EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF JET IMPINGEMENT COOLING ON GAS TURBINE BLADE

Abstract

ABSTRACT

In this study, the effect of jet impingement cooling applied on the gas turbine blade on the heat transfer performance and flow characteristics by extending the jet holes to the target surface with the nozzle was investigated experimentally and numerically. Transient Liquid Chrystal (TLC) method was used to determine the heat transfer performance. Numerical studies were performed with Ansys Fluent 19.2 and SST k-ω (low Re correction) turbulence model was used in the numerical calculations.

In the first chapter of the thesis, historical development of cooling techniques applied on turbine blade and jet impingement cooling systems were explained in detail.

In second chapter, literature reviews were presented and contrubution of the results obtained from this study to the literature are discussed. In the third chapter of the thesis, the experimental setup was described and the equipments to be used in the experiments were presented. The mathematical formulations used in the numerical calculations of the heat transfer on the surface by TLC method were explaned and the uncertainty of the experimental setup was presented.

In the fourth chapter of the thesis, mathematical formulations which are the basis of numerical study were given. In addition, turbulence model to be used in the numerical study were presented in detail.

Experimental results were given in the fifth chapter of the thesis. The results of the flat and ribbed surfaces were also compared. According to experimental results, it was determined that average Nu number on flat surfaces could be increased up to 31.69% and 40.32% for ribbed surfaces by extending jet holes towards the target surfaces. Experimental results showed that excessivelly decreasing the dimensionless nozzle gap (Gj/Dj) lower the increase in the average Nu number and even starts to decrease again. In addition, pressure loss increases by decreasing Gj/Dj. Therefore, according to the experimental results, the optimum dimensionless nozzle gap was evaluated as 2.0. The results of flat and ribbed surfaces were also compared, it was observed that there was no significant increase in the average Nu number of the ribbed surfaces.

In the sixth chapter of the thesis, numerical results were given, flow characteristics were presented and the results of flat and ribbed surfaces are compared. According to the numerical results, decreasing Gj/Dj also increases the average Nu number up to 18.05% on the flat surface and 25.89% on the ribbed surface. Numerical results also showed that cross-flow affects the jet flow espetially by increasing Gj/Dj and impinging region of the jets on the target surface moves towards the downstream direction. According to the numerical results, the average Nu number on the ribbed surface is lower than the flat surface. This is due to the fact that on the rib roughened surface, after the jet impinging on the surface, flow jumps over the rib and the boundary layer thickness of adjacent surface increases. This causes to lower the heat transfer between flow and surface. Decreasing Gj/Dj has been found to eliminate these negative effects. According to the numerical results, the velocity of the fluid impinging on the surface was fount to be lower than the velocity of the fluid in the jet hole. It was seen that the velocity difference is higher in the test model which has the higher Gj/Dj. This explains the increase in local and average Nu numbers with the decrease of Gj/Dj according to both experimental and numerical results.

In the seventh chapter, experimental results were compared with numerical results. The results for 3.0≤Gj/Dj≤6.0 showed that numerical study was able to reveal the local Nu number distribution on the surface accurately and the difference between experimental and numerical results of average Nu number is below the 10%. Numerical results showed that SST k-ω (low Re correction) turbulence model gives accurate results in numerical computations of the extended jet holes of the jet impingement cooling system. The difference between experimental and numerical average Nu numbers was found to be up to 17% at Gj/Dj=2.0 and 1.0. Accordingly, it was found that the SST k-ω (low Re correction) turbulence model gives accurate results in numerical calculations of the jet impingement cooling which has the extended jet nozzle.

Conclusions of this study were given in last chapter of the thesis and future studies were also mentioned based on the results of this study. .ÖZET

Bu çalışmada, gaz türbin kanadı üzerinde uygulanan jet çarpmalı soğutmanın jet delikleri, nozul ile hedef yüzeye doğru uzatılarak ısı transfer performansı ve akış karakteristiklerine etkisi deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Isı transfer performansının belirlenmesinde kararsız hal sıvı kristal (TLC) yönteminden faydalanılmıştır. Sayısal çaşılmalar Ansys Fluent 19.2 ile gerçekleştirilmiş ve hesaplamalarda SST k-ω (low Re correction) türbülans modeli kullanılmıştır.

Tezin ilk bölümünde türbin kanadı üzerinde uygulanan soğutma teknikleri ile ilgili tarihsel gelişimden ve jet çarpmalı soğutma sisteminden ayrıntılı olarak bahsedilmiştir.

Tezin ikinci bölümünde literatürde yapılan çalışmalar sunularak, bu çalışmadan elde edilen sonuçların literatüre yapacağı katkılar ele alınmıştır. Tezin üçüncü bölümünde deney düzeneği tanıtılmış, deneylerde kullanılacak olan teçhizatlar hakkında bilgiler verilmiştir. TLC yöntemiyle yüzey üzerinde gerçekleşen ısı transferinin hesaplanmasında faydalanılan matematiksel formülasyondan bahsedilmiş ve deney düzeneğinin belirsizlik azalizi sunulmuştur.

Tezin dördüncü bölümünde sayısal çalışmanın temelini oluşturan matematiksel formülasyonlar verilmiştir. Bununla birlikte sayısal çalışmada kullanılacak olan türbülans modeli hakkında detaylı bilgiler sunulmuştur.

Tezin beşinci bölümünde deney sonuçları verilmiştir. Aynı zamanda düz ve kanatçıklı yüzeylerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre jet deliklerinin nozul ile hedef yüzeye yaklaştırılması düz yüzeyin ortalama Nu sayısını %31,69’a, kanatçıklı yüzeyin ise %40,32’ye kadar arttırılabileceği tespit edilmiştir. Boyutsuz nozul boşluğunun (Gj/Dj) fazlaca azalması ortalama Nu sayısındaki artışı durdurmakta ve hatta tekrar düşürdüğü tespit edilmiştir. Bununla birlikte, Gj/Dj’nin azalması basınç kaybını da arttırmıştır. Bu nedenle, deney sonuçlarına göre optimum boyutsuz nozul boşluğunun 2,0 olduğu değerlendirilmiştir. Düz ve kanatçıklı yüzeylerin sonuçları karşılaştırıldığında kanatçıklı yüzeyin ortalama Nu sayısında kayda değer bir artışın olmadığı görülmüştür.

Tezin altıncı bölümünde sayısal sonuçlar verilmiş, akış karakteristikleri gösterilmiş ve düz ile kanatçıklı yüzeylerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Sayısal sonuçlara göre Gj/Dj’nin azalması ortalama Nu sayısını düz yüzey üzerinde %18,05, kanatçıklı yüzey üzerinde ise %25,89’a kadar arttırdığı tespit edilmiştir. Akış karakteristikleri incelendiğinde nozulsuz modelde ve Gj/Dj’nin yüksek olduğu deney modellerinin jetlerinin çapraz akıştan etilendiği ve hedef yüzey üzerinde çarpma bölgesini akış yönüne doğru kaydırdığı tespit edilmiştir. Sayısal sonuçlara göre, kanatçıklı yüzeyin ortalama Nu sayısı az miktarda da olsa düz yüzeyden düşük olduğu görülmüştür. Bunun nedeni, kanatçıklı yüzeyde, jetin yüzeye çarpmasından sonra akışın kanatçığın üzerinden atlayarak kanatçığa komşu yüzeyle temasının kesilmesine, başka bir deyişle kanatçığın, kanatçıktan sonraki yüzey üzerinde sınır tabaka kalınlığının artmasına neden olduğu için akışkanla yüzey arasındaki ısı transferini düşürmesine bağlanmıştır. Gj/Dj’nin azalması ise bu olumsuz etkileri ortadan kaldırdığı tespit edilmiştir. Sayısal sonuçlara göre, yüzeye çarpan akışkanın hızı jet deliğindeki akışkan hızından daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Gj/Dj’nin yüksek olduğu modellerde hız farkının daha fazla olduğu görülmüştür. Bu durum, hem deneysel hem de sayısal sonuçlara göre, Gj/Dj’nin azalmasıyla yerel ve ortalama Nu sayılarında artışın nedenini açıklamaktadır.

Tezin yedinci bölümünde deney sonuçlarıyla sayısal sonuçlar karşılaştırılmıştır. 3,0≤Gj/Dj≤6,0 değerleri için modellerin sayısal sonuçlarıyla deneysel sonuçları karşılaştırıldığında, sayısal çalışmanın yüzey üzerinde yerel Nu sayısı dağılımını oldukça hassas bir şekilde ortaya koyabildiği ve ortalama Nu sayılarını %10 hata oranının altında çözümleyebildiği görülmüştür. Gj/Dj=1,0 ve Gj/Dj=2,0 olması durumunda deneysel ve sayısal ortalama Nu sayıları arasındaki fark %17’ye kadar çıktığı tespit edilmiştir. Buna göre, SST k-ω (low Re correction) türbülans modelinin jet deliği nozul ile uzatıılmış jet çarpmalı soğutma sisteminin sayısal hesaplamalarında hassas sonuçlar verdiği görülmüştür.

Tezin son bölümünde sonuç ve önerilerden bahsedilmiş ve bu çalışmadan elde edilen bilgiler ışığında gelecekte yapılacak çalışmalar tartışılmıştır.