Modeling particle deposition on compressor and turbine blade surfaces

Abstract

Particle deposition is a major cause of gas turbine performance loss. This problem is studied here using a particle deposition model that is based on the three main deposition processes as: particle transport to the surface, particle sticking at the surface and particle detachment from the surface. Based on Lagrangian approach, a particle transport model is used in this study. The eddy lifetime model is used to represent the effect of turbulence on the particle movement. The transport model is tested by comparing the numerical results to experimental data from three sources. Firstly, with data concerning particle transport in turbulent pipe flow. Secondly, with data concerning particle transport to turbine blade surfaces. Finally, the thermophoretic particle transport is investigated in laminar pipe flow. A particle-sticking model based on the particle impact velocity on the surface is used. This model calculates the particle capture velocity below which no rebound occurs from the elastic properties for the particle and the surface. The sticking model is used to investigate the effect of blade surface temperature on the sticking coefficient of ash particles. The particle deposition model is extended with a particle detachment model. This model calculates the critical wall shear velocity required for particle detachment based on the critical moment theory. The deposition model is used to study the effect of particle deposition on turbine blade performance. The flow field is solved for the clean blade and the time-dependent particle deposition is calculated. The flow field is calculated for the fouled blade after 36 operating hours to investigate the effect of deposition on the blade performance. The surface velocity and the downstream total pressure coefficient are used in this investigation.

Partikelablagerung ist eine Hauptquelle des Gasturbinenleistungsverlustes. Dieses Problem wird hier mit einem Partikelablagerungsmodell studiert, das auf den drei Hauptablagerungsprozessen basiert: Partikeltransport zur Oberfläche, Partikelhaften an der Oberfläche und Partikeltrennung von der Oberfläche. Mit dem Ansatz nach Lagrange wird ein Partikeltransportmodell in dieser Studie benutzt. Die Partikelflugbahn wird durch Lösen der Partikelbewegungsgleichung vorausberechnet. Das Wirbellebenszeitmodell wird benutzt, um den Effekt der Turbulenz auf die Partikelbewegung darzustellen. Festgelegt durch die Partikelaufprallgeschwindigkeit, wird ein Partikelhaft-Modell benutzt. Dieses Modell errechnet die Partikelfanggeschwindigkeit, unterhalb deren kein Rückprall von den elastischen Eigenschaften für das Partikel und die Oberfläche auftritt. Das Partikel haftet an der Oberfläche, wenn seine normale Aufprallgeschwindigkeit niedriger ist als die Fanggeschwindigkeit. Das Partikelablagerungsmodell wird mit einem Partikeltrennungsmodell erweitert. Dieses Modell errechnet die kritische Wandschergeschwindigkeit, die für Partikeltrennung erforderlich ist. Das Partikel wird von der Oberfläche losgelöst, wenn die Wandschergeschwindigkeit der Strömung höher ist als die kritische Schergeschwindigkeit des Partikels. Das Ablagerungsmodell wird benutzt, um den Effekt der Partikelablagerung auf die Turbinenschaufelleistung zu studieren. Die Oberflächengeschwindigkeit und der stromabwärts gerichtete Gesamtdruckkoeffizient werden in dieser Untersuchung verwendet.