Bal peteği sızdırmazlık elemanında eğimli labirent keçe dişlerinin kaçak debiye etkisinin sayısal incelenmesi

Güç santralleri, uçak motorları gibi güç üretim sistemlerinde kullanılan turbomakineler istenilen yüksek basınç ve yüksek sıcaklık ihtiyacını karşılayabilmesi için sürekli gelişim göstermektedir. Malzeme dayanım sınırları gibi faktörlerden dolayı turbomakine verimini artırmak için sistem içerisinde meydana gelen kayıpları azaltma yoluna gidilmektedir. Yüksek çalışma koşulları, sistemin türbin ve kompresör gibi elemanlarında kaçak akışın az olması istenilen bölgelerinde daha fazla sızdırmazlık problemlerini meydana getirmektedir. Bu çalışmada gaz türbinlerinde yaygın olarak kullanılan labirent ve bal peteği sızdırmazlık modelleri üzerinde durulmuştur. Çalışma kapsamında 4 farklı kombine model ele alınmıştır. 1)Düz Stator – Düz Diş (90 derece) 2)Düz Stator – Eğimli Diş 3)Bal Petekli Bölge – Düz Diş 4)Bal Petekli Bölge – Eğimli Diş Detaylı olarak incelenecek olan 4. model için bu akış problemi; geometrik faktörlerin ve çalışma koşullarının etkisi şeklinde iki durumda ele alınmıştır. Araştırılan parametreler literatürde ve endüstri uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Labirent diş geometri parametreleri olarak rotor diş üstü ve stator yüzeyi arasında kalan diş açıklık mesafesi değerleri Cr={0.127-0.254-0.508-├ 1.016 mm}┤, diş eğim açısı θ ={90°-70°-├ 50° }┤ ve bal peteği geometri parametresi HCs={0.793-1.590-3.175├ mm}┤ için HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma koşullarının incelenmesi açısından basınç oranları Pr={1.5-2.0-2.5-┤ ├ 3.0} ve rotor yüzeyinde çizgisel hızları Vr={100-200-┤ ├ 400 m/s} için akış üzerine etkilerini belirlemek amacıyla HAD analizleri gerçekleştirilmiştir. Düz stator (bal peteği olmayan) durumlar için 2-boyutlu eksene simetrik bir geometri üzerinden analizlerin yapılması mümkün olurken bal peteği kullanımı halinde 3 boyutlu bir analizi mecburi kılmaktadır. Ancak yüksek mesh yoğunluğu sebebiyle 3- boyutlu tam akış hacmi yerine, 3-boyutlu periyodik bir akış hacmi üzerinden çözümleme için ticari bir yazılım paket programı olan ANSYS-Fluent ile analizler gerçekleştirilmiştir. Yaygın olarak bilinen düz stator – düz diş labirent conta modeline göre kombine sızdırmazlık elemanının performansları karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler sonucunda; düz stator durumunda 0.254 mm diş açıklık için 70 derecelik eğim için kaçak akışı ̴ % 5.5 azaltırken bal peteği kullanımı halinde 70 derece diş eğim açısı kaçak akışta ̴ % 8.1 azalma görülmüştür. Aynı durum 0.508 mm diş açıklığı ve 50 derece diş eğim açısı için kıyaslandığında bu oran ̴%8.6' dan ̴%20.1' e artmıştır. Çalışma özetlenmek istenirse kaçak akışı önleme açısından yeni tasarımın olumlu etkileri gözlenmiştir. Ancak her diş açıklık mesafesi (Cr) için uygun bal peteği boyutunun seçilmesi ve uygun eğim açısının tercih edilmesi gerektiği bu tezin önemini ortaya koymaktadır. Türbin yataklarında ve kompresör çıkışlarında en fazla kayıpların labirent sızdırmazlık elemanlarında meydana gelmesi göz önüne alınacak olunursa motor gücü ve yakıt sarfiyatı açısından labirent keçelerdeki bu tür iyileştirmelerin sürekli devam edeceği gözükmektedir.