uhuk bildiri 2016 155 çarpma soğutmasi çalişmalari i̇çi̇n bi̇r deney...

Click here to load reader

Post on 12-Apr-2017

27 views

Category:

Engineering

8 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • VI. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI UHUK-2016-155 28-30 Eyll 2016, Kocaeli niversitesi, Kocaeli

    ARPMA SOUTMASI ALIMALARI N BR DENEY DZENE TASARIMI, RETM, KURULUMU VE DENEME ALIMALARI

    Yavuzer Karaku1 brahim Atacan Kl2 Duygu Erdem3

    stanbul Teknik niversitesi, stanbul

    ZET Trbin giri scaklnn artnn gaz trbin motorlarn performansn artran nemli bir kriter olmas,

    soutma teknolojisinin zellikle havaclkta kullanlan gaz trbin motorlar iin ok kritik bir terim haline

    gelmesine sebep olmutur. Trbin giri scaklnn ilk etkidii nokta olan kanat ularnn soutulmas trbin

    giri scakln artrabilmenin anahtardr. Bu sebeple trbin u ksmnn soutulmas ile ilgili almalar

    havaclk asndan nemlidir. Genellikle trbin rotor ve stator u blgesinin soutulmasnda kullanlan

    yntemlerden arpma soutmas (impingement cooling) almalar bu sebeple ilgi ekmitir. stanbul

    Teknik niversitesi Trisonik Aratrma Laboratuvar bnyesinde kurulmakta olan arpma soutma deney

    dzeneinin tasarm, retim ve kurulumu anlatlmaktadr. Kurulum aamasnda yaplacak olan deneme

    almalar da sunulacaktr.

    GR

    Gnmz havaclnda ana itki kayna olarak kullanlan gaz trbin motorlarn performans bir ok parametreye baldr. Bu parametrelerden nemli olan biri de trbin giri scakldr. Trbin giri scakl ykseldike motor performans artmaktadr[Chyu ve Siw, 2013]. Trbin giri scakl ile zgl ekirdek gcnn nasl deitii ekil 1de gsterilmitir. u an kullanmda olan bir ok motorda trbin giri scakl trbin bileenlerinde kullanlan malzemenin hasar grecei scaklklara ulam durumdadr, bu scaklklarda yapnn korunmas iyi bir soutma sistemi ile gerekletirilebilmektedir[Zuckerman ve Lior, 2006]. Trbin soutmas iin bir ok yntem kullanlrken, trbin hcum kenar blgesinin dar olmas sebebi ile bu blgede daha ok arpma soutmas impingement cooling kullanlmaktadr. Bunun sebebi yksek s aks istenen blgelerde tanmla soutmaya gre daha baarl olmasdr [Livinghood ve Hrycak, 1973].arpma soutmas yntemi yerel s transferini arttrma potansiyeli asndan en fazla potansiyele sahip s transferini artrma yntemlerinden biridir [Han, Dutta ve Ekkad, 2000]. Bu soutma eklinde trbin bann iinde bulunan kanaln yzeyine hzla arpan jet ak yzeyi soutmakta ve dolays ile s transferini arttrmaktadr. Trbin soutmasnda kullanlan genel yntemlerin trbin bileeni zerinde gsterimi ekil 2dedir.

    1 Aratrma grevlisi., Uak Mh. Bl., E-posta: karakusy@itu.edu.tr

    2 Lisans rencisi, Uak Mh. Bl., E-posta: kilicib@itu.edu.tr

    3 Yrd. Do. Dr., Uak Mh. Bl., E-posta: erdem@itu.edu.tr

  • KARAKU, ATACAN ve ERDEM UHUK-2016-155

    2

    Ulusal Havaclk ve Uzay Konferans

    ekil 1: Trbin giri scakl ile zgl g arasndaki bant [Koff , 1991]

    ekil 2: Trbin soutma yntemleri [Han ve Huh, 2009]

    Reynolds says 9000-11000 aralnda, arpma levhas uzakl/delik ap (H/d) oran 6,8 ve 10 iin yaplan hesaplamal akkanlar dinamii almasnda bu iki parametrenin arpma soutma sistemindeki ak yaps ve s transferini nemli lde etkilediini ve H/d=6da daha yksek s transferi gerekletiini gstermilerdir [Chougule, Parishwad, Gore, Pagnis ve Sapali, 2011]. arpma soutmasnda bir dier nemli parametre de apraz ak hzdr. Genellikle kanal iine akan jetlerden oluan apraz ak, jetlerin kaymasna sebep olabilir [Han, Dutta ve Ekkad, 2000]. Barata ve Durao apraz aka maruz kalan bir arpma jetinin nasl etkilendiini Lazer Doppler Anemometry teknii ile ak iindeki hz dalmn lerek gstermilerdir [Barata ve Durao, 2004]. Florschuetz ve dierlerinin yapt bir almada jet k ile arpma levhas arasndaki uzakln, jet klar arasndaki mesafenin ve jet deliklerinin dzeninin deiiminin s transferini nasl etkiledii gsterilmitir [Florschuetz, Berry ve Metzger, 1980]. Bu almada kullanlan deney dzenei ekil 3de gsterilmitir ve rnek bir dzenek olarak alnabilir. ou paras deitirilebilir olarak tasarlanm bu dzenekte hava giriinden giren hava deitirilebilir bir jet plakasndan geerek uzakl deitirilebilen bir arpma levhasna arpmaktadr.

  • KARAKU, ATACAN ve ERDEM UHUK-2016-155

    3

    Ulusal Havaclk ve Uzay Konferans

    ekil 3: Florschuetz, Berry ve Metzgerin almasnda kullanlan deney dzenei [Florschuetz, Berry ve Metzger, 1980]

    Bu bildiride stanbul Teknik niversitesi Trisonik Aratrma Merkezi bnyesinde kurulmakta olan arpma soutmas deney dzeneinin tasarm, retim ve kurulum aamalar anlatlmaktadr. Gaz trbin motoralar iin kritik bir soutma teknolojisi olan arpma soutmas teknolojisi zerine yaplacak almalarn nemli olduu dnlmektedir. Bu sistemde gerekletirilecek almalar ile konu hakknda tecrbe ve bilgi birikimi elde edilecektir. Ayrca buradan elde edilecek bilgiler nda bu teknoloji ile ilgili yeni tasarm kabiliyetlerine de sahip olunmas hedeflenmektedir. niversitemizin bu alanda elde edecei tecrbenin teknoloji gelitirme projeleri asndan nem arz edecei ngrlmektedir.

    YNTEM

    Parametrelerin belirlenmesi

    Parametreler mevcut literatrdeki almalar baz alnarak belirlenmitir. Sistem tasarlanrken deitirilebilmesi istenen parametreler: jet k ap, jet aralklar, jet delik dzeni, jet k ile arpma yzeyi arasndaki mesafe, Reynolds saysdr. Dier tm parametreler sabitken Reynolds saysn deitirebilmek iin debinin kontrol edilmesine karar verilmitir. Ayn zamanda alt tabla zerinde basn dalm ve s transferi lmlerinin ayr ayr veya ayn anda yaplabilmesi de istenmektedir. Basn dalm lmleri iin dier parametrelere bal olarak basn prizi dzeninin deitirilmesi gerektii de dnlmektedir.

    Ak Diyagram

    Sistemin genel yaps mmkn olduunca Trisonik Aratrma Laboratuvarnn mevcut altyapsnn imkanlarn kullanacak ekilde tasarlanmtr. ekil 4de sistemin ak diyagram gsterilmitir. Trisonik Aratrma Laboratuvar dahilinde bulunan yksek basnl hava tanklarndan gelen hava ile sistem beslenecektir. Basnl hava SMS Tork markal pnmatik kontroll vana ve ona bal pozisyoner tarafndan kontrol edilecektir. Vanadan geen ak tarafmzdan tasarlanan orifismetreden geerek debi lm yaplacaktr. Bilgisayarda almakta olan Labview program tarafndan debiyi sabit tutmak zere gnderilen k sinyali National Instruments PCI 6014 veri toplama kart ile pozisyonere gnderilmektedir. Bu sinyal 0-10V aralnda deiirken vana 4-20mA sinyal kabul etmektedir. Bu sebeple veri toplama kart ile pozisyoner arasna 0-10V aralndaki

  • KARAKU, ATACAN ve ERDEM UHUK-2016-155

    4

    Ulusal Havaclk ve Uzay Konferans

    giri sinyalini 4-20mA aralnda k sinyaline eviren Gentek marka bir dntrc yerletirilmitir. Sabit debide tutulan ak dinlenme odasnda dinlendikten sonra delikli plakadan geerek arpma jetlerini oluturacaktr. Jetlerin arpt arpma yzeyi ya da arpma plakasnda istee gre basn prizi ile yzey basn dalm alacak basn prizleri, istee gre stc ve sl iftler bulunabilecektir. Duyargalardan alnan veriler veri toplama kart zerinden bilgisayara aktarlacak ve kullanlmakta olan Labview program ile ilenerek kayt edilecektir.

    ekil 4: Kurulacak sistemin ak diyagram

    Dinlenme Odas ve arpma Blm Tasarm

    ncelikli olarak sistemin daha nce belirlenmi olan parametrelere gre kat modeli oluturulmutur. Sistemde dinlenme odas delik geometrisi ve dzeninin deitirilebilecei ekilde tasarlanmtr. arpma tablasnn jet kna olan uzaklnn deitirilebilmesi iin 2 yan duvar daha uzun tasarlanmtr. Bu duvarlarda arpma tablasn sabitlemek iin kullanlmak zere montaj delikleri almtr. ekil 5te dinlenme odas ve arpma blgesinn CAD modeli i alann grlebilmesi amac ile n kapak gizlenerek gsterilmitir.

    ekil 5: Ak dzenleyicisiz dinlenme odas ve arpma blgesi (n kapak i blgenin grlmesi iin kaldrlmtr)

    Dinlenme odasndaki ak dzenlemek iin bir ak dzenleyiciye gerek olabilecei ngrlmtr. ekil 6da ak dzenleyici ieren sistemin ve ak alannn kat modeli grlmektedir. Sistem

  • KARAKU, ATACAN ve ERDEM UHUK-2016-155

    5

    Ulusal Havaclk ve Uzay Konferans

    modelinde i yapnn grlmesi iin n kapak kaldrlrken ak modelinde sistemin sol n eyrei ayrntlarn grlmesi iin kesit alnmtr. Ak dzenleyici olmayan geometride boyutlar ayn kalmakta sadece aradaki delikli levha bulunmamaktadr. Ak dzenleyiciye ihtiyacn var olup olmadn anlamak iin iki geometri zerinde Hesaplamal Akkanlar Dinamii (HAD) analizleri gerekletirilmesine karar verilmitir. Bu analizler sonucunda saysal olarak modellenmi iki farkl dinlenme odas bulunmaktadr. Bu sonularn deerlendirilmesi sonucunda hangi dinlenme odasnn daha uygun olduuna karar verilmitir.

    ekil 6: Ak dzenleyicili dinlenme odasnn ve ona ait ak alannn kat modeli

    HAD analizi ksmnda nce sistemin a yaps hazrlanmtr. Ak dzenleyicili dinlenme odasna sahip sistemin a yaps ekil 7.de grlmektedir. blgede gen prizma a geometrisi kullanlrken, duvara yakn blgelerde snr tabaka a yaps kullanlmtr. Analizler ise balang koulu olarak kullanlacak verinin daha hzl elde edilmesi iin laminer model ile balatlp daha sonra k-epsilon modeline gei yaplmtr. k-epsilon modelinin standart modeli kullanlmaktadr. Birinci derece ayrklatrma yntemi ile balanan analizler ikinci dereceden ayrklatrma yntemi ile son halini almaktadr. Snr koulu olarak Giri ksmndan belirli bir ktle debisi verilmektedir. En kritik ak durumunu grebilmek iin arpma blmnn 3 yan snr duvar olarak modellenmi, tek bir k braklmtr.

  • KARAKU, ATACAN ve ERDEM UHUK-2016-155

    6

    Ulusal Havaclk ve Uzay Konferans

    ekil 7: rnek HAD a yaps: ak dzenleyicili dinlenme odas ve deney ksmnn kesiti

    HAD almalarnn dinlenme odas ve arpma blmn ilgilendiren ksmlar bu blmde verilmitir. ekil 8.de ak dzenleyicisiz dinlenme odal sitemin simetri dzlemindeki ak yaps gsterilmitir. Burada grlecei zere kar du