Windage heating in a shrouded rotor-stator cavities

Abstract

Rüzgarlama etkisi (windage) ile ısınma, normalde akışkan bir ortamda dönen (disk, şaft) tüm sistemlerle ilişkili bir olgudur; ancak gaz türbini söz konusu olduğunda, neredeyse her tür kompresör ve türbinde dönen ve sabit parçalar arasındaki yan boşluklarda karşılaşılan bir fenomendir. Akış koşulları ve disklerin yüzey pürüzlülüğü bu kayıp üzerinde bir etkiye sahiptir ve bu da havanın soğutma etkinliğini ve nihayetinde motorun genel verimliliğini etkiler. Bu tezde, dönen ve dönmeyen yüzeylere sahip boşluklarda havanın rüzgarlama etkisi ile ısınmasını daha iyi anlamak için teorik, sayısal ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Bölüm 1'de, ilk olarak ikincil hava sistemlerinin (SAS) işlevleri ve SAS tasarımcılarının sorumlulukları, ilgili okuyucular için ve bu tezde ele alınan özel ilgi alanının daha geniş bir açıklaması olarak tanıtılmaktadır. Ardından, gaz türbinlerinde rüzgarlama etkisinin önemi ve bu tezin önemi kısaca açıklanmıştır. Bölüm 2'de, uzun ve detaylı araştırmalar sonucunda elde edilen teorik bilgiler, denklemlerin türetilmesinden ziyade teorinin mantığını ve temelini, birçok otorite tarafından kabul edilmiş ve doğruluğu birçok testle değerlendirilmiş sonuçlarıyla birlikte açıklamayı amaçlayarak özetlenmiştir. "Serbest disk" ve sınır tabaka gibi dönen akışların temelinden boşluklarda görülen karmaşık akışlara kadar konuları ele alırken literatürde olmayan denklemler ve sonuçlar ortaya koyulmuştur. Ayrıca, bu bölümde öğrenilen tüm teori test düzeneğinde sahip olduğumuz sistem için de uygulanmış ve gerekli hesaplamalar ilgili bölümlerde tekrarlanarak verilmiştir. Bölüm 3'te, C-sharp ve Microsoft Visual Studio kullanılarak geliştirilen 1 Boyutlu boşluk çözücü "SOCS tasarım aracı" tanıtılmıştır. Boşluk boyunca görülen girdap oranı ve kayıp dağılımlarını saniyeler içinde çözen bu aracın doğruluğu ilerleyen bölümlerde sorgulanmıştır ancak bu bölümde yaklaşımda yapılan varsayımın doğruluğu için bir test vakası örneği yapılmıştır. Bölüm 4'te sayısal simülasyonun kurulumu gösterilmektedir. Hatayı en aza indirmek için türbülans modelinin seçimi ve ağın oluşturulması sırasıyla kıyaslama ve ağ bağımsızlığı çalışmaları ile gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, hem yüksek hem de düşük rüzgar seviyelerini temsil eden birden fazla test verisi ile doğrulanmıştır ve bu da kurulumun makul olduğunu göstermektedir. Daha da önemlisi, simülasyonlar ve 1 Boyutlu boşluk çözücü arasındaki karşılaştırma çalışmaları, "SOCS tasarım aracının" doğruluk ve hesaplama maliyeti açısından ne kadar avantajlı olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca, pürüzlülük çalışmaları da literatüre kıyasla makul sonuçlar üreten Schlichting modeli kullanılarak CFD içinde gerçekleştirilmiştir. Bölüm 5'te, test teçhizatının tasarımı, enstrümantasyon ve donanım seçimi ile birlikte hem rüzgarlama hem de diskin sürüklediği hava miktarı testleri için sunulmuştur. Deneysel parametrelerin belirsizlikleri de tahmin edilmiş ve kısaca tartışılmıştır. Tüm bunlar sadece rüzgarlama etkisi ile ısınma hakkında değil, aynı zamanda dönen disklerin etrafındaki akış temelinden örtülü rotor-stator boşluklarındaki karmaşık boşluk akışlarına kadar kapsamlı bir bilgi sağlamaktadır.Windage heating is a phenomenon normally associated with all systems rotating in a fluid medium but in the case of gas turbine, it can be found in the side cavities between rotating and the stationary parts in nearly all kinds of compressor and turbines. The flow conditions and the surface roughness of the disks have an impact on the windage loss, which in turn affects the cooling effectiveness of the air and eventually the overall efficiency of the engine. In order to better understand the windage heating in a rotor-stator cavities, theoretical, numerical and experimental studies are performed in this thesis. In chapter 1, the functions of secondary air systems (SAS) and the responsibilities of SAS designers are first introduced for the interested reader and as a broader description of the specific area of interest addressed in this thesis. Then, the importance of windage heating in gas turbines and the significance of this thesis are briefly explained. Chapter 2 summarizes the theoretical knowledge gathered as a result of long and detailed research, without overwhelming the reader with too many derivations but rather aiming to explain the logic and the basis of the theory together with the results that have been accepted by many authorities and the accuracy of which has been evaluated by many tests. While covering the topics from the basis of rotating flows such as "free disk" and boundary layer to complex cavity flows, I have generated equations and results that are absent in the literature. In addition, all the theory learned in this chapter applied to our test rig case and necessary calculations repeated and given accordingly in the related parts. In chapter 3, 1D cavity solver "SOCS design tool" developed using C-sharp and Microsoft Visual Studio was introduced. This tool solving swirl and windage distributions throughout the cavity in seconds and it's accuracy has been questioned throughout the following parts but in this part one test case example was made for the accuracy of the approach itself. In chapter 4, the setup of the numerical simulation is illustrated. In order to minimize the error, the selection of a turbulence model and the generation of the mesh are accomplished by benchmark and mesh independence studies respectively. The simulation results are validated by more than one test data representing both high and low windage levels, indicating that the set-up is reasonable. More importantly, comparison studies between simulations and 1D cavity solver reveals how advantageous "SOCS design tool" in terms of accuracy and computational cost. Moreover, roughness studies also performed within CFD using Schlichting model which generating reasonable results when comparing with those from the literature. In chapter 5, the design of the test rig is presented together with its instrumentation and hardware selection for both the windage and disk pumping tests. The uncertainties of the experimental parameters are also estimated and briefly discussed. All provide a comprehensive knowledge not only about windage heating but also from the basis of the flow around rotating disks to complex cavity flows in a shrouded rotor-stator cavities.