Radyasyon ısı transferinin bir gaz türbini yanma odası duvar sıcaklığı üstündeki etkisinin hesaplamalı akışkanlar dinamiği-eşlenik ısı transferi yöntemleriyle incelenmesi

Abstract

Bir gaz türbini yanma odası içerisinde yanma tepkimeleri sonucunda yüksek sıcaklıkta yanma ürünleri (karbon dioksit, su buharı vb.) oluşmaktadır. Bu nedenle yanma odası (YO) duvarına önemli ölçüde ısı transfer edilmektedir. YO duvarının sıcaklığının hesaplanması, duvar ömrünün doğru tahmin edilebilmesi ve duvar soğutma teknolojisinin güvenilirliğinin incelenmesi açılarından önem taşımaktadır. YO duvarı yanma gazları tarafından taşınım ve ışıma ile ısınmakta, dış kanaldaki soğuk hava tarafından soğutulmaktadır. Işıma (radyasyon) ile ısı transferi iki şekilde gerçekleşmektedir. Bunlar; YO birincil bölgedeki zengin karışım sonucu oluşan is (soot) kaynaklı ısı transferi (luminous radiation) ve YO içinde oluşan sıcak gazların ısı transferidir (non-luminous radiation). YO duvar sıcaklığının daha doğru hesaplanabilmesi için radyasyon ısı transferinin de hesaba katılması gerekmektedir. Radyasyon ısı transferinin hesaba katılarak duvar sıcaklığı hesaplamanın en sıcak noktada duvar sıcaklığını azalttığı bilinmektedir. Yüksek basınç ve yüksek sıcaklık koşullarında deney yapmanın maliyeti ve zorluklarından dolayı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ve Eşlenik Isı Transferi (Conjugate Heat Transfer, CHT) duvar sıcaklığı hesaplamada önemli bir araç haline gelmiştir. CHT yöntemi YO akışkan hacmini (alev tüpü, dış kanal) ve katı kısmını (YO duvarı) birlikte modelleme imkanı sunmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında sıcak yanma gazlarının radyasyon ile ısı transferi modellenmiş ve radyasyon ısı transferinin YO duvar sıcaklığına etkisi gözlenmiştir. Bunun için küçük bir turbojet motoru yanma odası HAD ve CHT yöntemleri kullanılarak modellenmiş ve duvar sıcaklıkları hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda radyasyon ısı transferinin duvar sıcaklıklarını düşürme eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Duvarın en sıcak noktasında radyasyon hesaba katılmadığı durumda sıcaklık 1310 K iken radyasyonun hesaba katıldığı durumda sıcaklık 1140 K olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullarda yapılan test sonuçları ile karşılaştırıldığında ise elde edilen sonuçlara göre radyasyon ısı transferinin de hesaba katılması halinde test sonuçlarına daha yakın sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Tez çalışması kapsamında üç farklı çözüm ağı sayısı (900 bin, 3.4 milyon ve 9.7 milyon) kullanılmış ve 3.4 milyon ve 9.7 milyonluk çözüm ağlarının yakın sonuçlar verdiği görülmüş ve sonraki çalışmalar için 3.4 milyonluk çözüm ağı kullanılmıştır. Bu çözüm ağı kullanılarak farklı türbülans modelleri, yanma modelleri için analizler yapılmış ve YO duvar sıcaklıklarına etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre Relizable k-ε turbulence modeli ve Hybrid Eddy Break-up yanma modeli en uygun modeller olarak görülmüştür. Ayrıca duvar ve dış kabuk yayma oranı (emissivity) ve türbülanslı Schmidt ve Prandtl sayısının duvar sıcaklıklarına etkisi de incelenmiştir. Ayrıca türbülansın modellenmesinde kullanılan iki yaklaşım Large Eddy Simulation (LES) ve Reynolds Averaged Navier Sokes (RANS) ile yanma odası içinde ve astarda elde edilen sıcaklık dağılımları karşılaştırılmıştır.

Ignition characteris In gas turbine combustion chambers, combustion gases (carbondioxide, water vapor etc.) which have very high temperature occurs as a result of combustion reactions. Therefore, huge amount of heat transfers from hot gases through the combustor wall. In order to determine the lifetime of the liner wall and reliability of the wall cooling technology, it is important to predict wall temperature accurately. The liner is heated by convection and radiation of combustion gases inside the flame tube and it is cooled by convection to the cold air in annulus and radiation to the outer casing. Radiative heat transfer occurs in two ways. These are non-luminous and luminous radiation which are due to complete combustion products (CO2 and H2O), and formation of soot particles in the fuel rich regions of the primary zone of a non-premixed diffusion flame. It is neccessary to take into account of radiation heat transfer for more accurate prediction of liner temperature. It is known that taking into account of radiation heat transfer reduces the peak liner temperature. Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses became a popular tool with developing Conjugate Heat Transfer (CHT) solver because of the cost and difficulty of experiment under high temperature and high pressure environment. CHT methodology provides to model fluid volume (flame tube and annulus) and solid regions (liner) simulatenously. In this study, radiation heat transfer from hot combustion products (non-luminous radiation) is modelled and its effect on the combustor liner temperature is observed. Combustor of small scale turbojet engine is simulated with CFD-CHT computations and liner wall temperature is calculated. According to results, radiation heat transfer tends to reduce the wall temperatures, peak liner temperatures of 1310 K and 1140 K were predicted on the wall both for cases without and with radiation heat transfer respectively. Results are also compared with experimental data and it is clearly seen that neglecting radiation gives high unrealistic liner temperatures. Simulating the radiation heat transfer in combustor provides better agreement with experimental data. Simulations are performed with three different computational grids which have 900.000, 3.400.000 and 9.700.000 cells named coarse, medium and fine grids respectively. It is observed that medium and fine mesh results are very close to each other and it is decided that medium mesh is adequate for further simulations instead of fine mesh which has 9.7 million cells. Different combustion and turbulence models are implemented and all results are compared with experimental data with using medium mesh. Relizable k-ε turbulence model and Hybrid Eddy Break-up combustion model results are in better agreement with measured data. Parametric studies are performed with different casing and liner emmisivities, different Turbulent Prandtl/Schmidt numbers and all results are compared with measurements. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) computations are performed in order to see variation of the temperature field inside the flame tube and thereby temperature distribution in the combustor liner. The results of the two methodologies are also compared with experimental data.