Levent Ali KAVURMACIOGLU, Hidir MARAL, Cem Berk SENEL

EKSENEL GAZ TÜRBİNLERİNDE KANAT UCU AKIŞININ SAYISAL İNCELENMESİ: KANAT UCU BOŞLUĞUNUN VE BAĞIL HAREKETİN ETKİSİ

Türbomakina performansı kanat ucu boşluğundaki akış yapısına önemli oranda bağlıdır. Kanat ucu boşluğundaki akış üç boyutlu ve oldukça karmaşık bir akıştır. Kanat basınç kenarı ve emme kenarı arasındaki basınç farkının neden olduğu akış, aerodinamik kayıp nedenidir. Bu nedenle, aerodinamik performansı iyileştirmek için bu dar kanalda akış yapısı net bir şekilde açıklanmalıdır. Çalışmalar, sızıntı akışının türbomakina ana akışıyla etkileşiminin önemli miktarda enerji kaybına neden olduğunu göstermiştir. Bununla beraber sızıntı akış yapısı tam olarak anlaşılamamıştır. Kanat ucu boşluğunun çok küçük bir yükseklikte olması deneysel çalışmalar için ölçüm zorlukları çıkarmaktadır. Bu çalışmada kanat ucu boşluğundaki akış yapısı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemleri kullanılarak kapsamlı bir şekilde incelenecektir. Kanat ucu boşluğu yüksekliği (% 0.7, % 1 ve % 1.5 değerleri) etkisi ile gövde ile kanat arasındaki bağıl hareketin sızıntı akışına ve kanat ucu vorteksi oluşumuna etkisi incelenmiştir.Literatürdeki çalışmalarla tutarlı HAD sonuçları elde edilmiştir. k-? SST türbülans modelinin akış yapılarını daha iyi yakalayabildiği gözlemlenmiştir. Kanat ucu boşluğunun arttırılması sızıntı debisini ve aerodinamik kayıpları arttırmaktadır. Gövde ile kanat arasındaki bağıl hareketin kanat ucu vorteksini küçülterek kayıpları azalttığı sonucu elde edilmiştir

NUMERICAL INVESTIGATION OF LEAKAGE FLOW IN AXIAL FLOW TURBINES: EFFECT OF TIP CLEARANCE AND RELATIVE MOTION

Performance of a turbomachinery is strongly related to the flow structure in the tip gap. Flow in the tip gap is 3-D and highly complex. Pressure driven flow between the pressure side and suction side of the blade is a source of aerodynamic loss. Thus, in order to improve the performance flow structure in this small gap should be clarified. Studies indicate that interaction of tip leakage flow with main flow inside the turbomachinery results in a considerable loss. However, structure of leakage flow has not been understood completely. Small values of tip gap height creates difficulties for experimental measurements.In this study, flow structure through the tip gap will be investigated comprehensively by implementing Computational Fluid Dynamic (CFD) methods. Effects of tip clearance height (% 0.7, % 1, and % 1.5) and relative motion between blade and casing on formation of leakage flow and tip leakage vortex have been investigated. CFD results are consistent with studies in literature. It was observed that k-ω SST turbulence model was better to predict flow structures. Increasing tip clearance height results in higher aerodynamic losses and leakage flow. It was obtained that relative motion between blades and casing reduces the aerodynamic loss by weakening the tip leakage vortex

PDF

___

ANSYS. CFX-Intro_15_L10_Turbulence” – Int. to CFX Chapter 10.
Azad, G. S., Han, J., Teng, S., & Boyle, R. J. (2000). Heat Transfer and Pressure Distributions on a Gas Turbine Blade Tip. ASME Journal of Turbomachinery, 122, 717-724.
Bindon, J. P. (1989). The Measurement and Formation of Tip Clearance Loss. ASME Journal of Turbomachinery, 111, 257-263.
Bindon, J. P., & Morphis, G. (1992). The Development of Axial Turbine Leakage Loss for Two Profiled Tip Geometries Using Linear Cascade Data. ASME Journal of Turbomachinery, 114, 198-203.
Denton, J. D. (1993). Loss Mechanisms in Turbomachines. ASME Journal of Turbomachinery, 115, 621-656.
Dey, D., & Camci, C. (2004). Tip Desensitization of an Axial Turbine Rotor Using Tip Platform Extensions. von Karman Institute Lecture Series, VKI-LS 2004-02, 42- 62.
Kavurmacioglu, L., Dey, D., & Camci, C. (2007). Aerodynamic Character of Partial Squealer Tip Arrangements In An Axial Flow Turbine, Part I : Detailed Aerodynamic Field Modifications via Three Dimensional Viscous Flow Simulations Around Baseline Tip. Progress in Computational Fluid Dynamics, 7, 363- 373.
Key, N. L., & Arts, T. (2006). Comparison of Turbine Tip Leakage Flow for Flat Tip and Squealer Tip Geometries at High-Speed Conditions. ASME Journal of Turbomachinery, 128, 213-220.
Krishnababu, S. K., Dawes, W. N., Hodson, H. P., Lock, G. D., Hannis, J., & Whitney, C. (2009a). Aerothermal Investigations of Tip Leakage Flow in Axial Flow Turbines Part II: Effect of Relative Casing Motion. 131, 011007-011001-011010.
Krishnababu, S. K., Newton, P. J., Dawes, W. N., Lock, G. D., Hodson, H. P., Hannis, J., & Whitney, C. (2009b). Aerothermal Investigations of Tip Leakage Flow in Axial Flow Turbines Part I: Effect of Tip Geometry and Tip Clearance Gap. ASME Journal of Turbomachinery, 131, 011006-011001-011014.
Lakshminarayana, B. (1996). Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery. New York: Wiley.
Mischo, B., Behr, T., & Abhari, R. S. (2008). Flow Physics and Profiling of Recessed Blade Tips: Impact on Performance and Heat Load. ASME Journal of Turbomachinery, 130, 021008-021001-021008.
Moore, J., & Tilton, J. S. (1988). Tip Leakage Flow in a Linear Turbine Cascade. ASME Journal of Turbomachinery, 110, 18-26.
Schabowski, Z., & Hodson, H. (2014). The Reduction of Over Tip Leakage Loss in Unshrouded Axial Turbines Using Winglets and Squealers. ASME Journal of Turbomachinery, 136, 041001-041001-041011.
Sjolander, S. A., & Cao, D. (1995). Measurements of the Flow in an Idealized Turbine Tip Gap. ASME Journal of Turbomachinery, 117, 578-584.
Tallman, J., & Lakshminarayana, B. (2001a). Numerical Simulation of Tip Leakage Flows in Axial Flow Turbines, With Emphasis on Flow Physics: Part I - Effect of Tip Clearance Height. ASME Journal of Turbomachinery, 123, 314-323.
Tallman, J., & Lakshminarayana, B. (2001b). Numerical Simulation of Tip Leakage Flows in Axial Flow Turbines, With Emphasis on Flow Physics: Part II - Effect of Outer Casing Relative Motion. ASME Journal of Turbomachinery, 123, 324-333.
Wang, H. P., Olson, S. J., Goldstein, R. J., & Eckert, E. R. G. (1997). Flow Visualization in a Linear Turbine Cascade of High Performance Turbine Blades. ASME Journal of Turbomachinery, 119, 1-8.
Yaras, M. I., & Sjolander, S. A. (1992a). Effects of Simulated Rotation on Tip Leakage in a Planar Cascade of Turbine Blades: Part I - Tip Gap Flow. ASME Journal of Turbomachinery, 114, 652-659.
Yaras, M. I., & Sjolander, S. A. (1992b). Prediction of Tip-Leakage Losses in Axial Turbines. ASME Journal of Turbomachinery, 114, 204-210.