Numerical investigation of flow through labyrinth seals with and without honeycomb lands

Abstract

Bu tez kapsamında hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve deneysel çalışmaları kullanarak, gaz türbinli motorlarda sızdırmazlık elemanı olarak kullanılan labirent keçelerin akış yapısını bal petek yapısı ile ve bal petek yapısı olmadan incelenmiştir. Hesaplamalarda ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak Navier-Stokes (RANS) denklemleri k–? Realizable ve k–? SST türbülans modelleri ile birlikte çözülmüştür. Hazırlanan sayısal modelin doğrulanması amacıyla literatürde yer alan deneysel ve HAD çalışmaları için ayrı ayrı validasyon çalışmaları hazırlanmıştır. Akış alanının detaylı incelenmesi sonrasında yüksek sayıda analizlerin gerçekleştirilmesi için parametrik modelleme yaklaşımı kullanılmıştır. Labirent keçelerdeki kaçak debi miktarının hesaplanmasında literatürde sıklıkla kullanılan Zimmerman-Wolff bir boyutlu denklemi deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış ve mevcut denklemin doğruluğunu arttırmak için geometrik parametrelere ve sınır şartlarına bağlı olarak hibrit türbülans modeli yaklaşımı ile denkleme düzeltme katsayıları ilave edilmiştir. Nihai olarak elde edilen yeni denklemde orjinal denklemde gözlemlenen %20 hata oranının %5 e kadar düştüğü gözlemlenmiştir. Labirent keçelerdeki RPM'in girdap oranı ve hava sürtünme ısıtması üzerindeki etkisi de tez kapsamında araştırılmıştır. Kullanılan analiz matrisinde RPM'in kaçak debi miktarını statik koşullara göre %15 e kadar azaltabildiği gözlemlenmiştir. Ek olarak labirent keçelerde sıklıkla kullanılan bal petek yapılarının akış alanı üzerindeki etkisi de incelenmiştir. 1/16 ve 1/32 bal petek hücre boyutuna sahip labirent keçelerin detaylı incelemesi gerçekleştirilmiş, 1/32 hücre boyutuna sahip bal petek yapılarının kaçak debi miktarını %22 ye kadar azalttığı gözlemlenmiştir. 1/16 hücre boyutu kullanımında ise kaçak debinin azalması yerine akışkanın hücre boşluklarını kullanarak kaçak debiyi daha da arttırdığı görülmüştür.Within the scope of this thesis, the flow structure of labyrinth seals used as sealing elements in gas turbine engines has been examined using computational fluid dynamics (CFD) and experimental studies, both with and without honeycomb structures. Computational simulations were conducted using the ANSYS Fluent software, solving the Navier-Stokes equations with the k–? Realizable and k–? SST turbulence models. Validation studies were conducted separately for experimental and Computational Fluid Dynamics (CFD) investigations found in the literature to verify the prepared numerical model. Following a detailed examination of the flow field, a parametric modeling approach was employed to conduct a high number of analyses. The one-dimensional Zimmerman-Wolff equation, commonly used in the literature for estimating leakage flow rates in labyrinth seals, was compared with experimental results. To enhance the accuracy of the existing equation, correction coefficients were introduced to the equation based on geometric parameters and boundary conditions using a hybrid turbulence model approach. Ultimately, the new equation showed a reduction in the error rate from up to 20% in the original equation to as low as 5%. The thesis also investigated the impact of RPM on swirl ratio and windage heating in labyrinth seals. Within the analysis matrix used, it was observed that RPM could reduce the leakage flow by up to 15% compared to static conditions. Additionally, the effect of honeycomb structures commonly used in labyrinth seals was examined. A detailed examination of labyrinth seals with honeycomb structures, 1/16 and 1/32 cell sizes were conducted, revealing that structures with 1/32 cell size could reduce the leakage flow rate by up to 22%. However, when using a 1/16 cell size, it was observed that instead of reducing leakage flow, the fluid utilized the honeycomb cell spaces to further increase it.