world of turbomachinery. In order to upgrade the levels of existing efficieny levels; three major ways are applied to gas turbine cycles; increasing the turbine inlet temperature, controlling the pressure losses, and cooling the ambient air. Both of these implementations have a trade-off between the advantages and disadvantages as they are applied to the turbine cycles. Therefore, in order to obtain an overall advance in the efficiency levels, the need of an optimization study arises for all three types of applications. In this thesis; effects of boundary layer fences that are applied to the gas turbine passage endwalls are studied. Attaching boundary layer fences to the gas turbine endwall passages is a common method for controlling the pressure losses. To reduce the complexity of flow through the gas turbine blade passages, 90° turning duct flow was chosen as a model flow as a result of literature research. In order to analyze the effects of boundary layer fences, a computational way is preferred. Fully turbulent flow through a square sectioned 90° turning duct, which was also studied experimentally formerly, is investigated by using a commercial CFD package program named FLUENT. Effects of boundary layer fences’ existence in flow field are analyzed. An optimization study is carried out to find out how changes in dimensions of fences affect the trade-off between the advantages and disadvantages. In order to solve the turbulence flow, RNG k-ϵ turbulence model is preferred. Enhanced Wall Treatment is applied to the flow geometry to compute the effects of the wall. To validate the results obtained computationally, results are compared with the former experimental results. By confirmation of the accuracy of the results, computational method applied is declared as an accurate, fast, and economic way for optimization procedure of controlling the pressure losses by using boundary layer fences.