Date of Graduation

2017

Document Type

Dissertation

Degree Type

PhD

College

Statler College of Engineering and Mineral Resources

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

Committee Chair

Andrew C Nix

Committee Co-Chair

V'yacheslav Akkerman

Committee Member

James B Black

Committee Member

Cosmin Dumitrescu

Committee Member

John M Kuhlman

Abstract

In this research, MATLAB SimulinkRTM was used to develop a cooled engine model for industrial gas turbines and aero-engines. The model consists of uncooled on-design, mean-line turbomachinery design and a cooled off-design analysis in order to evaluate the engine performance parameters by using operating conditions, polytropic efficiencies, material information and cooling system details. The cooling analysis algorithm involves a 2nd law analysis to calculate losses from the cooling technique applied. The model is used in a sensitivity analysis that evaluates the impacts of variations in metal Biot number, thermal barrier coating Biot number, film cooling effectiveness, internal cooling effectiveness and maximum allowable blade temperature on main engine performance parameters of aero and industrial gas turbine engines.;The model is subsequently used to analyze the relative performance impact of employing Anti-Vortex Film Cooling holes (AVH) by means of data obtained for these holes by Detached Eddy Simulation-CFD Techniques that are valid for engine-like turbulence intensity conditions. Cooled blade configurations with AVH and other different external cooling techniques were used in a performance comparison study. (Abstract shortened by ProQuest.).;{dollar}=In der Gasturbinen-Design, das oberste Ziel ist hochste Leistung oder Schubkraft zu haben, wahrend der Wirkungsgrade am hochsten, und der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen am niedrigsten sind. Fortschritte in der Kuhlungsmethoden der Turbinenschaufeln und der Leitschaufeln ermoglicht hohere Temperaturen in der Brennkammer zu erreichen und langere Dauerhaftigkeit der Turbinenkomponenten zu haben, das die primare Faktoren die Motorleistung zu verbessern sind.;{dollar}=Fur moderne Gasturbinen gibt es eine grose Auswahl der moglichen Kuhlungsmethoden, das erfordert sich die Auswirkungen der relativen Vorteile jeder Methode zur Gasturbinenleistung zu bewerten. Die Forscher meistens analysieren neuer Kuhlungsmethoden (entweder isoliert von oder kombiniert mit anderen Methoden) durch Warmeubergangsexperimenten oder numerische Stromungsmechaniksmethoden (CFD), die gultig sind nur in einer beschrankten Region einzelner Turbinenschaufel, das ziemlich klein ist im Vergleich zu der Grose der tatsachlichen Schaufel. Um eingehende Bewertungen der vershiedenen Kuhlungsmethoden machen zu konnen, ein thermodynamisches Model wird gebraucht, das berucksichtigt die Turbinenleistungsverluste in Zusammenhang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, aus der konvektiven Warmeubergang von den Schaufeln, aus der Reibung durch die Bewegung des Kuhllufts in den Schaufeln, und aus der Mischung der Stromungen mit unterschiedlichen Temperaturen usw.;{dollar}=In dieser Dissertation, thermodynamische Modelle werden entwickelt mit MATLAB SimulinkRTM fur die abgekuhlten Flugtriebwerke und Gasturbinen. Die Modelle enthalt Subsysteme fur das On-Design, fur die Turbomaschinen-Entwurf (2D) und gekuhlten Off-Design Berechnungen und sie nutzen die Gasturbinebetriebsbedingungen, die polytropere Wirkungsgrade, die Materialinformationen und die Angaben von der Kuhlungssystem als die Eingabe. Der Algorithmus dieser Modellen beinhaltet eine Methode, die die Menge der Turbinenleistungsverluste von der Nutzung der verschiedenen Turbinenschaufelkuhlungskonfigurationen berechnen kann.;{dollar}=Die Modelle werden verwendet in einer Sensitivitatsanalyse, in der, die Auswirkungen auf der Gasturbinenleistungsparametern aus der Veranderungen in der Biot-Nummern des Schaufelmetalls, der Biot-Nummern der Warmedammschicht (TBC), der Filmkuhleffektivitat, der Innenkuhleffektivitat, und der maximal zulassigen Schaufelmetalltemperatur, sind untersucht. Als einer von hochentwickelter Filmkuhlungsmethode, die Filmkuhlungsleistung der Antiwirkel-Kuhlluftborungen (Anti-Vortex Holes) sind untersucht bei der Nutzung von Detached Eddy Simulation Stromungsmechaniksmethoden. Die thermodynamische Modelle der abgekuhlten Flugtriebwerke und Gasturbinen, die CFD-Datei als Input nutzen konnen, werden anschliesend verwendet in einer weiteren Analyse, in der, die Auswirkungen auf der Gasturbinenleistungsparametern aus der Nutzung der Kuhlungskonfigurationen mit Antiwirkel-Kuhlluftborungen (AVH) stattdessen der Nutzung der Kuhlungskonfigurationen mit der anderen Kuhlluftborungstypen, werden verglichen.

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