Fırça sızdırmazlık elemanlarında basınç ve sertlik etkileşiminin incelenmesi

Abstract

Tel fırçalar, gaz türbin motorlarında, sızıntı akışını ve soğutmayı etkin olarak kontrol etme amacı ile geliştirilmiştirler. Mükemmel sızıntı performansları ile mevcut labirent keçelerin yerini almışlardır. Teller rotor yüzeyinde kaydıkları için, oluşan aşınma miktarı, yapı ömrünü ve verimi belirlediğinden, önem kazanır. Fırça ömrünü ve verimini en iyileştirmek için tel sertleşmesine sebep olan faktörlerin üzerinde durulmalıdır. Ayrıca malzeme seçimi de önemlidir. Ancak malzeme seçimi konusunda yapılan çalışmalar doyum noktasına ulaşmıştır. Yapılması gereken ise, temas yüklerini belirlemede gerçekçi analizlerin kullanılmasıdır. Bir de, açığa çıkan ısı transferlerini iyi hesap etmek gerekir. Telin bu kompleks yapı içinde davranışını, basınç yükünü ve rotor girişimini, analitik formüllerle belirlemek mümkün olamamaktadır. İşte bunun için 3 boyutlu (3-D) sonlu elemanlar modeli ile çalışılmıştır. Model üç temel esas üzerine oturur, teller, tutucu plaka ve rotor yüzeyi. Her tel, 3 boyutlu (3-D), ikinci dereceden kiriş elemanlar ile numaralandırılmıştır. Teller, tepe noktalarından sabitlenmiş, alt uç noktalarından ise, rotor yüzeyinde, her yönde hareket edebilecekleri şekilde, serbest bırakılmışlardır. Model, 9 adet çevresel sıradan oluşmaktadır. Temas yükleri üzerine daha önceden yapılan analitik çalışmaların aksine, bu modelde teller arasında doğrusal olmayan sürtünme kuvvetleri de dikkate alınmıştır. Sürtünme kuvvetleri, fırça davranışını kesin olarak etkiler ve temas kuvvetlerini belirlemede çok büyük önem arz ederler. Modelde, sınır koşullarını ve kuvvetleri belirlemede, mümkün olduğunca, deneysel yollarla elde edilen veriler kullanılmıştır. Tipik sonuçlar göstermektedir ki, düzgün (uniform) basınç yükü uygulandığında, teller akış istikameti doğrultusunda eğilmektedirler. Fark basınç yükünün uygulanması ile, tel ile rotor arasındaki temas yükünün çok fazla arttığını görmekteyiz. Bu da, fark basıncın tel sertleşmesi üzerindeki etkisini gösterir. Simülasyonlar, rotor girişiminin azalması, basınç yükünün ise devam etmesi durumunda, tellerin, havada adeta asılı kaldıklarını ve eski hallerine dönemediklerini (geri dönüşüm gecikmesi (hysteresis) olayı) göstermektedir.Sonuç olarak, deneysel sonuçlarla elde edilen veriler, modelin çalıştırılması sonucu elde edilen verilerle karşılaştırılmış ve sonuçların kısmen örtüştüğü- : görülmüştür. Bu da programın düzgün çalıştığını teyid etmektedir...*, ?Brush seals are developed to control the leakage flow and cooling effectively,,. in-' gas turbine engines. They are preferred lo be used instead of labyrinth seals, with their high leakage performances. The bristles, which slide against the rolor surface, cause wear at this contacts. It is very important, because of, wear determines the seal life and efficiency. To optimize the brush seal life and efficiency, is needed to study about, the factors that cause stiffness and also selection of materials. Considerable researches has been done about material selection, but it needs to evaluate the contact loads. It is not available to determine the behaviour of the bristles in details with analytical methods, because of its complex structure, under pressure load and rotor interferences. To meet this need, the study represents a 3-D finite element model of brush seal. The model contains bristle bundle, backing plate and rotor surface components. Every bristle is defined by a number of 3-D quadratic beam elements. Bristles can move freely in any direction above the rotor surface, but at the top nodes section, they are fixed, so can not move freely. The model consists of 9 circumferential rows of bristles. This model includes nonlinear fiictional forces between the bristles. As known, the analytical methods do not include this manner. Frictional forces effect the seal behaviour and contact loads, perfectly. It is tried to use available test results about boundary conditions and contact loads, in model. The results typically show that, if an uniform pressure load is applied to the bristles, they deflect in the flow direction. When a differential load is applied, we observe that, the contact load between bristle and rotor, increases. And, this indicates the effect of pressure on bristle stiffening. When rotor interference becomes less under pressure load, simulations show the bristles hung up (hysteresis behaviour). As a result, the comparasion of the model with test results and analytical data, indicates a good agreement. This means, our model is working properly.