20506

۲۰۵۰۶

تحقيق تجربي و عددي اثرات وينگلت و اسكوييلر بر عملكرد آئروديناميكي رديف پره توربين محوري

كارشناسي ‌ارشد

مهندسي هوافضا - آئروديناميك

۱۳۹۵-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۰۲/۰۳

دكتر رضا تقوي زنوز

مكانيك

افزايش بازدهي موتورهاي توربين گازي هميشه يكي از موضوعات مهم براي طراحان و كاربران اين موتورها بوده است كه رابطه مستقيمي با كاهش افت‌هاي آئروديناميكي ايجادشده در داخل موتورها دارد. در پژوهش حاضر به‌منظور كنترل جريان نشتي از نوك به‌عنوان يكي از عوامل مؤثر در كاهش بازدهي، از روش كنترلي غيرفعال بهينه‌سازي هندسه‌ي نوك پره از طريق جايگزيني نوك ساده پره با وينگلت و وينگلت-اسكوييلر استفاده گرديده است. براي اين منظور پارامترهاي تغييرعرض وينگلت و عدد رينولدز موردمطالعه تجربي و عددي قرارگرفته است. آزمون‌ها روي مجموعه كسكيد پره‌هاي CT2 ساخته‌شده در آزمايشگاه آئروديناميك و توربوماشين‌هاي تراكم پذير و در اعداد رينولدز k100،k120و k140 براي نسبت عرض وينگلت به گام %2.64، %5.28 و %7.92 انجام‌شده است. اندازه‌گيري فشار استاتيك روي سطح پره در مقاطع %50، %75 و %90 به‌منظور بررسي تغييرات بارگذاري پره و روي ديواره انتهايي در سمت نوك پره به‌منظور بررسي محلي اثرات جريان نشتي از نوك بر روي نوك پره صورت گرفته است. همچنين در حل عددي نيز با استفاده از نرم‌افزارهاي ديناميك سيالات محاسباتي تأثيرات روش بهينه‌سازي انتخابي بر روي جريان نشتي از نوك به هنگام تداخل با جريان اصلي و گردابه‌ي گذرگاهي در پايين‌دست پره، موردبررسي قرارگرفته است. نتايج در بخش آزمون‌هاي تجربي به‌صورت بررسي نمودارهاي ضريب فشار استاتيك در ميانه اسپن و در محل %90 اسپن از پايه پره، كانتورهاي فشاري در سطح مكشي و فشاري پره و روي ديواره با بررسي اثرات افزايش عرض وينگلت در اعداد رينولدز مختلف ارائه‌شده است. وينگلت در سمت مكشي با تأخير انداختن در جدايش جريان نشتي از نوك و در سمت فشاري با كاهش دبي جريان نشتي از نوك، بارگذاري را به صورت قابل‌توجهي افزايش مي‌دهد. تأخير در جدايش همچنين اثرات مخرب بارگذاري نوساني صورت پذيرفته توسط گردابه‌ي نشتي از نوك را نيز به‌صورت محسوسي كاهش مي‌دهد. همچنين اين نوع هندسه در نسبت عرض به گام بهينه قدرت جريان نشتي از نوك را به‌صورت قابل‌توجهي كاهش داده و سبب ايجاد جريان يكنواختي بر روي نوك پره ‌مي‌گردد. در ادامه اثرات اسكوييلر با اضافه نمودن به هندسه‌هاي وينگلت ذكرشده به‌صورت مشابه موردبررسي قرارگرفته است. عمده اثرات اسكوييلر در ناحيه‌ي درز نوك پره مي‌باشد. اين نوع هندسه با ايجاد شكاف روي نوك پره، جريان عبوري از نوك پره را به تله انداخته و سبب كاهش شديد سرعت جريان درز نوك مي‌گردد. تلفيق اين نوع هندسه با وينگلت سبب افزايش قابل‌توجه بازدهي توربوماشين‌ها مي‌شود. شبيه‌سازي عددي صورت گرفته نيز نتايج تجربي به‌دست‌آمده را به‌خوبي تصديق نموده و علاوه بر آن نشان داده، عملكرد وينگلت و وينگلت-اسكوييلر مختص جريان نشتي از نوك نبوده و تأثيرات قابل‌توجهي بر كاهش اثرات گردابه‌ي گذرگاهي مي‌گذارد.

1398/02/25

Experimental and Numerical study of aerodynamic performance of winglet and Squealer tips in a turbine blade cascade

4/23/2019 12:00:00 AM

Increasing the efficiency of gas turbine engines has always been one of the important issues for designers and users of these engines, which is directly related to the reduction of aerodynamic losses generated inside the engines. In the present study, in order to control the tip leakage flow as one of the effective factors in reducing the efficiency, the passive control of the optimization of the tip geometry has been used by replacing the plane tip of the blade with winglet and winglet-Squealer. For this purpose, the variation of Winglet width and Reynolds numbers are studied experimentally and numerically. Experimental tests were made in linear cascade of CT2 airfoils in aerodynamic and compressible turbo machines lab, in the Reynolds numbers 100k, 120k and 140k for a w/p= 2.64%,5.28%,7.92%. The measurement of the static pressure on the surface of the blade in 50%, 75% and 90% sections of span was carried out to investigate the changes in the blade load and on the end wall at the tip of the blade to investigate the local effects of the leakage flow on the tip. Also in numerical solution, using computational fluid dynamics software, the effects of the chosen optimization method on the tip leakage flow, when combined with the main flow in the downstream have been examined. The results are presented in the experimental section by examining the static pressure coefficients in the middle of the span and at 90% of the span, the pressure contours in the pressure and suction side of the blade and the end wall by examining the effects of increasing the width of the Winglet in different Reynolds numbers. Winglet increases the loading considerably at the suction side by delaying the separation of the tip leakage flow and at the pressure side by decreasing the tip leakage flow rate. Delaying the separation also significantly reduces the destructive effects of oscillatory loading performed by the tip leakage vortex. Also, this type of geometry in the optimal width to pitch ratio reduces the tip leakage flow considerably and creates a uniform flow on the tip. In the end, the effects of the winglet-squealer are studied in the same way. The main effect of the squealer is in the tip region of the blade. This kind of geometry, by creating a gap on the tip, traps the tip flow and causes a sharp decrease the tip flow velocity. Combining this kind of geometry with the Winglet will increase the efficiency of the turbo-machine performance. Numerical simulations have also confirmed the empirical results, and, in addition, the Winglet and winglet- squealer operation are not specific to the tip leakage flow and have significant effects on reducing the effects of passive vortices.