Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
HAVACILIK VE UZAY TEKNOLOJİLERİ DERGİSİ
TEMMUZ 2014 CİLT 7 SAYI 2 (27-34)
GAZ TÜRBİNİ KANATLARI KANALLARINDA SOĞUTMA
PERFORMANSININ ARAŞTIRILMASI
Ünal UYSAL*
Yüksel KORKMAZ
Nedim SÖZBİR
A. Hakan HIRCA
SAÜ, Makina
Mühendisliği
[email protected]
SAÜ, Makina
Mühendisliği
[email protected]
SAÜ, Makina
Mühendisliği
[email protected]
SAÜ, Makina
Mühendisliği
[email protected]
Geliş Tarihi: 30 Mayıs 2014, Kabul Tarihi: 30 Haziran 2014
ÖZET
Türbin kanatlarının soğutulması farklı bölgelerinde farklı soğutma teknikleri kullanarak yapılmaktadır.
Kompresörde üretilen havanın yaklaşık %20’si soğutma sistemlerinde kullanılmaktadır. Kanat içine gönderilen
bu hava önce iç kanallardan daha sonrada kanat dış profili üzerinden ve kanat uç kısmından dışarıya atılarak
soğutma gerçekleştirilir. Bu soğutma tekniklerinin iç soğutma ve yüzeyde hava filmi meydana getirme ve
çarpmalı jetle soğutma teknikleri uygulanmaktadır. Kanatta iç soğutma yapılması için bazen U şeklinde soğutma
kanalları kullanılmaktadır.
Bu kanallarda çeşitli açılarda kanatçıklar (ripler) kullanılarak soğutma performansları arttırılmaya
çalışılmaktadır. Bu çalışmada U şeklindeki 180° dönüşlü düz bir kanalın ve alt ve üst yüzeylerine 90° ve 45°
yerleştirilen kanatçıkların yerleştirildiği kanallardaki soğutma performansına etkisi 3 farklı Reynolds sayısı
(22000, 27500 ve 33000) için deneysel olarak sıvı kristal termografisi metoduyla kanal yüzeyindeki ısı geçiş
katsayısı ve Nu sayısının değişimi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar jet geometrisinin etkisi, Reynolds
sayısının etkisi, kanal içindeki hız dağılımı ve ısı geçiş katsayısı dağılımları gösterilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Gaz Türbini, Sıvı Kristal Termografisi, Zorlanmış Isı Geçişi
INVESTIGATION OF COOLING PERFORMANCES AT THE GAS TURBINE BLADE CHANNEL
ABSTRACT
The cooling of the turbine blades in different parts of the turbine is carried out using different cooling
techniques. Approximately 20% of the air produced in compressors is used in cooling systems. The air is sent
into the wing through the internal channels. It travels through the outer profile of the wing and is vented through
the far edge of the wing. The cooling process is then completed. Among the applied cooling techniques are
internal cooling, surface air film forming, and jet impingement cooling techniques. Sometimes U-shaped cooling
channels are utilized for internal cooling to take place in the wing.
An attempt to increase the cooling performance has been made with the utilization of wings (rips) at various
angles. The change in the Nu number and the heat transfer coefficient on the channel surface as well as the
impact of positioning 90° and 45° blades on a U-shaped 180° smooth (straight) channel on the cooling
performance for three different Reynolds numbers (22000, 27500 and 33000) has been investigated
experimentally using the method of liquid crystal thermography. The effect of the jet geometry, impact of the
Reynolds number, velocity distribution within channels, and the heat transfer coefficient distributions are shown
in the results.
Keywords: Gas Turbine, TLC, Forced Heat Transfer.
______________
* Sorumlu Yazar
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
27
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
1. GİRİŞ
Savunma sanayinde, uçaklarda ve helikopterlerde
kullanılan gaz türbinleri önemli elamanlardan birisidir.
Gaz türbinleri teknolojik olarak en üst düzey
makinalardır. Gaz türbinlerinin gelişmesi teknolojik
gelişmelerle paraleldir. Özellikle, malzeme, kontrol,
yanma, soğutma ve termal kaplama konularındaki
gelişmeler gaz türbinlerinde de gelişmelere yol
açmaktadır. Gaz türbinlerinin önemli problemlerden
birisi yüksek basınç türbini birincil bölgedeki
kanatların soğutulmasıdır. Özellikle yanma odası
çıkışı ve türbin birin cil bölgede 1150-1350°C
sıcaklıklara kadar yanmış gaz sıcaklığı meydana
gelmektedir. Bu nedenle birincil bölümdeki türbin
kanatlarının hem stator hem de rotor kanatlarının
soğutulması gerekmektedir.
Türbin kanatlarında ısı geçişinin arttırılması
konusunda farklı geometriler için çeşitli deneysel ve
teorik çalışmalar literatürde mevcuttur. Bu çalışmalar
incelendiğinde öncelikle farklı soğutma kanal
geometri tasarımları yapıldığı ve bu kanalların
soğutma performansları arttırmak için kanal içine
kanatçık (rip) veya türbülatör konulduğu, iki kanal
arasına pin yerleştirilerek ısı transferi arttırılmaya
çalışıldığı ayrıca iki yüzey arasına çarpmalı jet
kullanarak soğutma performanslarının arttırıldığı
görülmüştür. [1-5]. Bu çalışmalar ayrıca ana
gövdenin, kanat ucunun, hücum kenarının ve kanat
son kenarının soğutulması şeklinde spesifik bölgelere
odaklandığı görülmektedir.
Çok çeşitli kanal geometrilerinin soğutma performansı
deneysel olarak çalışılmıştır. Bazı araştırmacılar, bir
gaz türbin kanadının içinde ısı transferi ve sürtünme
faktörünü üzerine birçok parametrenin etkisini düz bir
kanal kullanarak araştırmışlardır. Han ve arkadaşları
[2-5] sırayla, kanal boy ve en oranı, rip yüksekliği,
hidrolik çap ve rip açısının soğutmaya etkisi üzerine
çalışmalar yapmışlardır. Han ve Zhang [6], Talsim ve
Wadsworth [7] bir kanal içine çeşitli şekillerde (düz,
ve V yönelimli) yerleştirilmiş riplerin performansını
deneysel olarak araştırmışlardır. Taslim’in bu
çalışmasında [8], riplerin şeklinin ve çıkış kanal
çapının etkileri elde edilmiştir. Ripleri yerleştirilmiş
bir kanal duvarının rip tiplerine göre performansı
Chandra ve arkadaşları [9], Wang ve Sunden [10]
sırayla
çalışmıştır.
Talda
ve
Cavallero[11]
çalışmasında bir optik ölçme tekniği olan TLC
kullanarak düz bir kanaldaki ısı transferi katsayısını
ölçmüştür. İki rip arasında sınır tabakanın yeniden
meydana gelmesi ısı geçişini arttırmaktadır. Birçok
araştırmada riplerin hem ısı geçiş katsayısını hem de
sürtünme performansını arttırdığını göstermiştir.
Teorik ve deneysel çalışmaların temelini bu tip ısı
geçişi yöntemleri oluşturmaktadır.
etkisi araştırılmıştır. Johnson ve Launder [12] 180
döndürülmüş kare kesitli bir kanaldaki bölgesel ısı
transferi katsayısı ve sıcaklık dağılımının değişimini
debiye göre değişimini ölçmüştürler. Chyu [13]
çalışmasında, bir dönüşlü iki geçişli ve üç geçişli iki
dönüşlü naftalin kütle transferi tekniği kullanarak ısı
transferi dağılımı konusunda araştırma yapmıştır.
Ekkad ve arkadaşları [14] iki geçişli kare bir kanal için
ısı transferi katsayısının dağılımını çok detaylı bir
şekilde gösterdiler. Kanalın bir duvarına farklı açılarda
rip türbülatörler yerleştirilerek (90 paralel, 60
paralel, 60 V ve 60 ters V) çalışmalar yapılmıştır.
Mochizuki ve arkadaşları [15] bir düz dikdörtgen
kanalda ısı transferi ve akışın nasıl olduğunu deneysel
olarak göstermişlerdir. Akışa göre 90 ve 60 açılı
karşılıklı iki duvara ripler yerleştirildi, 45 ısılçift
elemanı kullanılarak detaylı bir şekilde kanal girişi
kanalın 4 duvarının yüzeylerinde meydana gelen
bölgesel ısı transferi katsayısı dağılımı araştırılmıştır.
Astarita ve Cardone [16] 180 keskin dönüşlü
dikdörtgen bir kanalda bölgesel ve kanal boyunca
ortalama ısı transferi ölçümü ve kanal yüzeyindeki
akışı göstermişlerdir. Astarita ve arkadaşlar [17] rip
türbülatörlü 180 keskin dönüşlü kare bir kanalda ısı
transferi dağılımının haritasını ve detaylı ölçümleri
infrared termografisi tekniği ve ısıtılmış ısı akışı
tekniği ile ölçmüşlerdir.
Algawair ve arkadaşları [18] karşılıklı iki yüzeye rip
yerleştirilmiş U şeklinde ve kare kesitli doğrusal iki
kanal için karşılıklı iki ucundan sabit bir soğutma
yapıldığında termal büyüklüklerin nasıl değiştiği
deneysel olarak araştırılmış ve gösterilmiştir. Salameh
ve Sunden [19] U şeklinde bir kanalda 3 farklı durum
için (düzgün doğrusal, düzgün bükümlü ve
sürtünmeli-ripli dönüşlü bir bölüm) ısı transferi
katsayısı ve sürtünme faktörü ölçümleri yapılmıştır.
Daha önce yapılan çalışmaların birçoğunda riplerin
etkileri teorik ve deneysel olarak araştırılmıştır. Ancak
U dönüşlü bir kanaldaki riplerin ve rip açılarının etkisi
konusunda çok sınırlı bilgileri vermektedir. Bu
nedenle U dönüşlü bir kanal için ısı geçişi ve basınç
düşümü ile ilgili daha derin bilgiler gerekmektedir.
2. SIVI KRİSTAL TERMOGRAFİ TEKNİĞİ
Sıvı Kristal tekniği yerel ısı transferi katsayısının
ölçülmesinde kullanılır. Temel olarak bu teknik yarı
sonsuz katı bir maddede kararsız bir boyutlu ısı
transferi problemidir. Chyu ve arkadaşları [20]
tarafından yarı sonsuz bir katı yüzeyindeki
konveksiyon sınır şartı altındaki sıcaklık dağılımı;
Diğer araştırmacılar bir U şeklinde 180 keskin
dönüşlü bir kanalda farklı teknikler kullanarak U
dönüşünün etkisinin kanal boyunca ısı transferine
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
28
(1)
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
Burada Ti katı malzemenin ilk sıcaklığı; Tr yüzeydeki
konveksiyon sıcaklığı; h konvektif ısı transferi
katsayısı; k ve α katı malzemenin termal
kondüktivitesi ve difüzitesi; t zamandır. Başlangıç
sınır şartı y=0 da Tw duvar sıcaklığı olarak alınır ve
denklem düzenlenirse;
(2)
Maksimum ışık etkisi altında sıvı kristal yeşil
olduğunda kalibrasyonu yapılan sıcaklığı gösterir.
Yüzey boyunca zamana bağlı ısı transferi başladığında
maksimum ışık etkisi altında (yeşil olduğunda)
kalibrasyon sıcaklık değerleri tespit edilebilir. Bu
konularda literatürde çeşitli çalışmalar yapılmıştır,
bunlardan bir kaç tane Chyu ve arkadaşları [20] ve
Treuren [21]. tarafından yapılan çalışmalarda sıvı
kristal metoduyla daha detaylı sonuçlar elde
edilmiştir. Bu çalışmada ısı transferi katsayısı h
bilgisayar programı (LCIA: Liquid Crystal Imaging
Analayser) yardımıyla 2 nolu eşitlik kullanılarak elde
edilebilir. Bu program (LCIA) Pittsburgh Üniversitesi
Makine Mühendisliği Bölümü tarafından geliştirilen
bir programdır ve kullanım izni vardır.
3. DENEY DÜZENEĞİ VE DENEY
MODELLERİ
(a)
Deneyde gaz türbin kanatları içindeki soğutma
kanallarına benzeyen bir model oluşturulmuştur.
Modeller U dönüşlü dikdörtgen kesitlidir.
U şekildeki dikdörtgen kanallın bir ucundan hava giriş
yapılmakta, diğer ucundan hava tahliye için
edilmektedir. Kanal uzunluğu 220 mm ve ilk kanalın
genişliği 20 mm, diğer kanal genişliği 40 mm ve kanal
yükseklikleri 20 mm’dir. U dönüşlü kanal türbülatörlü
ve türbülatörsüz şekilde tasarlanmıştır. Deney
Modelinin 3 boyutlu resmi Şekil 1’de gösterilmiştir.
Rip türbülatörler kanal boyunca akış doğrultusuna
göre 90 ve 45 olarak 20 mm aralıklarla
yerleştirilmiştir. Kullanılan deney modeli Şekil 2 (a),
(b) ve (c)’de verilmiştir.
(a) Düz
(b) 90 Ripli
(c) 45 Ripli
Şekil 2. Deney modelleri.
Deney düzeneği şekil 3’de verilmiştir. Deney
düzeneği 4 ana bölümden meydana gelmektedir.
Birinci bölümde basınçlı hava kaynağı olarak
kullanılan kompresör, hava filtresi, havayı ısıtmak için
boru içi ısıtıcılar, ısıtıcıyı hassas bir şekilde
ayarlayabilmek için ısıtıcıya bağlı bir gerilim
ayarlayıcı, borudan gelen havanın debisini ve boru
içindeki akışkan sıcaklığını ölçmek için kullanılan bir
flowmetre FESTO 6444, basınç ve hava debisini
ölçmek için manometre, iki adet selonoid valf ile
bypass hattı ve ısıtıcılar ile valflerin bağlı olduğu ve
bu valflerin açılıp kapanmasının sağlayan anahtarların
bağlı bulunduğu bölüm, test bölümünden önce
bulunan ve akışı düzgünleştirmek için kullanılan bir
difüzör bulunmaktadır. İkinci bölümde, termal sıvı
kristallerin renk değişimlerini kayıt edeceğimiz bir
adet DV kamera, iki adet yüksek wattlı ışık kaynağı
bulunmaktadır. İyi bir görüntü elde etmek için test
bölümünün altı, ışık kaynaklarının üstü ve test
bölümündeki parlayan her şey siyah örtü ve özel bir
bant ile kaplanmıştır. Üçüncü bölümde, test
bölümünün giriş ve çıkış sıcaklıklarını, hava
sıcaklığını deney süresince ölçen ve bir bilgisayar
yardımıyla kayıt eden veri toplama sistemi (DAQ) ve
termoçiftlerden meydana gelmektedir. Buradan alınan
verilerle
yüzeyin
ısı
transferi
özelliklerini
LCIA(Liquid Crystal Imaging Analyzer) yazılımı ile
bulmak mümkün olacaktır.
(b)
Şekil 1. (a) U dönüşlü kanal (b) 3 boyutlu görüntüsü.
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
29
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
Şekil 3. Deney düzeneği.
Dördüncü bölümde ise, test bölümü bulunmaktadır.
Bu bölümde deneyi yapılacak sistemin plexiglassdan
(şeffaf) yapılmış modeli ve bu modelin ilgili bölümü
termal sıvı kristalle kaplanmıştır.
Deneyin belirsizliği Mc-Clintock [22] yöntemi ile elde
edilmiştir. Sıvı kristal yöntemiyle ölçülen yerel ısı
transferi katsayısı test yüzey, giriş ve çıkış sıcaklığına
bağlıdır. Bu sıcaklık ölçümlerininbelirsizlikleri
sırasıyla buralarda % 0.5, % 0.3 ve % 0.7 karşılık ±
0.2 °C dir. h, lokal ısı geçiş katsayısının belirsizliğe
katkıda bulunan diğer faktörler sıvı kristal, belirlenen
renge ulaşan sıvı kristal için geçen zaman ve yüzey ısı
yayılımını en sıcaklık-renk kalibrasyonu hatalarıdır.
Bu üç parametrede de hatalar sırasıyla % 0.5,% 0.4 ve
% 1 olarak tahmin edilmektedir. Belirsizliğe katkıda
bulunan bir diğer önemli hata yaklaşık % 4 olan hava
besleme sistemi, akış hızı veya Reynolds sayısı
ölçümündeki hatadır. Tüm bu hataların bileşimi yerel
ısı iletim katsayısında %7 belirsizliğe yol açar.
4. DENEYSEL SONUÇLAR ve İRDELEME
Deneyler 3 farklı Re sayısında yapılmıştır. Deneysel
sonuçların karşılaştırılmalarında giriş kanalındaki
Reynolds sayıları alınmıştır. Giriş kanalındaki
Reynolds sayıları sırasıyla; 2.2x104, 2.75 x104 ve 3.3
x104 şeklinde ölçümlerden hesaplanmıştır.
Şekil 4,5 ve 6’de kanal yüzeyinde meydana gelen ısı
geçiş katsayısının dağılımı gösterilmiştir. Şekil 4’de
gösterilen dağılım düz kanal içindir. U dönüşün etkisi
ile özellikle çıkış kanalı boyunca ısı iletim
katsayısının kanal yan duvarında daha arttığı
görülmektedir. Kanal geçiş plakası yakınında kanal
boyunca ısı iletim katsayısının azaldığı kanal sonunda
en düşük seviyelere ulaştığı görülmektedir. Kanal giriş
kısmında, giriş kanalı sonunda ve kanal geçiş
bölgelerinde ısı transferi katsayısının en yüksek
seviyelerde olduğu görülmektedir. Isı iletim
katsayısının giriş kanalı boyunca kanal sonuna doğru
yükseldiği, çıkış kanalı boyunca çıkışa doğru azaldığı
anlaşılmaktadır.
U dönüşünün etkisi azaltmak için hem giriş hem de
çıkış kanalında 90 ve 45 açılara sahip ripler
kullanılmıştır. Şekil 5 ve 6 da bu kanal yüzeylerine ait
ısı iletim katsayısı dağılımları gösterilmiştir. Bu
dağılımlara bakıldığında riplerin etkisi hem giriş, hem
de çıkış kanalında ısı iletim katsayısı dağılımında
pozitif etkisi olduğu anlaşılmaktadır. Özellikle çıkış
kanalındaki etkisinin daha fazla olduğu görülmektedir
Kanal içinde kullanılan riplerin bulunduğu bölgelerde
ısı iletim katsayısı en yüksek değerlere ulaştığı Şekil
7, 8 ve 9 da verilen grafiklerden anlaşılmaktadır.
Riplerin etkisi özellikle 90 riplerin etkisi giriş ve
çıkış kanalı boyunca düz kanalda meydana gelen ısı
iletim katsayısı değişimini istenilen şekilde
değiştirdiği grafiklerden anlaşılmaktadır. Riplerin
etkisi sonucu kanal yüzeyindeki ısı iletim katsayısının
daha homojen bir dağılım meydana getirdiği hem
grafiklerden hem de ısı iletim katsayısı dağılım
şekillerinden anlaşılmaktadır.
Reynolds sayısının arttırılması kanal yüzeyindeki ısı
iletim katsayısının artmasına neden olduğu Şekil 7,8
ve 9 da verilen grafiklerden tespit edilmiştir.
Düz kanaldaki yüzey ısı transferi dağılımı
incelendiğinde girişten itibaren kanal boyunca azaldığı
Şekil 7 den anlaşılmaktadır. Bu azalma giriş kanalında
yaklaşık %80-%70 aralığında olduğu görülmektedir.
Ancak kanal geçiş bölgesi duvarında U dönüşün etkisi
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
30
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
ile yükselmekte ve %100’e yakın artmaktadır. Çıkış
kanalı kanal boyunca tekrar azalmakta ve kanal
sonunda en düşük seviyeler ulaşmaktadır.
90ripli kanalda riplerin etkisi çok net bir şekilde
görülmektedir.
Özellikle
riplerin
bulunduğu
bölgelerde ani değişimler Şekil 8 de görülmektedir.
Ripin akış yönüne göre ön tarafında ısı iletim katsayısı
en düşük seviyede olmasına rağmen rip üzerinde bir
anda artmakta ve maksimum seviyeye ulaşmaktadır.
Ancak rip arkasında tekrar düşerek en düşük seviyeye
gelmektedir. Her rip için bu durum aynı şekilde
devam etmektedir. Bu durum Şekil 8 de çok net bir
şekilde hem çıkış hem de giriş kanalları için
görülmektedir.
Şekil 7. Kanal boyunca h(kw/m2k) ortalama değişimi.
Şekil 4. Düz kanal yüzeyindeki ısı geçiş katsayısı
dağılımı.
Şekil 5. 90 ripli kanal yüzeyindeki ısı geçiş katsayısı
dağılımı.
Şekil 6. 45 ripli kanal yüzeyindeki ısı geçiş katsayısı
dağılımı.
Şekil 8. Kanal boyunca h(kw/m2k) ortalama değişimi.
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
31
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
Şekil 9. Kanal boyunca h(kw/m2k) ortalama değişimi.
Ripler lineer bir şekilde azalan ortalama ısı iletim
katsayısını değiştirmektedirler. Düz kanal ortalama ısı
transfer katsayısı 90 ve 45 ripli kanallara göre daha
yüksek olduğu ancak 90 ve 45 kanallarda daha
homojen bir dağılım gösterdiği anlaşılmaktadır.
45 ripli kanala ait ortalama ısı iletim katsayısı
grafikleri incelendiğinde riplerin yüzel ortalama ısı
iletim değerlerini daha homojen değiştirdiği
anlaşılmaktadır. 45 riplerin kanal yüzeyi ısı transferi
katsayısının 90 göre daha homojen bir dağılım etkisi
yaptığı görülmektedir. 45 ripli çıkış kanalında düz
kanala benzer bir dağılım görülmektedir. Ancak genel
olarak bakıldığında yaklaşık %30 oranında ısı iletim
katsayısında düşüş görülmektedir.
Çıkış kanal ekseni boyunca ripli ve ripsiz kanal orta
esenindeki ısı iletim katsayısı değişimi Şekil 10’da
Re=27500 için ayrı ayrı gösterilmektedir. Bu
grafiklere bakıldığında düz kanala göre 45 ve 90
ripli kanaldaki ısı iletimi katsayısının daha değişken
bir dağılım gösterdiği özellikle 90 ripli kanalda
riplerin olduğu bölgelerde maksimum ve minimum
noktalar meydana getirdiği görülmektedir.
Şekil 10 da çıkış kanalı ekseni boyunca üst yüzeyde
meydana gelen ısı iletim katsayısı değerleri
gösterilmektedir. 90 ve 45 ripli kanallardaki rip
aralarındaki ısı iletim katsayıları dalga boylarının
hemen hemen aynı olduğu görülmektedir.
Şekil 10. Çıkış Kanalı ekseni boyunca h(kW/m2K)
değişimi : Re=27500.
Düz kanalda ise ısı iletim katsayısının kanal ekseni
boyunca azaldığı görülmektedir. Grafiklerden rip
aralarında ısı iletim katsayısının düz kanaldaki azalma
eğilimine göre azalmaya devam ettiği görülmektedir.
Şekil 11 de riplerin kanal enine göre etkileri
görülmektedir. Ripler kanal içindeki akışa 90 ve 45
derece yerleştirildiği için akışı yönünde bu açılarda
değiştirmekte ve Şekil 11 de görüldüğü gibi kanal
girişinde kanal yan duvarına doğru, U dönüş sonrası
kanal çıkışında kanal ara geçiş parçasına doğru
yönlendirme yapmaktadır. Düz kanaldaki ısı iletim
katsayısı dağılımına göre ripli kanallarda ısı iletim
katsayısının daha homojen olmasına katkı sağladığı
görülmektedir. Akışı ısı iletim katsayısının düşük
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
32
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
olduğu bölgelere ripler yardımıyla yönlendirmenin
mümkün olduğu anlaşılmıştır.
Kanal geçiş parçası yan
duvarından kanal duvarına doğru
hareketin gösterimi
Şekil 11. Rip aralarındaki akışkanın hareketi.
5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER
Bu çalışmada elde edilen sonuçlar aşağıda maddeler
halinde belirtilmiştir.
a)
Reynolds
sayısının
değişimi
kanal
yüzeyindeki ısı iletim katsayısının değişimine neden
olduğu görülmüştür.
b)
U dönüşün etkisiyle kanal geçiş parçası yan
bölgelerinde akışın kanal yan duvarına doğru
yönelmesinden dolayı h katsayısının kanal boyunca
azaldığı tespit edilmiştir. Bu durumun yok edilmesi
için U dönüş açısı üzerinde çalışma yapılması
gerektiği anlaşılmıştır.
c)
Riplerin bulunduğu bölgelerde ısı transferi
katsayısında bir artışın olduğu ve ripler kanal boyunca
ısı transferi dağılımının homojenleşmesine katkı
sağladığı görülmektedir. Riplerin çoğaltılması bu
homojenliğin artmasına neden olacaktır.
d)
Ripler kanal eninde doğru akışkanı
yönlendirdiği ve bunun rip açısı ve rip aralığı ile
orantılı bir şekilde olduğu görülmektedir. Düz kanalda
ısı iletim katsayısının az olduğu bölgeler için uygun
rip açılarıyla ve uygun rip aralıklarıyla ısı iletim
katsayısında arttırım sağlanabileceği anlaşılmıştır.
e)
Kanal içine ripler yerleştirilmesi düz kanala
göre ısı iletim katsayısında genel olarak bir azalmaya
neden olduğu, ancak kanal yüzeyinde daha homojen
bir dağılıma katkı sağladığı anlaşılmıştır.
Budan sonraki çalışmalarda riplerin farklı açı, aralık
ve şekillerde benzer geometriler kullanarak deneylerin
veya teorik çalışmaların yapılmasının bu konuya daha
çok katkı sağlayacaktır.
6. KAYNAKLAR
[1]
Uysal, U., Li, P.-W., Chyu, M.K., Cunha, F.J.,
(2006), "Heat Transfer on Internal Surfaces of A Duct
Subjected To Impingement of A Jet Array with
Varying Jet Hole-Size and Spacing", Journal of
Turbomachinery, 128,158-165
[2]
Han, J. C., ve Park, J. S., (1988), “Developing
Heat Transfer in Rectangular Channels with Rib
Turbulators”, International Journal Heat Mass
Transfer, 31, 1,183-195.
[3]
Han, J. C., (1984), “Heat Transfer and Friction
on Channels with Two Opposite Rib-Roughened
Walls”, ASME Journal Heat Transfer,106,774-781.
[4]
Han, J.C., Ou S., Park, J.S., ve Lei, C.K.,
(1989), “Augmented Heat Transfer in Rectangular
Channels of Narrow Aspect
Ratios with Rib
Turbulators”, International Journal Heat Mass
Transfer, 32,1619-1630.
[5]
Han J.C., Zhang Y.M., ve Lee C.P., (1991),
“Augmented Heat Transfer in Square Channels with
Parallel, Crossed, and V-Shaped Angled Ribs”, ASME
Journal Heat Transfer, 113,590-596.
[6]
Han, J.C., ve Zhang, Y.M., (1992), “High
Performance Heat Transfer Ducts with Parallel,
Broken, and V-Shaped Ribs”, International Journal
Heat Mass Transfer, 35,513-523.
[7]
Taslim, M.E., ve Wadsworth, C.M, (1997),
“An Experimental Investigation of The Rib SurfaceAveraged Heat Transfer Coefficient in A RibRoughened
Square Passage”, ASME Journal
Turbomachinery, 119,381-389.
[8]
Taslim, M.E., Li T., ve Spring, S.D., (1995),
“Experimental Study of The Effects of Bleed Holes on
Heat Transfer and Pressure Drop in Trapezoidal
Passages with Tapered Turbulators”, ASME Journal
Turbomachinery, 117,281-290.
[9]
Chandra, P.R., Niland, M.E., and Han J.C.,
(1997), “Turbulent Flow Heat Transfer And Friction
in A Rectangular Channel with Varying Number of
Ribbed Walls”, ASME Journal Turbomachinery,
119,374-380.
[10] Wang, L., ve Sunden, B., (2005),
“Experimental Investigation of Local Heat Transfer in
A Square Duct with Continuous and Truncated Ribs”,
Journal Experimental Heat Transfer, 18,179-197.
[11] Tanda, G., ve Cavallero, D., (2001), “An
Experimental Investigation of Forced Convection
Heat Transfer in Channel with Rib Turbulators By
Mean of Liquid
Crystal Thermography”,
Experimental Thermal Fluid Science, 26,15-121.
[12] Johnson, R. W., ve Launder, B. E., (1985),
“Local Nusselt Number and Temperature Field in
Turbulent Flow Through A Heated Square- Sectioned
U Bend”, International Journal Heat Fluid Flow,
6,171-180.
[13] Chyu, M.K., (1991), “Regional Heat Transfer
in Two-Pass and Three- Pass Passages with 180°
Sharp Turns”, ASME Journal Heat Transfer, 113,6370.
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
33
Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması
[14] Ekkad, S. V., Huang, Y., ve Han, J.C., (1998),
“Detailed Heat Transfer Distributions in Two-Pass
Square Channels with Rib Turbulators and Bleed
Holes”, International Journal Heat Mass Transfer, 41,
3781-3791.
[15] Mochizuki, S., Murata, A., Shibata, R., ve
Yang, W.J., (1999), “Detailed Measurements of Local
Heat Transfer Coefficients in Turbulent Flow Through
Smooth and Rib-Roughened Serpentine Passages with
A 180° Sharp Bend”, International Journal Heat Mass
Transfer, 42,1925-1934.
[16] Astarita, T., ve Cardone, G., (2000),
“Thermofluidynamic Analysis of The Flow Near A
Sharp 180° Turn Channel”, Experimental Thermal
Fluid Science, 20,188-200.
[17] Astarita, T., Cardone, G., ve Carlomagno, G.
M., (2002), “Convective Heat Transfer in Ribbed
Channels with A 180° Turn”, Experiments in Fluids,
33,90-100.
[18] Algawair, W., Iacovides, H., Kounadis, D., ve
Xu, Z., (2007), “Experimental Assessment of The
Effects of Prandtl Number and of A Guide Vane on
The Thermal Development in A Ribbed Square-Ended
U-Bend”, Experimental Thermal Fluid Science,
32,670-681.
[19] Salameh, T., Sunden, B., (2010), “An
Experimental Study of Heat Transfer and Pressure
Drop on The Bend Surface of A U-Duct”, ASME
GT2010-22139, in Proceedings of ASME Turbo Expo
(2010): Power for Land, Sea and Air GT2010,
Glasgow, UK.
[20] Chyu, M. K., Ding, H., Downs, J. P., ve
Soechting, F. O., (1998), “Determination of Local
Heat Transfer Coefficient Based on Bulk Mean
Temperature Using a Transient Liquid Crystals
Techniques,” Exp. Therm. Fluid Sci., 18,142–149.
[21] Van Treuren, K. W., Wang, Z., Ireland, P. T.,
ve Jones, T. V., (1993), “Detailed Measurements of
Local Heat Transfer Coefficient and Adiabatic Wall
Temperature Beneath an Array of Impinging Jets,”
ASME J. Turbomach., 16,369–371.
[22] Kline, S. J., ve McClintock, F. A., (1953),
“Describing Uncertainties in Single- Sample
Experiments,” Mech. Eng. Am. Soc., 75,3–8.
ÖZGEÇMİŞLER
Y. Doç. Dr. Ünal UYSAL
!988 Yılında YTÜ Kocaeli Müh.Fakültesi Makina
mühendisliği Bölümünden Mezun oldu. Kocaeli
Üniversitesi Müh.Fak. Makina Müh. Bölümünde 1989
yılında Arş. Görevlisi olarak göreve başladı. 1995
yılında Sakarya Üniversitesi Müh.Fak. Makina Müh.
Bölümünde Arş.Görevliliğine devam etti. 1996 Yılında
Doktorasını tamamladı. 1997 Yılında Y.Doç.Dr. olarak
görevine devam etti. 2001-2004 yılları arasında
Amerika Birleşik Devletleri Pittsburgh Üniveristesinde
misafir araştırmacı olarak çalıştı. Halen Sakarya
Üniversitesinde görevine devam etmektedir.
Y. Doç. Dr. Yüksel KORKMAZ
1991 yılında YTÜ Kocaeli Mühendislik Fak. Makina
Bölümü’nden mezun olduktan sonra 1993 yılında
Kocaeli Üniversitesinde araştırma görevlisi olarak
göreve başladı. 2001 yılında Sakarya Üniversitesinde
doktora tezini tamamlayarak doktor ünvanını aldı.
Halen Sakarya Üniveristesi Mühendislik Fakültesi
Makine Mühendisliğinde Öğretim üyesi olarak
görevine devam etmektedir
Nedim SÖZBİR
1986 yılında Yıldız Teknik Üniversitesi Kocaeli Müh.
Fak. Mak. Müh bölümünde ve 1991 yılında da Yıldız
Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina
Müh. EABD Yüksek Lisans yaptı. 1995 yılında
İstanbul Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina
Müh. EABD doktora yaptı. Doktora tez çalışmasını
1994-1995 yılları arasında Miami Üniveritesi Mak.
Müh. Bölümünde Prof. Dr. Sadık KAKAÇ ile yaptı.
2000-2004 yılları arasında Carnegie Mellon
Üniversitesi Mak. Müh. Bölümünde Misafir Öğretim
Üyesi olarak görev yaptı. 2006-2007 yılları arasında
Thales Alenia Space, Fransa firmasında Uydu Termal
Kontrol konusunda çalıştı. 2006 yılında itibaren
Ulaştırma Bakanlığı Türksat A.Ş’ de Uydu Montaj,
Integrasyon ve Test ve Uydu Tasarımı konularında
danışman olarak görev yapmaktadır. 1995 yılından
itibaren Sakarya Üniversitesi Makina Mühendisliği
Bölümününde Öğretim Üyesi olarak çalışmaktadır.
Ahmet Hakan HIRCA
2013 yılında Sakarya Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü’nden lisans
diploması
aldı.
Sakarya
Üniversitesi
Enerji
Teknolojileri Takımı Başkanlığını yaptı.
Halen
Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina
Mühendisliği Bölümü Enerji EABD'nda yüksek lisans
eğitimi almaktadır.
UYSAL, KORKMAZ, SÖZBİR, HIRCA
34
Download

gaz türbini kanatları kanallarında soğutma performansının araştırılması