Bal peteği sızdırmazlık elemanında eğimli labirent keçe dişlerinin kaçak debiye etkisinin sayısal incelenmesi

Abstract

Güç santralleri, uçak motorları gibi güç üretim sistemlerinde kullanılan turbomakineler istenilen yüksek basınç ve yüksek sıcaklık ihtiyacını karşılayabilmesi için sürekli gelişim göstermektedir. Malzeme dayanım sınırları gibi faktörlerden dolayı turbomakine verimini artırmak için sistem içerisinde meydana gelen kayıpları azaltma yoluna gidilmektedir. Yüksek çalışma koşulları, sistemin türbin ve kompresör gibi elemanlarında kaçak akışın az olması istenilen bölgelerinde daha fazla sızdırmazlık problemlerini meydana getirmektedir. Bu çalışmada gaz türbinlerinde yaygın olarak kullanılan labirent ve bal peteği sızdırmazlık modelleri üzerinde durulmuştur. Çalışma kapsamında 4 farklı kombine model ele alınmıştır.1)Düz Stator – Düz Diş(90 derece)2)Düz Stator – Eğimli Diş3)Bal Petekli Bölge – Düz Diş4)Bal Petekli Bölge – Eğimli Diş Detaylı olarak incelenecek olan 4. model için bu akış problemi; geometrik faktörlerin ve çalışma koşullarının etkisi şeklinde iki durumda ele alınmıştır. Araştırılan parametreler literatürde ve endüstri uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Labirent diş geometri parametreleri olarak rotor diş üstü ve stator yüzeyi arasında kalan diş açıklık mesafesi değerleri Cr={0.127-0.254-0.508-├ 1.016 mm}┤, diş eğim açısı θ ={90°-70°-├ 50° }┤ ve bal peteği geometri parametresi HCs={0.793-1.590-3.175├ mm}┤ için HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma koşullarının incelenmesi açısından basınç oranları Pr={1.5-2.0-2.5-┤ ├ 3.0} ve rotor yüzeyinde çizgisel hızları Vr={100-200-┤ ├ 400 m/s} için akış üzerine etkilerini belirlemek amacıyla HAD analizleri gerçekleştirilmiştir.Düz stator (bal peteği olmayan) durumlar için 2-boyutlu eksene simetrik bir geometri üzerinden analizlerin yapılması mümkün olurken bal peteği kullanımı halinde 3 boyutlu bir analizi mecburi kılmaktadır. Ancak yüksek mesh yoğunluğu sebebiyle 3- boyutlu tam akış hacmi yerine, 3-boyutlu periyodik bir akış hacmi üzerinden çözümleme için ticari bir yazılım paket programı olan ANSYS-Fluent ile analizler gerçekleştirilmiştir. Yaygın olarak bilinen düz stator – düz diş labirent conta modeline göre kombine sızdırmazlık elemanının performansları karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler sonucunda; düz stator durumunda 0.254 mm diş açıklık için 70 derecelik eğim için kaçak akışı ̴ % 5.5 azaltırken bal peteği kullanımı halinde 70 derece diş eğim açısı kaçak akışta ̴ % 8.1 azalma görülmüştür. Aynı durum 0.508 mm diş açıklığı ve 50 derece diş eğim açısı için kıyaslandığında bu oran ̴%8.6' dan ̴%20.1' e artmıştır. Çalışma özetlenmek istenirse kaçak akışı önleme açısından yeni tasarımın olumlu etkileri gözlenmiştir. Ancak her diş açıklık mesafesi (Cr) için uygun bal peteği boyutunun seçilmesi ve uygun eğim açısının tercih edilmesi gerektiği bu tezin önemini ortaya koymaktadır. Türbin yataklarında ve kompresör çıkışlarında en fazla kayıpların labirent sızdırmazlık elemanlarında meydana gelmesi göz önüne alınacak olunursa motor gücü ve yakıt sarfiyatı açısından labirent keçelerdeki bu tür iyileştirmelerin sürekli devam edeceği gözükmektedir.

Turbomachines used in power generation systems such as power plants, aircraft engines, etc. are constantly evolving to meet the demands for high working conditions. In the development process, the requirement for high pressure and high temperature for turbomachines has also increased in line with this demand. Due to factors such as material strength limits, the losses within the turbomachines have been reduced in order to increase the efficiency. In components such as turbine and compressor, high operating conditions cause more leakage problems in the regions, where there should be little leakage flow.This thesis focuses on labyrinth sealing and honeycomb sealing models commonly used in gas turbines. There is evidence in the literature that sloping the labyrinth teeth into the region where the flow is coming (high pressure) reduces leakage flow. At the same time, due to the benefits of both leakage flow reduction and damping properties in the proper use of the honeycomb seal form, this both seal are often regarded as the preferred sealing elements in literature studies and industry applications. Application of honeycomb on both sloping and opposite surface (stator surface) of labyrinth teeth is not a very common application in the literature. In the study of this thesis, firstly, the fourth case, which is the subject of this thesis, was investigated in detail after the following first three case analyzes which are common in the literature.1)Flat stator – Straight-through tooth (90 degree)2)Flat stator – Sloped tooth3)Honeycomb land – Straight-through tooth4)Honeycomb land – Sloped toothIn this thesis to be examined, the flow problem is considered in two cases as the effect of geometric factors and working conditions. The parameters investigated are widely used in literature and industry applications. As the labyrinth tooth geometry parameters, we examined 4 different parameters for Cr={0.127-0.254-0.508-├ 1.016 mm}┤ and 3 different parameters for tooth inclination angle θ ={90°-70°-├ 50° }┤. The honeycomb geometry parameter HAD analysis was performed on three widely known parameters: HCs = {0.793-1.590-3.175mm}. As working conditions parameters also, HAD analyzes were performed to determine the effects of pressure difference (Pr = {1.5-2.0-2.5-3.0}) and rotor speed (Vr = {100-200-400m/s}) on the flow.HAD analysis makes it possible to conduct a 2-dimensional analysis on a symmetrical geometry for flat stator (non-honeycomb) situations, but it requires a 3-dimensional analysis in case of using honeycomb. However, due to the high mesh density, a three-dimensional periodic flow volume analysis has been performed instead of 3D-all flow volume. For HAD analysis, ANSYS-Fluent v.16, a commercial software package program, was used.HAD analyzes were first verified with the literature data and analytical equations for the first three cases. The performance of the newly designed combined seals in this thesis is compared to that of the labyrinth seal, which is conventional flat stator - flat tooth. In the case of a flat stator, a 70 degree slope for a 0.254 mm clearance reduced the leakage flow by 5.5%, whereas a 70 degree slope angle in the case of using honeycomb showed a decrease of 8.1% in the leakage flow. When compared to 0.508 mm clearance and 50 degree tooth inclination angle, the leakage flow reduction rate was ̴ 20.1% from 8.6%.When the study is summarized, positive effects of the new design are observed in terms of leakage flow prevention. However, it is important to choose the appropriate honeycomb size for each tooth clearance (Cr) and to choose the appropriate angle of inclination. Considering the fact that most losses in turbine bearings and compressor outlets occur in labyrinth seals, such improvements in the sealing elements are observed that it will continue in terms of engine power and fuel consumption.