EKSENEL GAZ TÜRBİNLERİNDE KANAT UCU AKIŞININ SAYISAL İNCELENMESİ: KANAT UCU BOŞLUĞUNUN VE BAĞIL HAREKETİN ETKİSİ Hidir MARAL
Türbomakina performansı kanat ucu boşluğundaki akış yapısına önemli oranda bağlıdır. Kanat ucuboşluğundaki akış üç boyutlu ve oldukça karmaşık bir akıştır. Kanat basınç kenarı ve emme kenarı arasındaki basınçfarkının neden olduğu akış, aerodinamik kayıp nedenidir. Bu nedenle, aerodinamik performansı iyileştirmek için budar kanalda akış yapısı net bir şekilde açıklanmalıdır. Çalışmalar, sızıntı akışının türbomakina ana akışıylaetkileşiminin önemli miktarda enerji kaybına neden olduğunu göstermiştir. Bununla beraber sızıntı akış yapısı tamolarak anlaşılamamıştır. Kanat ucu boşluğunun çok küçük bir yükseklikte olması deneysel çalışmalar için ölçümzorlukları 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 % 1.5değerleri) etkisi ile gövde ile kanat arasındaki bağıl hareketin sızıntı akışına ve kanat ucu vorteksi oluşumuna etkisiincelenmiştir. Literatürdeki çalışmalarla tutarlı HAD sonuçları elde edilmiştir. k-ω SST türbülans modelinin akışyapılarını daha iyi yakalayabildiği gözlemlenmiştir. Kanat ucu boşluğunun arttırılması sızıntı debisini ve aerodinamikkayıpları arttırmaktadır. Gövde ile kanat arasındaki bağıl hareketin kanat ucu vorteksini küçülterek kayıpları azalttığısonucu 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
___
- Yaras, M. I., & Sjolander, S. A. (1992b). Prediction of
Tip-Leakage Losses in Axial Turbines. ASME Journal of
Turbomachinery, 114, 204-210.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Sjolander, S. A., & Cao, D. (1995). Measurements of the
Flow in an Idealized Turbine Tip Gap. ASME Journal of
Turbomachinery, 117, 578-584.
- 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.
- Moore, J., & Tilton, J. S. (1988). Tip Leakage Flow in a
Linear Turbine Cascade. ASME Journal of
Turbomachinery, 110, 18-26.
- 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.
- Lakshminarayana, B. (1996). Fluid Dynamics and Heat
Transfer of Turbomachinery. New York: Wiley.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Denton, J. D. (1993). Loss Mechanisms in
Turbomachines. ASME Journal of Turbomachinery, 115,
621-656.
- 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.
- Bindon, J. P. (1989). The Measurement and Formation
of Tip Clearance Loss. ASME Journal of
Turbomachinery, 111, 257-263.
- 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.
- ANSYS. CFX-Intro_15_L10_Turbulence” – Int. to CFX
Chapter 10.