Çit tasarımı ve gövde oluk yapılarının eksenel ve transonik bir türbinin aerodinamik performansına etkilerinin incelenmesi

Abstract

Eksenel türbinlerde kanat ucu boşluğunun performansa etkisi oldukça büyüktür. Kanat basınç yüzeyi ve emme yüzeyi arasındaki basınç farkının yarattığı uç sızıntı akışı türbin performansındaki kayıpları artırmaktadır. Uç sızıntı akışı üç boyutlu karmaşık bir yapıya sahiptir. Türbinin dönme hareketi için gerekli olan kanat ucu boşluğu ısıl etkiler de gözönünde bulundurulduğunda belirli bir büyüklüğün altında seçilememektedir. Kanat ucu kayıplarını azaltmaya yönelik çalışmalar seçilebilecek minimum kanat ucu yüksekliği dolayısıyla kısıtlı kalmaktadır. Bu nedenle kanat ucunda sızıntı akışını azaltmak amaçlı çeşitli pasif kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Çit yapılı kanat ucu bu yöntemlerden bir tanesidir. Çit yapısında, kanat uç yüzeyinde belirli genişlik ve derinlikte oyuk oluşturulmaktadır. Bu oyuk, sızıntı akısının vorteks oluşturmasına yol açarak sızıntı debisinin ve basınç kayıplarının azalmasına yardımcı olmaktadır. Bir diğer pasif kontrol yöntemi ise gövde oluk yapısıdır. Bu yöntemde kanat ucu yerine gövde üzerinde oluklar oluşturularak sızıntı akışının azaltılması amaçlanmaktadır. Tez kapsamında bir turbojet motoruna ait eksenel türbinde farklı kanat ucu yüksekliklerindeki düz kanat ucu, nominal yükseklikteki çit yapılı kanat ucu ve gövde oluk yapısının çit kanat ucu ile birlikte uygulandığı durumlar Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak nümerik olarak incelenmiştir. Öncelikle tasarım noktası uç açıklığı olan 0.01h için ağdan bağımsızlık çalışması gerekleştirilmiştir. Kaba, orta ve seyrek olmak üzere üç farklı ağ yapısı oluşturulmuştur. Üç ağ yapısının kanat firar kenarı 0.05 Ca uzaklığındaki basınç kayıp katsayıları karşılaştırılarak çözüm için doğru sonuçları sağlayabilecek ağ yapısına karar verilmiştir. Ağ yapısı belirlendikten sonra, farklı kanat uç açıklıklarının aerodinamik etkileri incelenmiştir. Bu çalışma için seçilen uç açıklıkları, tasarım noktasındaki nominal kanat uç açıklığı olan 0.01h ile bu uç açıklığına ek olarak 0.005h ve 0.025h uç açıklığı değerleri olmuştur. Üç farklı uç açıklığı değeri için HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Aerodinamik etkiler incelenirken kanat boyunun orta değeri olan 0.5h ve kanat boyu ucuna yakın bir değer olan 0.96h yüksekliklerindeki yüzeylerde basınç kayıp katsayıları karşılaştırılmıştır. Kanat orta yüzeyindeki kayıp katsayıları tüm uç açıklıkları için çok yakın sonuçlar verirken, kanat ucuna yakın yüzeyde birbirlerinden ayrışmaktadırlar. 0.005h uç açıklığı için kayıp katsayılarının düşük değerlerde olduğu görülürken, en yüksek basınç kayıp değerinin 0.025h uç açıklığı için gerçekleştiği görülmüştür. Kanat boyu üzerindeki incelemelere ek olarak kanat veter boyunca da aerodinamik etkiler incelenmiştir. Kanat firar kenarından 0.05Ca uzaklıkta oluşturulan yüzeydeki basınç katsayıları incelendiğinde, kanat ucu açıklığı arttıkça sızıntı vorteksinin küçülerek pasaj vorteksinin büyüdüğü gözlenmiştir. Uç açıklığından geçen sızıntı debi değerleri de karşılaştırılmıştır. 0.005h uç açıklığından geçen sızıntı debisinin 0.01h uç açıklığına göre %68 azaldığı görülürken, 0.025h uç açıklığı için %172 arttığı görülmüştür. Basınç kayıp katsayısı değişimlerini incelendiğinde 0.005h uç açıklığı değerinin 0.01h durumuna göre 0.94% azaldığı, 0.025h durumun ise 0.01h uç açıklığına göre 2.08% arttığı görülmüştür. Çit geometrisinin türbin kayıplarına etkilerinin incelendiği çalışmada çit duvar kalınlığı 0.2mm, oyuk derinliği ise 0.35mm seçilmiştir. Çit yapısı akış hacmi için hibrit ağ yapısı oluşturulmuştur. Kanat 0.9h yüksekliğine kadar hegzagonal ağ oluşturulurken çit yapısını içeren uç kısmında tetragonal ağ yapısı oluşturulmuştur. HAD çözüm sonuçları incelendiğinde, kanat uç yüzeyindeki basınç kayıp katsayılarının 0.01h uç açıklığı olan kanada göre 0.19% azaldığı görülmüştür. Kanat çıkışında yine kayıplar azalırken sızıntı vorteksinin küçüldüğü ve pasaj vorteksinin büyüdüğü görülmüştür. Sızıntı debisi değerleri incelendiğinde çit tasarımında orjinal tasarıma göre %9 oranında bir azalma olduğı görülmüştür. Gövde oluk çalışmasında oluk derinliği 0.01h ve genişlik değeri 0.005Ca seçilmiştir. 2, 4 ve 6 adet oluk yerleştirildiği üç farklı gövde oluk yapısı için bir önceki çalışmada kullanılan çit tasarımlı kanat ile birlikte HAD çözümleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, gövde oluk sayısı artışı ile sızıntı vorteksinde küçülme ve pasaj vorteksinde büyüme görülmüştür. Sızıntı debisi değerleri incelendiğinde 2 oluklu gövde için debi değerinin orjinal tasarıma göre %31.9 oranında, 4 ve 6 oluklu gövdeler için ise sırasıyla %50.8 ve %68 oranlarında azaldığı görülmüştür. Basınç kayıp katsayısı değişimi ise düz kanada göre 2 oluklu gövde için 0.32% azalma görülürken, 4 oluklu gövde de bu değer 0.25%, 6 oluklu gövdede ise 0.27% azalma sonucu vermiştir. Çalışmaların sonucunda, uç açıklığı değerini küçültmenin basınç kayıp katsayılarını ve sızıntı debisini azalttığı görülmüştür. Bu değeri arttırmanın CP0 ve sızıntı debi değerlerini arttırdığı görülmüştür. Çit tasarımında sızıntı debisi ve CP0 değerleri düz kanat tasarımına göre azalmıştır. Çit tasarımına gövde oluk yapılarının da eklendiği tasarımlarda aerodinamik etkiler incelendiğinde sızıntı debisi ve basınç kayıpları değerlerinin daha da azaldığı görülmüştür. Tüm incelenen tasarımlar arasında en düşük CP0 değeri 2 oluklu gövde için görülürken, en düşük sızıntı debisi 6 oluklu gövde için gerçekleşmiştir.