Lineer Dizilmiş Türbomakina Kanatları Arasındaki İkincil Akışların Sabit Referans Düzleminde Sayısal Olarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada lineer dizilmiş rotor ve stator türbin kanatları arasındaki ikincil akışlar sabit referans düzleminde sayısal olarak incelenmiş ve kanatlar arasındaki akışın karakteristik özellikleri irdelenmiştir. Türbin kanatları arasındaki akıĢa bakıldığında kanatların yapısı (kamber açısı) dolayısı ile bir eğrilik söz konusudur. Standart k-ε türbülans modeli izotropik bir yapıya sahip olup akışta oluşan eğrilikle değiĢmemektedir. Bundan dolayı standart k-ε türbülans modeli modifiye edilmiĢ ve kullanıcı tanımlı fonksiyonlar ile akıştaki eğriliği dikkate alacak Ģekilde algoritmaları oluĢturulmuş, programlanarak, çözümlemelere eklenmiştir. Çalışmada öncelikle türbin stator kanatları incelenmiş ve kanat yüksekliği boyunca statik basınç katsayıları ile Mach sayıları deneysel ve tasarımsal verilerle kıyaslanarak model doğrulanmıştır. Ayrıca, sınır tabakasının kanada etkisini etüt etmek amacıyla sınır tabakanın yüksekliği artırılmış ve bunun kanadın yüküne ve verimine etkisi incelenmiştir. Sonuç olarak, sınır tabakasının büyümesinin kanat hücum kenarında oluşan at nalı vorteksinin alanını genişlettiği, kanat hücum kenarında semer noktasının kanada daha uzak bir bölgede oluşmasına sebep olduğu ve böylece kanat içinde oluşan pasaj vorteksinin de daha etkin ve geniş bir hacimde oluĢmasına sebep olduğu gözlemlenmiĢtir. Dolayısıyla sınır tabakanın büyümesinin kanadın verimliliğine negatif etkisinin olduğu belirlenmiştir. Son bölümde ise lineer dizilmiĢ 3 boyutlu rotor kanadı ele alınmış ve kanat ucundaki kaçak akımının pasaj vorteksi ile etkileşimi ile oluşan düşük basınçlı yerel bölge kanat emme tarafında gözlemlenmiştir. Kanat yükünün kanat orta düzleminde maksimum olduğu kanat ucunda ise kanat yükünün azaldığı belirlenmiştir. Ayrıca kanat ucu boşluğu büyütülerek analizler yapılmıştır. Sonuç olarak kanat ucu boşluğunun büyümesinin kanat ucu vorteksinin büyümesine, kaçak debisinin ve kanat pasajı boyunca kayıpların artmasına sebep olduğu görülmüştür.

In this study, computational analysis of secondary flows in linear turbomachinery cascade with stationary reference frame model has been performed to examine flow characteristics. When turbine blade design is concerned, it has a curved structure. However standard k-ε turbulence model is isotropic, so it is not sensitive to curved flows. Therefore, turbulence model should be modified in order to take into account curvature effect in turbine blade passages. In this study, algorithms and programs for modifications of curvature correction to turbulence model has been developed and added to the solutions. In this study, firstly 3D numerical analyses are performed with these modified turbulence models on linear placed turbine stator. At the beginning, experimental static pressure coefficient and design Mach numbers are compared with results obtained in numerical analyses along the stator height in order to verify numerical solutions. Boundary layer thickness is increased and its effect on blade load and efficiency is analysed. As a result, the region of horse shoe vortex is enlarged and saddle point is generated more far away from leading edge. Thus, passage vortex occupied much more volume inside the blade. Naturally, it is specified that increase on boundary layer thickness has a negative effect on both power generated and efficiency. Later, 3D turbine rotor blade is examined and numerically analysed with modified turbulence models. In this scope, blade tip vortex and passage vortex interaction is evaluated at blade suction side. As a result, the blade load is seen as maximun at the mid plane and decreased at the blade tip. In order to examine effect of gap thickness, analyses are performed. As a conclusion, it is seen that increasing gap thickness leads to bigger vortexes, higher gap flow and higher losses through rotor passages.