Analytical and numerical comparison of cooling air needs of high pressure turbine shrouds with two different materials: N22 SiC/SiC CMC and IN738LC

Abstract

Bu çalışmada, SiC/SiC Seramik Matris Kompozit ve IN738LC nikel bazlı super-alaşımlı malzemeden tasarlanan iki yüksek basınç türbini kanatçık kılıfı soğutma havası ihtiyaçları açısından karşılaştırılmıştır. Kılıfların geometrik tasarımları aynı olup tek fark malzemeleridir. Karşılaştırmada, iki malzemenin belirlenen çevre koşullarında sıcaklık dayanım limitleri göz önünde bulundurularak, güvenli şekilde çalışabilecekleri iki farklı sıcaklık belirlenmiştir. Parçaları belirlenen sıcaklıklarda tutulabilmesi için gerekli soğutma havası debisi aynı çevrim parametrelerinde 1-boyutlu ısı transferi analiziyle hesaplanmıştır. Soğutma havası debisi ihtiyacındaki azalmanın motor performansına etkileri tartışılmıştır. 1-boyutlu ısı transferi analizinden elde edilen sonuçlarla sonlu elemanlar termal analizi yapılarak parça sıcaklıkları elde edilmiştir. Parçaların bu sıcaklıklar altındaki gerilmeleri sonlu elemanlar yapısal analizleriyle bulunmuş ve bulunan gerilmelerle malzeme dayanım limitleri karşılaştırılmıştır.

In this study, two high-pressure turbine shrouds designed from SiC/SiC CMC and IN738LC nickel-based super-alloy are compared in terms of their cooling air needs. The geometric designs of the shrouds are the same, and the only difference is the materials. During this comparison, two different temperatures are established at which the two materials can operate safely under the determined environmental conditions, taking into account their high-temperature limits. The required cooling air mass flows which keep parts at predetermined temperatures are calculated by 1D heat transfer analysis in the same cycle parameters. The effects of differences in the cooling air mass flow on engine performance are discussed. Finite element thermal analysis are performed with the results obtained from the 1D heat transfer analysis, and the part temperatures are obtained. The stresses of the parts under these temperatures are calculated by finite element structural analysis, and compared with the material strength limits.