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

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 التوربينة الغازية دورا حيوياً في حياتنا. ويتزايد الطلب على الطاقة لدينا بشكل كبير ومستمر، مما أدى إلى تحسين الكفاءة الحرارية لمحركات التوربينات الغازية. ولتحسين الكفاءة الحرارية في محركات التوربينات الغازية يتطلب ذلك ارتفاع في درجات حرارة الغازات الداخلة للتوربينات. وبما أن العامل الأساسي في تحديد درجات حرارة الغازات الداخلة للتوربينات هو القيود الموجودة على المواد المصنوع منها ريش التوربينات الغازية؛ لذلك يتم استخدام طرق تبريد حرارية مبتكرة لحماية شفرة التوربين من ارتفاع درجة حرارة الغاز الداخل لها.

تعمل المحركات التوربينة الغازية المتقدمة في درجات حرارة عالية، حوالي (2000 كلفن)، ونظراً لأن التشغيل في درجات حرارة عالية قد يضر بسلامة بنية الشفرة، يتم استخدام أنظمة تبريد مختلفة في شفرات التوربينات لتقليل درجة حرارة الشفرة وإطالة عمرها. ومن أكثر تقنيات التبريد فاعلية وقوة هو التبريد بالاصطدام، والذي يستخدم في الغالب في الحافة الأمامية للجنيحات الدوارة. تتعرض الحافة الأمامية للشفرة لأعلى درجة حرارة نظرا لأنها معرضة لأشد الغازات الساخنة القادمة من غرفة الاحتراق. وتعتبر الحافة الأمامية للشفرة الدوارة مناسبة تماما للتبريد بالاصطدام بسبب المنطقة المحلية السميكة نسبياً للشفرة.

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 التناوب محدودة. ومن ثم، فإن الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تبريد الشفرة عبر اصطدام النفاثات على قناة داخلية نصف دائرية دوارة. تمت هذه الدراسة على عدة مراحل، في البداية أجريت هذه الدراسة تجريبيا وعدديا لغرض التحقق من صحة النتائج. بعد ذلك تم تطوير نموذج عددي لفهم تأثير سلسلة من العوامل المؤثرة على اصطدام النفاثات الداخلية لتبريد الحافة الأمامية الدوارة مع نطاق أعلى من أرقام رينولدز وأرقام الدوران. ثم تم إجراء دراسات التحقق التجريبية والرقمية لتبريد القناة الداخلية وذلك عن طريق استخدام سبع نفاثات تصطدم داخل قناة داخلية نصف دائرية دوارة.

Download

Share

COinS