Date of Award

11-2023

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

This thesis presents a comprehensive investigation into the application of jet impingement cooling on turbines blade leading edge. Gas turbines are extensively utilized in power generation and aerospace industries, where efficient cooling techniques are crucial to enhance the performance and lifespan of turbine blades. The leading edge of a turbine blade is particularly vulnerable to high-temperature exposure and thermal stresses, making it an essential area for effective cooling strategies. Jet impingement cooling is one of the most effective cooling techniques mostly used in the leading edge of rotating and stationary blades. This study aims to explore the performance of jet impingement cooling by examining how various parameters affect its efficiency. The effects of Reynolds numbers and Rotation number on the overall heat transfer performance are studied. The experimental study is performed on central and side jets targeting a cylindrical surface. Reynolds number ranges from 5000 to 11000, and rotating speed is between 0 and 200 rotation per minute (rpm). Two jet designs (chevron/normal) are considered. A high-speed camera with liquid crystal sheets are used for temperature mapping and analysis. Results show that side jets cases have a higher average Nusselt number compared to central jets. side non-chevron configuration provided the best overall heat transfer performance. Chevron jets produced a higher Average Nusselt number for central jets. However, for side jets non-chevron design produced better results. For central jets, Increasing the rpm slightly has increased the average Nusselt number. For side jets, Increasing the rpm significantly has increased the average Nusselt number. At low rpm, the average Nusselt number has dramatically increased by increasing Reynolds numbers. For high rpm, the average Nusselt number has a slight increase for central jets configuration. Yet, for side jet configurations the average Nusselt number decreases slightly by increasing Reynolds number. At low rpm, all configurations produced similar Average Nusselt number for the same Reynolds number. Experimental results help us understand the effects of different parameters and configurations on jet impingement cooling. The aim is to optimize the heat removal process to obtain the best thermal efficiency of the gas turbine. Results are used to understand how combining chevron designed jets with side and central configurations affect the overall heat transfer performance and the overall average Nusselt number.

Arabic Abstract


تأثير تبريد حافة التوربين الغازي باستخدام رش المحموم المركزي والجانبي بتصميم الشكل الهندسي "شيفرون"

تقدم هذه الرسالة العلمية تحقيقا شاملاً في تطبيق تبريد الرش المحموم على حافة شفرات التوربينات. تستخدم التوربينات الغازية على نطاق واسع في صناعات توليد الطاقة والطيران، حيث تعد تقنيات التبريد الفعالة أمرًا حاسمًا لتعزيز أداء وعمر حياة شفرات التوربين. تعتبر حافة الشفرة الأمامية للتوربينات معرضة بشكل خاص لدرجات حرارة عالية وإجهادات حرارية، مما يجعلها منطقة أساسية لاستراتيجيات التبريد الفعالة. تعد تقنية تبريد الرش المحموم واحدة من أكثر التقنيات الفعالة في تبريد حواف السطوح الهوائية الدوارة. تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف أداء تبريد الرش المحموم من خلال دراسة تأثير مختلف المعلمات على كفاءته. يتم دراسة تأثيرات أعداد رينولدز وعدد الدوران على أداء نقل الحرارة الشامل. يتم تجربة تأثير تكوين الرش وتصميم الرش على أداء نقل الحرارة. يتم إجراء الدراسة التجريبية على الرش المركزي والرش الجانبي المستهدفين سطحًا أسطوانيًا. تتراوح أعداد رينولدز بين 5000 و11000، وسرعة الدوران تتراوح بين 0 و200 لفة في الدقيقة. يتم اعتبار تصميمي رش (الشكل الهندسي "شيفرون" والشكل الهندسي "عادي"). يتم استخدام كاميرا فائقة السرعة مع ورقات الكريستال السائل لرسم وتحليل درجات الحرارة. تظهر النتائج أن المرشات الجانبية لديها متوسط عدد نسلت أعلى مقارنة بالمرشات المركزية. قدم التكوين الجانبي من غير الشيفرون أفضل أداء لنقل الحرارة بشكل عام. أنتجت مرشات شيفرون رقماً متوسطاً أعلى من نسلت للمرشات المركزية. ومع ذلك، بالنسبة للمرشات الجانبية، فقد أدى تصميم غير شيفرون إلى نتائج أفضل. بالنسبة للمرشات المركزية، تؤدي زيادة عدد الدورات في الدقيقة إلى زيادة طفيفة في متوسط عدد نسلت. بالنسبة للمرشات الجانبية، تؤدي زيادة عدد الدورات في الدقيقة إلى زيادة متوسط عدد نسلت بشكل ملحوظ. عند انخفاض عدد الدورات في الدقيقة، يزداد متوسط عدد نسلت بشكل كبير عن طريق زيادة أعداد رينولدز. بالنسبة لعدد الدورات في الدقيقة المرتفعة، يزيد متوسط عدد نسلت بشكل طفيف لتكوين النفاثات المركزية. ومع ذلك، بالنسبة لتكوينات المرشات الجانبية، ينخفض متوسط عدد نسلت بشكل طفيف بزيادة عدد رينولدز. عند سرعة دوران منخفضة في الدقيقة، أنتجت جميع التكوينات أرقام متوسط نسلت متشابهة لنفس رقم رينولدز. تساعدنا النتائج التجريبية على فهم تأثيرات المعلمات والتكوينات المختلفة على تبريد المرشات. الهدف هو تحسين عملية إزالة الحرارة للحصول على أفضل كفاءة للطاقة لتوربينات الغاز. تُستخدم النتائج لفهم كيف يؤثر الجمع بين المرشات المصممة على شكل شيفرون والتكوين الجانبي والمركزي على الأداء الكلي لنقل الحرارة والمتوسط الإجمالي لعدد نسلت.

Download
COinS