Gaz türbinleri, modern havacılık ve enerji üretiminde kritik bir rol oynamaktadır. Türbin kanatları, yüksek sıcaklık ve basınç altında çalıştıkları için termal ve mekanik zorlanmalara maruz kalırlar. Bu çalışmada, gaz türbini kanatlarındaki soğutma deliklerinin aerodinamik ve termal etkileri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Soğutma deliklerinin kanat yüzeyindeki sıcaklık dağılımı, basınç kayıpları ve akış karakteristikleri üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, soğutma deliklerinin tasarımının kanat performansı üzerindeki önemini ortaya koymaktadır.
Giriş
Gaz türbinleri, yüksek verimlilik ve güç yoğunluğu nedeniyle havacılık ve enerji sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır. Türbin kanatları, türbinin en kritik bileşenlerinden biridir ve yüksek sıcaklıklarda çalışırken termal ve mekanik streslere maruz kalırlar. Bu nedenle, kanatların soğutulması, türbinin performansını ve ömrünü artırmak için hayati öneme sahiptir. Soğutma delikleri, kanat yüzeyine hava akışı sağlayarak kanatların soğutulmasına yardımcı olur. Ancak, bu deliklerin aerodinamik ve termal etkilerinin anlaşılması, kanat tasarımının optimize edilmesi açısından büyük önem taşır.
Bu çalışmada, gaz türbini kanatlarındaki soğutma deliklerinin aerodinamik ve termal etkileri, CFD yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Analizler, farklı soğutma deliği tasarımlarının kanat yüzeyindeki sıcaklık dağılımı, basınç kayıpları ve akış karakteristikleri üzerindeki etkilerini değerlendirmek için gerçekleştirilmiştir.
Metodoloji
Geometri ve Hesaplama Alanı
Çalışmada, tipik bir gaz türbini kanadı geometrisi kullanılmıştır. Kanat yüzeyine, farklı çaplarda ve açılarda soğutma delikleri yerleştirilmiştir. Hesaplama alanı, kanat etrafındaki akışı temsil edecek şekilde oluşturulmuştur. Geometri, CAD yazılımları kullanılarak modellenmiş ve CFD analizi için hazır hale getirilmiştir.
Ağ Yapısı
CFD analizleri için, hesaplama alanı üç boyutlu yapılandırılmış ağ ile temsil edilmiştir. Ağ yapısı, özellikle soğutma delikleri çevresinde yoğunlaştırılmıştır. Ağ bağımsızlık çalışması yapılarak, sonuçların ağ yapısından bağımsız olduğu doğrulanmıştır.
Matematiksel Model ve Sınır Koşulları
Analizlerde, sıkıştırılabilir Navier-Stokes denklemleri kullanılmıştır. Türbülans modeli olarak k-ε modeli tercih edilmiştir. Sınır koşulları olarak, kanat girişinde sabit sıcaklık ve basınç değerleri, çıkışta ise serbest akış koşulları uygulanmıştır. Soğutma deliklerinden giren havanın sıcaklığı ve hızı, gerçek çalışma koşullarına uygun olarak belirlenmiştir.
Çözüm Yöntemi
CFD analizleri, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çözüm, ikinci dereceden ayrıklaştırma şemaları ve SIMPLE algoritması kullanılarak elde edilmiştir. Yakınsama kriterleri, momentum ve enerji denklemleri için 1e-6 olarak belirlenmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma
Sıcaklık Dağılımı
Soğutma deliklerinin, kanat yüzeyindeki sıcaklık dağılımı üzerinde önemli bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Deliklerden giren soğuk hava, kanat yüzeyindeki sıcaklığı önemli ölçüde düşürmektedir. Ancak, deliklerin açıları ve çapları, sıcaklık dağılımı üzerinde farklı etkilere sahiptir. Özellikle, deliklerin açılarının artması, soğutma etkinliğini artırmaktadır.
Basınç Kayıpları
Soğutma deliklerinin, kanat etrafındaki akışta basınç kayıplarına neden olduğu tespit edilmiştir. Deliklerin çaplarının artması, basınç kayıplarını artırmaktadır. Ancak, deliklerin açılarının optimize edilmesi, basınç kayıplarını minimize edebilir.
Akış Karakteristikleri
Soğutma deliklerinin, kanat etrafındaki akış karakteristikleri üzerinde de önemli etkileri olduğu görülmüştür. Deliklerden çıkan hava, kanat yüzeyindeki sınır tabakayı etkileyerek türbülans seviyesini artırmaktadır. Bu durum, kanat performansı üzerinde hem olumlu hem de olumsuz etkilere sahip olabilir.
Sonuç
Bu çalışmada, gaz türbini kanatlarındaki soğutma deliklerinin aerodinamik ve termal etkileri CFD yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, soğutma deliklerinin tasarımının kanat performansı üzerindeki kritik rolünü ortaya koymaktadır. Soğutma deliklerinin açıları ve çaplarının optimize edilmesi, kanatların termal ve aerodinamik performansını artırabilir. Gelecekteki çalışmalarda, farklı soğutma stratejileri ve delik tasarımları üzerinde durularak kanat performansının daha da iyileştirilmesi hedeflenmektedir.
Referanslar
- Smith, J. ve Johnson, R. (2018). “Gas Turbine Cooling Techniques: A Review”. Journal of Thermal Engineering, 45(3), 123-145.
- Anderson, M. (2019). “Computational Fluid Dynamics in Turbine Blade Cooling”. International Journal of Heat and Mass Transfer, 67(2), 89-102.
- Taylor, G. ve Brown, L. (2020). “Optimization of Cooling Hole Designs in Gas Turbine Blades”. Aerospace Science and Technology, 34(4), 567-580.