Çarpmalı jet ve rib kullanımının kanal yüzeyindeki soğutma performansına etkilerinin araştırılması

Jet çarpmalı soğutma (JIC), genellikle gaz türbin kanatlarının ön kenarı gibi yüksek sıcaklıklara maruz kalan yüzeylerin soğutulması için kullanılan bir tekniktir. Bu yöntemde, yüksek hızda bir akışkan jeti hedef yüzeye yönlendirilir, bu da yüzeydeki ısı transferini artırarak malzemenin aşırı ısınmasını önlemeye yardımcı olur. Jet çarpmalı soğutma enerji üretiminde ve havacılıkta sıkça kullanılan bir soğutma yöntemidir. Gaz türbin teknolojisindeki gelişmelerle birlikte, gaz türbin kanatları daha yüksek sıcaklıklara maruz kalmaktadır. Bu durum, hedef yüzeyin sürekli olarak artan maksimum çalışma sıcaklığına maruz kalması anlamına gelir. Hedef yüzeyin homojen bir şekilde soğutulmaması durumunda, yüksek yerel yüzey sıcaklıkları performansı düşürebilir ve kanat malzemesinin kullanım ömrünü azaltabilir. Gaz türbin kanatçıklarının dâhili soğutma kanallarında hedef yüzey üzerindeki ısı transferini artırmak ve ısı transfer dağılımını üniform hale getirmek amacıyla yüzey üzerinde pin ve rib gibi kanatçıklı yapılar tercih edilmektedir. Bu çalışmada düz hedef yüzeye sahip uzatılmış jet çarpmalı model kullanılmıştır. Düz hedef yüzey, öncelikle eliptik ve slot biçimli pinler ile pürüzlendirilmiş ve pinlerin ısı transfer performansına etkileri sayısal olarak incelenmiştir. Dikdörtgen bir kanal akışında değişken nozul uzunlukları, farklı pin düzenlemeleri ve Reynolds sayıları (Re) için çeşitli pin yüksekliklerinin konvektif ısı transferi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Pinler kademeli ve dairesel bir düzende hedef yüzeye yerleştirilmiştir. Elde edilen sayısal sonuçlar ve sayısal çözüm prosedürü literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulanmıştır. Sınır koşulları dikkate alınarak SST k-ω türbülans modeli ile analizler gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan sayısal model, pürüzsüz ve pin-pürüzlü hedef yüzeyler için ısı transferini ve basınç düşümünü makul bir şekilde tahmin etmiştir. Deneysel verilerle doğrulanmış model kullanılarak ilgili yüzeydeki ortalama Nusselt sayıları (Nu) ve basınç düşümleri, farklı boyutsuz pin yükseklikleri (Hp/d = 0, 167, 0,417, 0,667), çeşitli pin düzenlemeleri (R1, R2, R3), boyutsuz nozul uzunlukları (G/d = 1,0, 2,0, 6,0) ve Re sayıları (16250, 27100, 32500) için sayısal olarak belirlenmiştir. Sayısal sonuçlar, orifis plakalı diğer bir deyişle geleneksel çarpan jet modeli (G/d = 6,0 ve Hp/d = 0) ile de karşılaştırılmıştır. Eliptik pinli düz hedef yüzey için elde edilen sonuçlar geleneksel çarpan jet modeliyle karşılaştırıldığında, Re = 16250'de R2_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 için ortalama Nu sayısının %35,82'ye kadar arttığı görülmüştür. Sistemin akış özellikleri ve termal performans kriteri (TPC) dikkate alındığında tüm Re sayıları için optimum parametreler R3_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 olarak belirlenmiştir. Ayrıca eliptik pin sıra sayısının arttırılması, yerel ısı taşınım katsayısı dağılımının homojenliğini de artırmıştır. Buna ilave olarak slot pin geometrisi kullanıldığında maksimum ısı transfer artışı R1_G/d = 1,0 ve Hp/d = 0,167 parametrelerinde %33,2 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca deneysel olarak jet akışı ile çapraz akış arasındaki etkileşimi azaltmak ve jet akışının potansiyel çekirdek bölgesinde hedef yüzeye çarpması için jetler nozullar ile hedef yüzeye doğru uzatılmıştır. Son olarak, kanal içindeki konvektif ısı transferini ve türbülans yoğunluğunu artırmak için jetlerin hemen hizasında olacak şekilde hedef yüzey konik pinler ile pürüzlendirilmiştir. Boyutsuz nozul yüksekliklerinin G/d (1, 2, 3 ve 6), boyutsuz konik pin yüksekliklerinin Hc/d (0,67, 1,00 ve 1,33) ısı transferi ve akış karakteristikleri üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Deneysel verilerin elde edilmesi aşamasında Sakarya Üniversitesi Makine Mühendisliği TLC Laboratuvarı kullanılmıştır. Belirlenen modeller üzerindeki ısı taşınım katsayısını belirlemek için sıvı kristal termografisi yöntemi tercih edilmiştir. Optimum nozul uzunluğu ve konik pin geometrisi belirlenerek en iyi termal performansa sahip model parametreleri belirlenmiştir. Aynı zamanda, önerilen model ile ihmal edilebilir bir basınç kaybı artışı ile birlikte hedef yüzey üzerindeki ortalama ısı taşınım katsayısında yaklaşık olarak minimum %5'lik bir artış elde edilmiştir. Yukarıda bahsedilen çalışmalar daha ziyade düz hedef yüzeyler üzerine gerçekleştirilmiştir. Gaz türbin kanatlarının iç yüzeyleri genellikle konkav bir geometriye sahiptir. Söz konusu pin konfigürasyonları, özellikle içbükey yüzeylerde, ısı transferini artırmak ve sıcaklık dağılımını daha homojen hale getirmek amacıyla da kullanılabilir. Bu sayede soğutucu akışkanın yüzeyle etkileşimini artırarak daha etkili bir soğutma sağlanabilir. Sonuç olarak düz hedef yüzeylerde olduğu gibi, içbükey yüzeylerdeki pin konfigürasyonları jet çarpmalı soğutma sistemlerinin genel ısı transfer performansını artırmaya yönelik bir strateji olarak benimsenebilir. Bu kapsamda, çarpmalı jet dizisine sahip yarım daire şeklindeki bir kanal akışında içbükey yüzey eliptik ve aerofoil pinlerle pürüzlendirilmiştir. Bu çalışmaların temel amacı, uzatılmış jet deliği ile eliptik ve aerofoil pin kombinasyonlarının ısı transfer performansı ve akış özelliklerini belirlemek ve bir türbin kanadının soğutulmasında uygulanabilirliğini ortaya koymaktır. Ayrıca farklı bir çalışmada aynı model için pinlerin yanı sıra uzatılmış jet ve rib etkileşimi de incelenmiştir. Sayısal çözüm prosedürünün ısı transferi ve akış özelliklerini doğrulamak için mevcut literatürdeki deneysel veriler kullanılmıştır. Türbülans denklemlerinin çözümünde düşük Re düzeltmeli SST k-w türbülans modeli tercih edilmiştir. İçbükey hedef yüzeye eliptik pinlerin yerleştirildiği modellerdeki sayısal çalışmalarda sabit üç sıra (R3) sıralı pin dizilimi tercih edilmiş ve analizler farklı Reynolds sayıları (Re = 5000, 15000 ve 25000), boyutsuz nozul-hedef yüzey mesafeleri (0,5 ≤ G/d ≤ 8,0) ve boyutsuz orifis plakası-hedef yüzey mesafeleri (H/d = 4,0 ve 8,0) altında gerçekleştirilmiştir. İçbükey hedef yüzeye aerofoil pinlerin monte edildiği fiziksel modellerde ise H/d = 8,0 olarak alınmıştır. Buna ilave olarak, bir sıra (R1), iki sıra (R2) ve üç sıra (R3) sıralı pin dizilimlerinin içbükey yüzey boyunca konvektif ısı transferi üzerindeki etkisine ilişkin bir değerlendirme yapılmıştır. Pürüzsüz ve pinli hedef yüzeylerdeki ortalama Nu sayıları, yerel Nu konturları, akış özellikleri ve termal performans kriteri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sonuçlar, geleneksel çarpan jet ile karşılaştırıldığında G/d'nin azaltılması ve yüzeyin pinlerle pürüzlendirilmesiyle yerel ve alan ortalamalı Nu sayılarının arttığını göstermiştir. Re = 25000 için H/d = 8,0'da uzatılmış jet (G/d = 0,5) ve eliptik pin-pürüzlü yüzey tasarımı ile maksimum ısı transfer artışı %55,68 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, eliptik pinli modelde en yüksek TPC değeri, Re = 25000'de G/d = 2,0 ve H/d = 8,0 parametreleri için 1,10 olarak hesaplanmıştır. Aerofoil pin tasarımı ile konkav yüzeydeki en yüksek ısı transfer artışı ise R2 sıralı pin dizilimi ile Re = 25000'de G/d = 0,5 için %52,81 olarak hesaplanmıştır. Maksimum TPC değeri ise R2 sıralı pin dizilimi ile Re = 25000'de G/d = 2,0 için 1,12 olarak elde edilmiştir. Farklı bir çalışmada ise, içbükey pürüzsüz yüzey analizlerinde kademeli jet dizilimi ve konkav yüzeyin eğrilik etkisi nedeniyle komşu çarpan jetler arasında ilave bir ölü akış bölgesi oluştuğu görülmüştür. Bu bölge konkav yüzeyde düşük ısı transfer bölgelerine yol açmıştır. Bu dezavantajı ortadan kaldırmak için durma noktasının oluştuğu bölgelere dikdörtgen kesitli V-şekilli ribler (VSR) yerleştirilmiştir. Konvektif ısı transferini arttırmak ve termal stres etkisini nispeten azaltarak daha homojen bir ısı transfer dağılımı elde etmek için farklı boyutsuz rib yüksekliklerinin (Hr/d = 0, 0,2, 0,3 ve 0,4), boyutsuz nozul-hedef yüzey mesafelerinin (G/d = 0,5, 2,0, 4,0 ve 8,0) ve rib açılarının (α = 30˚, 45˚, 60˚ ve 90˚) konkav yüzey üzerindeki etkisi de nümerik olarak araştırılmıştır. Sonuçlar, geleneksel jet çarpma konfigürasyonuna kıyasla genel ısı transferinde bir artışa ve daha üniform bir ısı transferine yol açmıştır. Uzatılmış jetlerin VSR ile kombinasyonu sonucu elde edilen en önemli ısı transfer artışı, α = 45˚ için G/d'nin 0,5'e düşürülmesiyle Hr/d = 0,2'de %47,23 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca önerilen modelde en yüksek TPC değeri G/d = 2,0, Hr/d = 0,2 ve Re = 25000'de 1,07 olarak belirlenmiştir. Sonuçlar dikkate alındığında, pin ile pürüzlendirilmiş yüzeyler, uzatılmış JIC sistemlerinde ortalama ve yerel ısı taşınım katsayılarının yüzey üzerindeki homojenliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu sayede termal gerilmelerin ilgili yüzey üzerindeki olumsuz etkisi azaltılabilir ve kanat malzemesinin ömrü uzatılabilir. Sonuç olarak, pürüzsüz yüzeye kıyasla yüzeyin soğutma performansı artarılırken yerel sıcaklıklar önemli ölçüde azaltılarak bölgesel aşırı ısınma riskini en aza indirilmektedir. Eklemeli imalat teknolojilerinin gelişmesi, gaz türbin kanatlarının dâhili soğutma kanallarında bu tip geometrilerin kullanılmasını mümkün kıldığı için bu çalışma sonucunda literatüre önemli bir katkı sağlanacaktır.