Date of Award

4-2021

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy (PhD)

Department

Mechanical Engineering

First Advisor

Emad Elnajjar

Second Advisor

Mohammad O. Hamdan

Third Advisor

Salah Al Omari

Fourth Advisor

Bobby Mathew

Abstract

Gas turbine engines play a vital role in our life. Our power demand is significantly and continuously growing. One approach to improve thermal efficiency in gas turbine engines requires a higher turbine inlet gas temperature. Advanced gas turbine engines operate at high temperatures, around 2000 K. Since operating at high temperatures may compromise the blade structure integrity, different cooling systems are used in a turbine blades. One of the most efficient cooling techniques is impingement cooling, mostly used in the leading edge. The leading edge experiences the highest temperature in the blade exposed to the hottest gas.

Researchers studied different factors over the years to identify and optimize jet impingement on the leading edge of the blade. Nevertheless, publications on jets impingement under rotation are limited in the public literature. Hence, the objective of this study is to evaluate blade cooling via jet impingement on a rotating semi-circular internal channel. The study is initially carried out numerically and experimentally for validation purpose. After validation, a parametric numerical model is developed to understand the effect of internal jets impingement on a rotating leading edge. By comparing the experimental results and the numerical results, all features of the temperature distribution over the target surface are precisely captured. A good agreement between the numerical analysis and the experimental measurements has been established.

The parametric numerical model is used to test higher jet Reynolds numbers, varying between 7,500 to 30,000, and a higher rotating speed, ranging from 0 to 750 rpm. The results show that jets impingement with high Reynolds numbers is an efficient method of cooling a rotating leading edge. The jets impingement cooling performance is strongly influenced by the individual jet location, the crossflow from other jets, and the blade rotation speed. The effect of rotation is diminished at high jet Reynolds numbers. The cooling performance improves as jet Reynolds number increases and as rotating speed decreases.

Arabic Abstract

تلعب المحركات التوربينية الغازية دورًا حيويًا في حياتنا، ويزداد الطلب على الطاقة لدينا بشكل كبير ومستمر، مما أدى إلى تحسين الكفاءة الحرارية لمحركات التوربينات الغازية. والتحسين في الكفاءة الحرارية في محركات التوربينات الغازية يتطلب ذلك ارتفاعًا في درجات حرارة الغازات الداخلة للتوربينات، وبما أن العامل الأساسي في تحديد درجات حرارة الغازات الداخلة للتوربينات هو المواد المصنوع منها ريش التوربينات الغازية، لذلك يتم استخدام طرق تبريد حراري مبتكرة لحماية شفرات التوربين من الارتفاع في درجة حرارة الغاز الداخل لها.

تعمل المحركات التوربينية الغازية المتقدمة في درجات حرارة عالية (حوالي 2000 كلفن)، ونظرًا لأن التشغيل في درجات حرارة عالية قد يضر بسلامة البنية للشفرات، يتم استخدام أنظمة تبريد مختلفة في توربينات الغاز لتقليل درجة حرارة الشفرة وإطالة عمرها، ومن أكثر تقنيات التبريد فعالية وقوة هو التبريد بالاصطدام، والذي يستخدم في الغالب لتبريد الحافة الأمامية للريش.

تتعرض الحافة الأمامية للشفرة لأعلى درجة حرارة نظرًا لأنها معرضة لأشد الغازات الساخنة القادمة من غرفة الاحتراق، وتعتبر الحافة الأمامية للشفرة الدوارة مناسبة تمامًا للتبريد بالاصطدام بسبب المنطقة المحلية السميكة نسبيًا.

درس الباحثون عوامل مختلفة على مر السنين لتحديد وتحسين اصطدام النفاثات بالحافة الأمامية للشفرة، ومع ذلك فإن الأبحاث عن طريقة التبريد بواسطة اصطدام النفاثات تحت التبريد داخل قناة داخلية نصف دائرية محدودة. ومن ثم، فإن الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تبريد الشفرة عبر اصطدام النفاثات داخل قناة داخلية نصف دائرية دوارة.

تمت هذه الدراسة على عدة مراحل؛ في البداية أُجريت دراسة تجريبية، وبعد ذلك تم التحقق من النتائج، ثم تطوير نموذج عددي لفهم تأثير التدفق الدوامي الناتج عن دوران الشفرة على انتقال الحرارة باستخدام اصطدام النفاثات لتبريد الحافة الأمامية مع نطاق عالٍ من أرقام رينولدز وأرقام الدوران.

تم إجراء دراسات التحقق التجريبية والرقمية لتبريد القناة الداخلية، وذلك باستخدام سبع نفاثات تصطدم داخل قناة داخلية نصف دائرية دوارة.

أُجريت الدراسات التجريبية لأرقام رينولدز عدد 7500 وخمس سرعات دوران تتراوح من 0 إلى 200 دورة في الدقيقة. كما تم إجراء التحليل العددي باستخدام نموذج (SST k-ω) مع شبكة دقيقة للمجسم المدروس. ومن خلال مقارنة النتائج التجريبية والعددية، تم التقاط جميع ميزات توزيع درجة الحرارة على السطح المستهدف بدقة، ووجد تقارب جيد بالنتائج.

اُستخدم النموذج العددي النهائي لاختبار أرقام رينولدز والتي تتراوح بين 7500 إلى 30000، وسرعات دوران أعلى تتراوح من 0 إلى 750 دورة في الدقيقة. أظهرت النتائج أن اصطدام النفاثات عند أرقام رينولدز العالية هي طريقة فعالة لتبريد الحواف الأمامية الدوارة، ويتأثر الأداء بزاوية اصطدام النفاثات بالنسبة للسرعة الزاوية وقوة النفاثات الأخرى.

كما لوحظ أن تأثير الدوران يضعف عند أرقام رينولدز العالية، ويتحسن أداء التبريد مع زيادة رقم رينولدز وانخفاض سرعة الدوران.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: محرك التوربينات الغازية، نقل الحرارة، الكفاءة الحرارية، درجة حرارة مدخل التوربينات، تبريد بالاصطدام، تبريد شفرات التوربينات.

Download

Share

COinS