Çok sıralı çarpmalı jetlerin iki geçişli dikdörtgen kanaldaki ısı taşınımının deneysel incelenmesi

Yıl 2022, Cilt: 37 Sayı: 2, 671 - 684, 28.02.2022

Metin Sözbir Ünal Uysal

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.708122

Öz

Gaz türbinlerinde sıcaklık arttıkça verim ve güç artmaktadır. Fakat çok yüksek sıcaklıklara (≈2000°C) maruz kalındığında; sıcak gaz çıkış yolu üzerinde bulunan ekipmanların maruz kaldığı mekanik ve ısıl zorlamaların etkisi ciddi ölçüde arttığından özellikle gaz türbin kanatlarının soğutulması önem kazanmaktadır. Bu nedenle türbin kanatlarının mekanik veya ısıl zorlamalardan korunması ve güvenli şekilde çalışmasını sürdürebilmesi için etkin bir soğutma gereklidir. Üretici firmalar ve bilim adamları gaz türbinlerinin optimum verimi için türbin kanatlarında farklı soğutma yöntemleri geliştirme çalışmaları yapmaktadırlar. Bu geliştirme çalışmalarının çoğunluğunda çok kademeli ve sıralı yapıya sahip çarpmalı jetler ile jet geometrileri üzerinde odaklanılmıştır.
Bu çalışmada; kanat soğutma kanalına geometrik olarak benzer bir model üzerinde; hidrolik çapları eşit, dairesel, kare ve eşkenar üçgen tipli jetler kullanılarak, farklı Reynolds sayılarında hedef plakadaki ısı geçiş katsayısı dağılımı sıvı kristal termografi yöntemiyle deneyler yapılmıştır. Deneylerden elde edilen veriler kullanılarak jet geometrisinin, jet çapının, jet-hedef plaka aralığının ve Re sayısının yüzey ısı geçiş katsayısına etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda; ısı geçiş katsayısının Re sayısının artması ile akış yönünde arttığı görülmüştür. Plakalar arası aralık ve jet hidrolik çaplarının artırılmasıyla durağan bölgelerin arttığı ve ısı geçiş katsayısının bu bölgelerde azaldığı tespit edilmiştir. Çapraz akış, hedef-jet plaka aralığının artırılması ile akış yönünde azaldığı görülmüştür. En yüksek ortalama ısı geçiş katsayısının eşkenar üçgen jet plakalı modelde ve hedef plakla üzerinde en homojen ısı geçiş dağılımının dairesel jet plakalı modelde meydana geldiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

Isı transferi katsayısı, çarpmalı jet soğutma, termokromik sıvı kristal

Kaynakça

• Han, J.C., (2018),“Advanced Cooling in Gas Turbines 2016”,Max Jakob Memorial Award Paper. ASME Journal of Heat Transfer. 140 (11). 113001. https://doi.org/10.1115/1.4039644
• Bouchez, J. P. ve Goldstein, R. J.; (1975),“Impingement cooling from a circular jet in a crossflow”,Int. J. Heat Mass Transfer 18 719–730.
• Rajaratnam, N., (1976); “Developments in water science 5, Turbulent Jets”, Elsevier scientific publishing company, New York, ISBN:0-444-41372-3.
• Florschuetz, L. W., Berry, R. A. ve Metzger, D.E., (1980); “Periodic stream wise variations of heat transfer coefficients for inline and stagge redarrays of circular jets with crossflow of spentair”, Journal of Heat Transfer, 102: 132-137.
• Goldstein R .J. ve Behbahani A.I., (1982); “Impingement of a circular jet with ve without crossflow”, Int. J. Heat Mass Transfer 25, 1377–1382.
• Viskanta, R., (1993); “Heat transfer to impinging iso thermal gas and flamejets”, Experimental Thermaland Fluid Science, 6(2): 111-134.
• Lytle, D. ve Webb, B. W., (1994); “Air jet impingement heat transfer at lownozzle-platespacings”, Int. J. Heat Mass Transfer, 37(12): 1687-1697.
• Yan, X. ve Saniei, N., (1997); “Heat transfer from an obliquely impinging circularair jet to a flat plate”, Int. J. Heat and Fluid Flow, 18(6): 591-599.
• Azad, S.;Huang, Yizhe ve Han, Je-Chin, (2000); "Impingement Heat Transfer on Dimpled Surfaces Using a Transient Liquid Crystal Technique", Journal of Thermophysics ve Heat Transfer, Vol. 14, No. 2 pp. 186-193.
• Tanda, G., (2001); “Heat transfer and pressure drop in a rectangular channel with diamond-shapedelements”, International Journal of Heat ve Mass Transfer, 44 (18), 3529-3541.
• Yu, Y., (2002); “Film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distribution saround diffusion shapedholes”. ASME-2002, , Vol.124.
• Osama, M. A., (2003);“Heat Transfer Distributions On TheWalls Of A Narrow Channel With Jet İmpingement And Cross Flow”,Ph.D. Thesis, University of Pittsburg.
• Ho, C. M. ve Gutmark, E., (1987); “Vortex induction and mass entrainment in a smalla spectratioelliptic jet”, Journal of Fluid Mechanics, 179: 383-405.
• Hussain, F. ve Husain, H.S., (1989); “Elliptic jets part I. Characteristics of unexcitedandexcited jets”, Journal of Fluid Mechanics, 208: 257-320.
• Lee, S. J., Lee, J. H. ve Lee, D. H., (1994); “Localheat transfer measurements from an elliptic jet impinging on a flat plate usingliquidcrystal”, Int. J. Heat Mass Transfer, 37(6): 967-976.
• Lee, J. ve Lee, S. J., (2000); “Theeffect of nozzle aspectratio on stagnationregion heat transfer characteristics of ellipticimpinging jet”, Int. J. Heat Mass Transfer, 43:555-575.
• Yan, W. M., Mei, S. C., Liu, H. C., Soong, C. Y. ve Yang, W. J., (2004); “Measurement of detailedheat transfer on a surface underarrays of impinging ellipticjetsby a transientliquid crystal technique”, Int. J. Heat Mass Transfer, 47: 5235-5245.
• Albeirutty, M. H., Alghamdi, A.S. ve Najjar, Y.S., (2003); “Heat Transfer Analysis For A Multistage Gas Turbine Using Different Blade Cooling Schemes”. Applied Thermal Engineering, 24(2004), 563-577.
• Wang, S. J. ve Mujumdar, A. S., (2005); “A comparative study of five low Reynolds Number k-ε models for impingemen theat transfer”, Applied Thermal Engineering, 25:31-44.
• San, J. Y. ve Lai, Mao-De; (2001); “Optimum jet-to-jet spacing of heat transfer forstaggeredarrays of impingingairjets”, International Journal of HeatandMass Transfer, Volume 44, Issue 21, Pages 3997-4007.
• San, J. Y. ve Shiao, W. Z., (2006); “Effects of jet plate size andplatespacing on the stagnation Nusselt number for a confined circular air jet impinging on a flatsurface”, International Journal of Heat and Mass Transfer 49: 3477–3486.
• San, J. Y., Tsou, Y. M. ve Chen, Z. C., (2007); “Impingement heat transfer of staggered arrays of air jets confined in a channel”, International Journal of Heat and Mass Transfer 50: 3718-3727.
• Uysal, Ü., Li, P. W., Chyu, M. K. ve Cunha, F. J., (2006); "Heat Transfer on Internal Surfaces of A Duct Subjected To Impingement of A Jet Array with Varying Jet Hole-Size and Spacing", Journal of Turbo machinery, 128,158-165.
• Uysal, Ü., (2013); “Effect Of Jet Dıameter On Heat Transfer In A Two-Pass Channel”, Journal of Enhanced Heat Transfer, 20 (3): 277–287.
• Uysal, Ü., Korkmaz, Y., Sözbir, N. ve Hırca, A.H., (2014), “Gaz Türbini Kanatları Kanallarında Soğutma Performansının Araştırılması”, Havacılık ve uzay teknolojileri dergisi, Temmuz 2014 cilt 7 sayı 2 (27-34) DOI 10.7603/s40690-014-0012-2
• Uysal, Ü ve M. Sözbir; (2018); “Çoklu Çarpan Jetli Dikdörtgen Kanalda Yüzey Isı Geçişinin Deneysel Araştırılması”, 6th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science 09-11 November 2018 (ISITES2018 Alanya – Antalya - Turkey).
• Uysal, Ünal ve Taymaz, İmdat; (2019); “Experimental investigation of heat transfer on trapezoid alchannel with threepasses”; Journal of Thermal Analysis and Calorimetry; pp 1–12.
• Tepe, A. Ü.,Arslan, K., Yetişken Y. ve Uysal, Ü.,(2019), “Effects of Extended Jet HolestoHeat Transfer and Flow Characteristics of the Jet Impingement Cooling,” J. Heat Transfer. Aug 2019, 141(8): 082202 P.No: HT-19-1098 https://doi.org/10.1115/1.4043893
• Xing, Yunfei ve Weigand, Bernhard, (2010); “Experimental Investigation on Staggered Impingement Heat Transfer on a Rib Roughened Plate With Different Crossflow Schemes”, ASME Turbo Expo 2010, Paper No. GT2010-22043, pp. 1-11; 11 pages.
• Lamont, Justin A.,Ekkad, Srinath V. ve Alvin, Mary Anne, (2012), “Effects of Rotation on Heat Transfer for a SingleRow Jet Impingement Array With Crossflow”, J. Heat Transfer 134(8), 082202 (12 pages) https://doi.org/10.1115/1.4006167
• Levy,Y. Rao, A. G. Erenburg, V. Sherbaum, V. Gaissinski, I. veKrapp, V. (2012),“Pressure Lossesfor Jet ArrayImpingement With Crossflow”, ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition. Volume 4: Heat Transfer, Parts A and B Copenhagen, Denmark, June 11–15, 2012 Conference Sponsors: International GasTurbineInstitute. ISBN: 978-0-7918-4470-0. https://doi.org/10.1115/GT2012-68386
• Miller, N.,Siw, S. C., Chyu, M. K. ve Alvin, M. A., (2013); “Effects of Jet Diameterand Surface Roughness on Internal Coolingwith Single Array of Jets”, In ASME Turbo Expo 2013:Power for Land, Sea, andAir, page 9 pages, San Antonio.
• Terzis, A. Wagner, G. Wolfersdorf, J. Ott, P. veWeigand, B. (2014),“Hole Staggering Effect on the Cooling Performance of Narrow Impingement Channels Using the Transient Liquid Crystal Technique”,Journal of Heat Transfer Vol. 136. https://doi.org/10.1115/1.4027250
• Shan, Y. Zhang, J. veXie, G., (2015),“An experimental investigation on comparison of synthetic and continuous jets impingement heat transfer”, International Journal of Heat and Mass Transfer. Volume 90, November 2015, Pages 227-238. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.06.065
• Llucià, S. Terzis, A. Ott, P. veCochet, M., (2015),“Heat transfer characteristics of high crossflow impingement channels: Effect of number of holes. Proceedings of theInstitution of Mechanical EngineersPart A”,Journal of Powerand Energy. https://doi.org/10.1177/0957650915594074
• Singh, P. Ravi, B. V. Ve Ekkad, S., (2016),“Experimental and numerical study of heat transfer dueto developing flow in a two-pass ribroughened square duct”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 102, pp. 1245-1256. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.07.015
• Zhou, J. Xinjun, W. veJun, Li., (2019),“Influences of effusion hole diameter on impingement/effusion cooling performance at turbine blade leading edge”, International Journal of Heat and Mass Transfer , 134, Pages 1101-1118. Volume https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.054
• Chyu, M. K., Ding, H., Downs, J. P. ve Soechting, F. O., (1998), “Determination of LocalHeat Transfer Coefficient Based on Bulk Mean Temperature Using a Transient Liquid Crystals Techniques”, Exp. Therm. Fluid Sci., 18,142–149.
• Kline, S. J. ve McClintock, F. A.,(1953), “Describin guncertainties in single-sample experiments,” Mech. Eng. (Am. Soc. Mech. Eng.), vol. 75, no. 1, pp. 3–8.