Aerothermal performance of rotating turbine cooling features

Abstract

Türbin soğutma bugünün gaz türbinli motorlarındaki en önemli teknolojilerden biridir. Gaz türbinli motorlara yaklaşık 80 sene önce entegre edilen bu teknoloji uzun yıllardır geliştirilmeye devam etmekte. Rib türbülatör soğutma yapısı ise bu teknolojinin en önemli parçalarından birisi. Bu çalışmada, literatürde genişçe kabul edilmiş, sabit ve döner koşulda PIV ile TLC ile ölçümler alınmış bir çalışmanın test dataları ile mevcut çalışma kapsamında yapılan RANS CFD analizlerinin sonuçları karşılaştırılmış ve bulgular raporlanmıştır. Bölüm 1'de, gaz türbinli motorların tarihsel gelişimi anlatılmıştır. Sonrasında gaz türbinli motorların çalışma prensipleri ve bu motorların çalışma çevrimi olan Brayton Çevrimi aktarılmıştır. Türbin soğutmanın tarihçesi ve önemi de anlatılarak bu bölüm sonlandırılmıştır. Bölüm 2'de, literatür taraması detaylıca aktarılmıştır. Rib türbülatorlerdeki akış fiziği farklı çalışmalar vasıtasıyla aktarılmıştır. Bu bölümde rib türbülatör tasarım parametrelerinin rib performansına etkisi de incelenmiştir. Bölüm 3'de, baz çalışma detaylıca açıklanmıştır. Test sistemi ve test kampanyası aktarılmıştır. Akış alanı ve ısı transferi test sonuçları gösterilmiştir. Test geometrisi ve ölçüm yöntemleri de anlatıldıktan sonra bu bölüm bitirilmiştir. Bölüm 4'de, numerik modelleme yaklaşımları ve sonuçlar gösterilmiştir. Kullanılan CFD programı, geometri, mesh ve türbülans modelleri sırasıyla açıklanmıştır. Bunlara ek olarak çözücü ayarları, sınır koşulları ve analiz matriksi de bu bölümde yer almaktadır. Son olarak da durağan ve döner koşuldaki analiz sonuçları ile baz çalışmadaki test sonuçları karşılaştırılmıştır. Bölüm 5'te, çalışmanın sonuçları özetlenmiş ve tartışılmıştır. Çalışmanın özeti olarak, yeniden tutunma problemlerinde RANS CFD modellemelerinde dikkatli olunması gerektiği aktarılmıştır. Analiz ve test sonuçları durağan ve stabil döner koşullarda, belli bir marjin ile birbiri ile uyumlu çıkmıştır. Bunla birlikte stabil olmayan döner koşulda sonuçlar analiz ayarlarına bağlı olarak oldukça değişmektedir.

Turbine cooling is one of the most important technologies in today's gas turbine engines. This technology, which has been integrated into gas turbine engines almost 80 years ago, has been continuously developed for many years. Rib turbulator cooling structures have been one of the most important structures of this technology in the past and today. In this study, the results of a wide-known study about rib turbulators under stationary and rotary conditions with PIV and TLC measurement in the literature are compared with the RANS CFD results and the findings are reported. In Chapter 1, the history and critical milestones of gas turbine engines are explained. After this, the operating principles of gas turbine engines and Brayton Cycle are explained. This chapter is concluded by explaining the importance of turbine cooling and its development history. In Chapter 2, an extensive literature review is presented and the fluid physics in rib turbulator structures is explained case by case through studies. In this section, where basic physics is explained, the effect of design changes in rib turbulator structures on rib performance is also revealed. In Chapter 3, the base case is explained in detail. The test rig and test campaign are explained. Flow field and heat transfer results are shown. Test geometry and measurement methods are explained. In Chapter 4, numerical approaches and solutions are shown. The CFD program used, geometry, grid generation and turbulence models are explained respectively. In addition, solver setup, boundary conditions and analysis matrix are shown. Finally, the analysis results in stationary and rotary cases were compared with the test. In Chapter 5, the results are summarized and discussed. As a result of the study, it was stated that caution should be exercised in solving reattachment problems with RANS CFD models. Test and CFD results are compatible with each other with constant margins under stabilized rotary and stationary conditions. However, in the case of destabilized rotary, the results vary considerably depending on the CFD setup.