Eksenel bir türbinde adjoint yöntemi ile rotor-stator kanatlarının optimizasyonu

Gaz türbinli motorlarda, yanma odasından çıkan yüksek enerjili gazın enerjisini mekanik enerjiye çevrilmesi ve bu hareket ile oluşan gücün kompresör miline aktarılması için eksenel türbinler kullanılmaktadır. Türbinler, sabit türbin kanatları (stator) ile hareketli türbin kanatlarına (rotor) yanma odasından çıkan gazın yönlendirilmesi sonucunda meydana gelen bağıl hareketi kullanmaktadır. Bu nedenle sabit ve hareketli kanat profilleri türbinlerin verimini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada literatürde yer alan 1.5 kademe eksenel Aachen Türbini referans alınmış ve iki boyutlu rotor-stator kanatlarının optimizasyonu yapılması amaçlanmıştır. Sayısal çalışmalar çok amaçlı Ansys Fluent 2019R2 akış çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada referans geometri kullanılarak iki boyutlu akış alanı oluşturulmuş, akış alanı için uygun ağ yapısı ve akış problemi tanımlanmıştır. Sınır koşulları tanımlanan ve iki boyutlu akış alanı oluşturulan sayısal model üzerinde akış analizleri yapılmıştır. Sayısal çalışmalarda ideal gaz kabulü, sıkıştırılabilir akış, daimi akış koşulları ve k-ω SST türbülans modeli kullanılmıştır. Kanat optimizasyonu için sayısal çalışma sonucunda elde edilen veriler deneysel veriler ile karşılaştırılarak doğrulama çalışması yapılmıştır. Optimizasyon çalışmalarında birinci adımda stator kanadı için eniyileme çalışmaları yapılmıştır. Stator kanadı profili üzerinde farklı iyileştirme oranlarına göre optimizasyon çalışmaları yapılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Optimizasyonun ikinci adımında rotor kanadı için eniyileme çalışmaları yapılmıştır. Rotor profili için farklı iyileştirme oranlarına göre yapılan optimizasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, basınç farkı ve entropi üretimi dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme sonucunda stator profili için profil iyileştirmesi %7 ve rotor profili için profil iyileştirmesi %4 olarak sınırlandırılmıştır. Elde edilen yeni profiller kullanılarak sayısal analizler tekrarlanmıştır ve kademe veriminin artığı görülmüştür.