UCK 474 Ucak Motor Tasarimi Turbin Tasarimi Yrd

UCK 474 Ucak Motor Tasarimi Turbin Tasarimi Yrd. Doç. Dr. Onur Tunçer İstanbul Teknik Üniversitesi 4 Mayis 2010

Rotor Kanatçıklarını Diske Bağlama Yöntemleri

Kompresör Kanatçıklarının Geometrisi

Labirent Contanın Çalışma Prensibi

Türbin tasarımı kompresör tasarımından şu açılardan farklılık gösterir, i. Genelde motorlarda türbin girişindeki statörde akım boğulması vardır. ii. Akışın yoğunluğu büyük değişime uğrar dolayısıyla Mach sayısı ve sıkıştırılabilirlik etkileri hesaba mutlaka dahil edilmelidir. iii. Türbin güç üretir, güç emmez. iv. Yüksek giriş sıcaklıkları ısı transferi ve soğutma gibi hesapları zorunlu kılar. v. Kompresörlerdeki düfüzyon faktörü örneğinde olduğu gibi türbinlerde genel geçer tasarım kuralları yahut sıklıkla kullanılan kanat profilleri yoktur.

Varsayımlar: 1. M 2 ve M 3 R verilmiştir. 2. Akış iki boyutludur. 3. Eksenel hız sabittir. 4. Ortalama yarıçap sabittir. 5. Rotor ve statördeki akış adyabatiktir. 6. Gaz kalorifik olarak mükemmeldir. Vakum hızı Not: Türbin tasarımında eksenel hız sabit olduğu ve statik sıcaklıklar sürekli düştüğü için kompresörlerde olduğu gibi tekrar eden kademeler sonuçta ses üstü hızlara yol açar (ki bu da tasarım kısıtlarının haricinde bir durumdur), dolayısıyla her bir türbin kademesi ayrı tasarlanmalıdır.

Analiz i. 2 numaralı istasyonda toplam hız ii. Kademedeki eksenel hız iii. 2 numaralı istasyondaki radyal hız iv. 2 numaralı istasyonda rotora göre bağıl radyal hız

v. 2 numaralı istasyonda rotora göre akış açısı vi. Rotora göre bağıl toplam sıcaklık vii. 3 numaralı istasyonda rotora göre akış açısı viii. Rotor akış dönme açısı = ix. 2 numaralı istasyondaki radyal hız

x. Kademe çıkışındaki akım açısı xi. 3 numaralı istasyondaki statik sıcaklık xii. Kademe sıcaklık oranı xiii. Rotordaki reaksiyon oranı xiii. Eksenel kanat uzunluğu cx’e bağlı rotor katılığı

Genel Tasarım İlkeleri ØTasarımda iki tip kademe göz önüne alınır. Bunlar, a. Statörde akım boğulması olan (choked) kademe b. Statörde akım boğulması olmayan kademe Birincisi yani statörde akım boğulması olan ilk türbin kademesinin tasarımı için uygun bir yaklaşımdır. İkincisi diğer kademelerin tasarımında kullanılır. Ø M 3 R için artan değerler kademe performansını arttırır, fakat rotorda akım boğulmasını engellemek için bir miktar güvenlik payı bırakılması yerindedir. Pratikte 0. 9 civarındaki değerler uygundur. Ø Açık literatür genelde performansının en iyi olduğunu belirtir. aralığında kademe Ø Yine açık literatürdeki bulgular için artan değerlerin daha iyi kademe performansı sağladığını gösterir. Üst limit ise aralığındadır.

Kademedeki Toplam Sıcaklık Oranı

Rotorda Akım Dönme Açısı

Rotorda Reaksiyon Oranı

Kademe Çıkış Açısı

Z=1 İçin Rotor Katılığı

Kademe Eksenel Hızı

Türbin Kanatçığı Üzerindeki Basınç Dağılımı

Önemli Noktalar ØParametrik çevrim analizi neticesinde istenilen türbin sıcaklık oranı elde edilmişti. Bu aşamada türbin tasarımcısının hedefi akıştan istenilen gücü minimum sayıda kademe kullanarak gerçekleştirmektir. Bu aslında bir kademe için mümkün olan minimum basınç oranını bulmakla eşdeğerdir. ØBiraz önce gösterilen grafikler 0. 85’ten küçük oranların da erişilebilir olduğunu doğrulamaktadır. Eğer için daha yüksek değerler gerekliyse, bu azaltılarak yahut arttırılarak sağlanabilir. Ne var ki 0. 88 üzerindeki değerleri için Mach sayısı hakkında yapılan ön kabullerde gevşetme yapılmadan bu oranları yakalamak mümkün değildir. ØBu sebeple tasarımcılar çoğu kez yüksek ve düşük basınç türbinleri arasındaki yük paylaşım oranını değiştirip ikisinin de mümkün olan en iyi şekilde çalışmalarını sağlarlar ve düşük ve yüksek basınç türbinlerindeki toplam kademe sayısını minimize etme yolunu seçerler. ØKademe çıkışındaki açı daha sonra takip eden bir kademe olsun yahut olmasın küçük tutulmalıdır. Genel kabul açının değerinin 40 derecenin altında olmasıdır.

ØZweifel katsayısı Z türbin tasarımcısının kanat profili üzerindeki basınç dağılımını ideal basınç dağılımına (kanadın içbükey tarafındaki statik basıncın durma noktası basıncına eşit olduğu, dışbükey tarafında ise çıkıştaki statik basınca eşit olduğu) ne kadar yaklaştırabildiğinin bir ölçüsüdür. Bu kanat profili etrafında dikdörtgen biçimli basınç dağılımı idealdir, çünkü hiç ters yönde basınç gradyenti içermez, dolayısıyla sınır tabakada akım ayrılması gerçekleşmez. Bu dağılım için Z=1 değerini alır. Günümüzde bu değere yakın kanat profilleri tasarlamak mümkündür. ØZ=1 değeri için minimum rotor katılığı yaklaşık bir civarındadır ve artan değeri İle birlikte hem akım boğulması olan hem de olmayan türbin kademeleri için hızla azalır. ØKademedeki boyutsuz eksenel hız kademede gerekli kesit alanının ölçüsüdür. Gereken alana bağlı olarak ise rotor kanatçıklarının yükseklikleri ve yine buna bağlı olarak dayanmaları gereken santrifüj yükler belli olur. Tasarımcı eksenel hızı arttırmak için 70 dereceden küçük değerleri seçmeli ve neticede daha kısa kanatlar ve dolayısıyla daha hafif bir tasarım elde etmiş olur.

Carter Kuralı *** Türbinde sınır tabaka kalınlığı kompresöre göre daha azdır. Zweifel katsayısı

ile, Nickel Super Alloys Titanium Aluminide s Single Crystal Ceramic Nickel Matrix Aluminides Composites Rhenium Alloys Tungsten Alloys

Kanatçık Soğutma Düzeneği (GE CF 6)

Rotor Kanatçıklarına Soğutma Havasının Dağıtılması (GE CF 6, Yüksek Basınçlı Türbin Rotoru)

Amaçlar ØYüksek soğutma etkenliği ØJet ve ana akış arasındaki etkileşime bağlı ısı transferinde düşük artış ØSoğutma sıvısının ana akıma karışmasını engellemek ØSoğutma sıvısı debisini minimize etmek (bunu yaparken kanatçıkları ısıya bağlı zarardan korumak ve bakım aralığını kısaltmamak) Taşınım katsayısı sınır tabaka durumuna doğrudan bağlı olduğu için film soğutma etkenliği için doğrudan analitik ifadeler bulmak mümkün değildir. Deney ve çok detaylı CFD analizi (LES v. b. ) gerektirir. Ar-Ge maliyetinin önemli bir kısmı bu konu üzerinde yoğunlaşmıştır!!! Film Soğutma Sorunlar ØJetin yüzeyden ayrılması. Jetin etkin bir soğutma için yüzeyi kaplaması istenir. ØKuvvetli karışmaya bağlı artan taşınım katsayısı. ØJet enjeksiyonundan ötürü doğan aero-dinamik kayıplar

Yüksek Performanslı Bir Türbinin Montaj Resmi

Bir Türbin Rotorunun Montajı (GE J 79)

Düşük Basınçlı Bir Türbinin Statörü ve Gövdesi (GE CF 6)