Date of Award

9-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Mechanical Engineering (MSME)

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Emad Elnajjar

Second Advisor

Mohammad O. Hamdan.

Third Advisor

Salahaddin Al Omari

Abstract

The demand for improvement in the performance of gas turbines has led to the consideration of flows at increasingly high temperatures, but this introduces challenges in terms of maintaining their structural integrity and preventing overheating. To respond to these challenges, gas turbine manufacturers have turned to internal cooling, and jet impingement provides an effective solution for cooling the leading edge of the blades of gas turbines. In this study, the author numerically simulated the cooling performance of the leading edge of the blades of a gas turbine under constant heat flux by using five configurations of jet impingement: a steady jet, a sweeping jet, a swirling jet, a Chevroned Steady jet, and a Chevroned Sweeping jet. Fluidic oscillators are known for their sweeping behavior and expansive coverage of the cooling surface while swirling jet owing to spiral geometry add tangential velocity component to the fluid which combines with the axial velocity component that generates enhanced momentum transfer area. On other hand by chevron attachment at exit of the nozzle are known to excite the jet downstream by forming coherent vortical structures that increase turbulence and, thus, promote the rates of mixing and heat transfer. These potential jets are compared at stationary and rotatory conditions (3000, 10000, 15000 rpm’s) and results showed that at the stationary condition Chevroned Sweeping jet outperformed the steady jet configurations owing to oscillating jet impingement and a higher intensity of turbulence that increased the entrainment of jet flow. Under the configuration involving a Chevroned Sweeping jet, the target surface recorded an average Nusselt number that was 19.23% higher than that with a steady jet without chevrons, along with more uniform distributions of the temperature and the Nusselt number due to oscillations of the sweeping jet and higher turbulence at the exit of the nozzle with chevrons. While for rotation case sweeping jet performed the best as chevroned nozzles due to higher disturbance generated high recirculation regions leading to hotspots formation while swirling jet performed worse of all as swirling strength was negatively impacted due to rotatory motion. It can be concluded that the addition of chevrons and swirling angle improved heat transfer rate for sweeping and steady jet. However, upon rotation sweeping jet predominantly captures the best performance amongst all the jets.

Arabic Abstract

أدى الطلب على تحسين أداء التوربينات الغازية إلى النظر في التدفقات عند درجات حرارة عالية بشكل متزايد، ولكن هذا يطرح تحديات من حيث الحفاظ على سلامتها الهيكلية ومنع ارتفاع درجة الحرارة. للاستجابة لهذه التحديات، تحول مصنعو توربينات الغاز إلى التبريد الداخلي، ويوفر الاصطدام النفاث حلاً فعالاً لتبريد الحافة الأمامية لشفرات التوربينات الغازية. في هذه الدراسة، قام المؤلف بمحاكاة أداء التبريد للحافة الأمامية لشفرات التوربينات الغازية في ظل تدفق حراري ثابت باستخدام خمسة تكوينات من الاصطدام النفاث: نفاثة ثابتة، ونفاثة كاسحة، ونفاثة دوامة، ونفاثة ثابتة ذات رؤوس مدببة، ونفاثة كاسحة ذات أداء عالي. تشتهر مذبذبات السوائل بسلوكها الكاسح والتغطية الواسعة لسطح التبريد أثناء الدوران النفاث بسبب الهندسة الحلزونية التي تضيف مكون سرعة عرضية للسائل الذي يتحد مع مكون السرعة المحورية الذي يولد منطقة نقل زخم محسّنة. من ناحية أخرى، من خلال ربط رؤوس مدببة عند الخروج من الفوهة، من المعروف أنه يثير النفاث في اتجاه مجرى التيار من خلال تشكيل هياكل دوامة متماسكة تزيد من الاضطراب، وبالتالي تعزز معدلات الاختلاط ونقل الحرارة. تمت مقارنة هذه النفاثات المحتملة في ظروف ثابتة ودورانية (3000 ، 10000 ، 15000 دورة في الدقيقة) وأظهرت النتائج أنه في الحالة الثابتة، تفوقت نفاثة الكنس ذات الرؤوس المدببة على التكوينات النفاثة الثابتة بسبب الإصطدام النفاث المتذبذب وارتفاع شدة الاضطراب الذي أدى إلى زيادة استيعاب التدفق النفاث. في ظل التكوين الذي يتضمن نفاثة كنس ذات رؤوس مدببة، سجل السطح المستهدف متوسط رقم نسلت أعلى بنسبة 19.23% من ذلك مع نفاثة ثابتة بدون رؤوس مدببة، إلى جانب توزيعات أكثر انتظامًا لدرجة الحرارة ورقم نسلت بسبب اهتزازات النفاثة الكاسحة. واضطراب أعلى عند خروج الفوهة برؤوس مدببة. بينما كان أداء كنس النفاثة النفاث الأفضل بالنسبة لحالة الدوران هو الأفضل حيث أدت الفوهات المزودة بشيفرات بسبب الاضطراب العالي إلى إنشاء مناطق إعادة تدوير عالية تؤدي إلى تكوين النقاط الساخنة بينما كان أداء الدوامات النفاثة أسوأ من كل ذلك حيث تأثرت قوة الدوران سلباً بسبب الحركة الدورانية. يمكن الاستنتاج أن إضافة رؤوس مدببة وزاوية الدوران أدت إلى تحسين معدل نقل الحرارة للنفاث الكاسح والثابت. ومع ذلك، عند الدوران، تلتقط نفاثة تجتاح في الغالب أفضل أداء بين جميع الطائرات.

Download
COinS