Gaz türbinlerinde kullanılan fırça keçe geometrisinin ve çalışma şartlarının kaçak debiye etkisinin HAD analizi ile incelenmesi

Abstract

Fırça keçeler, gaz ve buhar türbinlerinde yaygın kullanılan labirent keçelere göre %20'ye varan oranlarda az kaçak debiye sahip, uzun işletme sürelerinde kararlı çalışan, daha az eksenel yer kaplayan ve daha iyi sızdırmazlık performansı gösteren sızdırmazlık elemanlarıdır. Tasarımı uygun olmayan bir sızdırmazlık elemanı motorda artan kaçak debi ve yakıt sarfiyatına, verim düşüşüne, güvensiz işletme şartlarına ve ömür kaybına neden olduğundan, fırça keçe tasarım parametrelerinin kaçak debiye etkilerinin araştırılması önemli görülmektedir. Bu tez çalışmasında, fırça keçe tasarım parametrelerinden keçe geometrisinin ve çalışma şartlarının sızdırmazlık performansı üzerindeki etkileri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri ile ANSYS-Fluent v.14 paket programı kullanılarak sayısal olarak incelenmiştir. HAD modeli 2-boyutlu eksenel simetrik koordinatlarda oluşturularak fırça keçe tel paketi gözenekli ortam olarak modellenmiştir. Gözenekli tel paketinin akış direnç katsayıları, literatürdeki deneysel kaçak debi ve basınç verileri ile kalibre edilmiştir. Hava akışı sıkıştırılabilir akış olarak alınmış ve yoğunluğun değişimi ideal gaz denklemi ile tanımlanmıştır. Türbülanslı akış için k-epsilon modeli kullanılmıştır. Belirlenen sınır şartlarında süreklilik, momentum (Navier-Stokes) ve enerji denklemleri sayısal olarak çözülmüştür. HAD analizleri sonucunda, tel paketi kalınlığının artırılması kaçak debiyi azaltırken, arka plaka çit yüksekliğinin artırılması kaçak debiyi artırmıştır. Artan tel radyal yüksekliğinin ise kaçak debiyi az miktarda artırdığı hesaplanmıştır. Bununla birlikte, işletme parametrelerinden keçe radyal açıklığı ve basınç oranı kaçak debiyi lineer olarak artırmıştır. Ayrıca, keçenin pozitif radyal açıklıkta çalışması durumunda, bu açıklığın akışı domine ettiği ve kaçak debi üzerinde fırça keçe geometrisine nazaran daha etkin olduğu görülmüştür.

Brush seals are advanced seals exhibit better sealing performance about 20% of conventional labyrinth seals, having stable and long operation hours, and occupying less axial assembly space in gas and steam turbines. An improperly designed sealing element may cause many serious problems such as increase in leakage and fuel consumption, loss of efficiency, unsafe operating conditions, and loss of service life, thus, investigation of brush seal leakage performance depending on design parameters has a crucial importance. In this thesis, effects of brush seal design parameters, which are geometric dimensions and operating conditions, on the leakage performance were investigated by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses in ANSYS-Fluent v.14 software. The CFD model was built as 2D axisymmetric coordinates and the bristle back of brush seal was treated to be a porous medium. The flow resistance coefficients of the porous bristle pack were calibrated by using leakage and pressure measurements available in literature. Air flow is considered to be compressible flow by assuming ideal gas equation. For turbulent flow, k-epsilon model was used. Continuity, momentum (Navier-Stokes), and energy equations were numerically solved under described boundary conditions. CFD analyses show that the increase of bristle pack thickness decreases leakage, however, the increment on backing plate fence height increases leakage. The increase of bristle free height leads to a slight leakage increase. Meanwhile, the increment of clearance and pressure ratio increase leakage linearly. Moreover, in case of clearance operation, clearance is a more dominant parameter on leakage compared to geometric dimensions.