31031

تحليل عددي جداره بهبود دهنده (داراي پره هاي هادي به عقب كشيده شده) در يك كمپرسور جريان محوري

دكتري

مهندسي مكانيك

1393

1403/01/25

محمد اخلاقي

ندارم

مهندسي مكانيك

تخمين نقاط عملكردي كه در آن پديده هاي واماندگي دوراني و سرج در يك كمپرسور جريان محوري شروع مي شوند داراي اهميت بسيار بالايي است. اگرچه تعيين اين نقاط عملكردي در يك كمپرسور به صورت تجربي با توليد صداي ناهنجار و ارتعاشات كمپرسور به آساني ميسر مي باشد، تخمين اين نقاط عملكردي به صورت عددي حتي با استفاده از پيشرفته ترين روش هاي محاسبات عددي با دشواري روبرو است. اين دشواري در يك كمپرسور با نسبت فشار پايين به دليل ساده سازي حل عددي و فيلتر شدن نوسانات فشار و همچنين شرايط عملكردي ناپايدار جريان هنگام استفاده از جداره بهبود دهنده با پره هاي هادي به عقب كشيده شده با دشواري و پيچيدگي مضاعف روبرو بوده است. در بخش نخست پايان نامه حاضر، رفتار آيروديناميكي يك كمپرسور با نسبت فشار پايين در شرايط طراحي، شرايط بروز واماندگي دوراني و شرايط بعد از آن طي دو مرحله تخمين زده مي‌شود: در مرحله اول، يك كمپرسور متناظر كه شامل تركيب خاصي از سيگنال هاي فشار ثبت شده به صورت گذرا است ايجاد مي‌شود. تركيب فوق به نحوي ايجاد مي‌شود كه رژيم هاي جريان پيش از واماندگي دوراني، در حين واماندگي دوراني و شرايط متعاقب آن در يك كمپرسور با ساختار تمام حلقوي بازتوليد مي‌شود. در اين راستا تعداد يك تا هشت سلول واماندگي در ساختار تمام حلقوي بازتوليد شده است. روش حاضر از منظر نيازمندي به منابع به كمترين منابع عددي نياز داشته و بسيار سريع است. سپس در مرحله دوم با استفاده از پارامتر هاي انرژي كلي و آنتروپي طيفي بر اساس تركيب سيگنال هاي ثبت شده در مرحله قبل، شرايط عملكردي كمپرسور تعيين مي‌شود. اين شيوه تحليلي براي نخستين مرتبه در پايان نامه حاضر مطرح شده است. نتايج نشان داد كه تعيين نقاط عملكردي مبتني بر انرژي كلي ناشي از جريان هاي ثانويه و آنتروپي طيفي متاثر از كمپرسور بازتوليد شده سازگاري مطلوبي با نتايج آزمايشگاهي داشته است. در بخش دوم پايان نامه، اثرات ناپاياي عبور جزء دوار بر ميدان جريان داخل جداره بهبود دهنده با حل معادلات ناوير – استوكس متوسط گيري شده به صورت ناپايا بررسي شده است. نتايج نشان دهنده آن است كه عبور جزء دوار داراي اثر قابل توجه بر ميدان جريان داخل جداره بهبود دهنده بوده است. در ادامه اثر جداره بهبود دهنده با پره هاي هادي به عقب كشيده شده بر عملكرد كمپرسور يك طبقه توام با پره هاي هادي در ساختار (2/23) و (5/53) درصد عدم پوشش محوري مورد تحليل قرار گرفته است. شايان ذكر است كه اثرات جداره بهبود دهنده با بهره گيري از مولفه ها و مثلث هاي سرعت به صورت جداگانه، تركيبي و بي بعد شده مورد تحليل قرار گرفته اند. نتايج نشان دهنده آن است كه جداره بهبود دهنده در نقطه عملكردي شروع واماندگي براي ساختار بدون جداره بهبود دهنده در گذر جرمي 95/1 كيلوگرم بر ثانيه در هر دو ساختار درصد عدم پوشش محوري رفتار كاملا متمايزي از منظر كاهش و يا افزايش مولفه محوري سرعت جريان داشته است. نتايج همچنين نشان دهنده آن است كه دو مكانيزم عملكردي در بهبود حاشيه امن واماندگي موثر مي باشند: اولا، گراديان فشار در راستاي محيطي با به كارگيري جداره بهبود دهنده در هر دو ساختار كاهش مي يابد. كاهش گراديان فشار به مقدار زيادي از گسترش و توسعه جريان با ساختار ورتكس نشتي نوك جلوگيري كرده و از اين رو نواحي جريان با سرعت كم در نوك جزء دوار كاهش مي يابد. ثانيا، فصل مشترك جريان اصلي/جريان نشتي نوك به سمت پايين دست حركت كرده و حركت آن به سمت لبه هدايت با تاخير مواجه مي‌شود. ساختار دوم با درصد عدم پوشش محوري بالاتر بازچرخش جريان قوي تري را نسبت به ساختار اول به دليل كاهش سطح مقطع در راستاي شعاعي فراهم نموده و از اين رو نسبت به ساختار اول مطلوب تر است.

1403/04/20

Numerical Investigation of a (Vaned-Recessed) Casing Treatment in an Axial-Flow Compressor

1/1/1900 12:00:00 AM

The predictions of the onset of rotating stall and surge are very important in the preliminary design stage of a compressor. Rotating stall and surge are complex instabilities that cause efficiency loss and reduced pressure rise, and, therefore, compressor designers attempt to avoid them in the design stage. There are many criteria for predicting stability limits, including empirical, theoretical, and numerical investigations in the literature. However, these investigations have important limitations. In the first part of the thesis, the present investigation establishes a new method in which the stall and post-stall behavior of a compressor is estimated by an equivalent reconstructed compressor using special combinations of single passage flow behavior in different mass flow rates. The combinations are generated such as pre-stall, in-stall, and surge flow regimes are reproduced in the full annulus compressor. The numbers of one to eight stall cells are reproduced in the full-annulus compressor. The method requires the least computational requirements and is time efficient. In the second part of thesis, the effects of two modifications to a vaned recessed casing treatment is investigated numerically. First, the shape of a circular curve was used in the top of the treated casing. Second, a fully curved guide vane was also applied. The goals of the modifications are to enhance flow recirculation as well as to relieve the low-speed flow, which is normally accumulated within the corners of the vaned recessed casing treatment. The solid casing in addition to two vaned recessed configurations with 23.2% and 53.5% rotor blade tip axial chord exposure have been studied numerically. In the third part of the thesis, the unsteady characteristics of the modified vaned-recessed casing treatment with 23.2% rotor blade tip axial chord exposure were studied numerically. The solid casing and casing treatment configurations were simulated using the Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations (URANS), and the results were validated by experimental results. The time-averaged results are composed of velocity components analysis and velocity triangles which are presented first, and the unsteady results are presented afterwards. The standard deviation and frequency analysis were performed to find the sources of unsteadiness. Furthermore, the velocity components analysis, including velocity triangles, was presented instantaneously to clarify their effects on rotor tip flow fields as well as stall margin improvement. Moreover, the unsteady interactions between the rotor and casing treatment flow fields, including flow structure and pressure distributions, were discussed. In the end, flow streamline patterns, in addition to the physical mechanism of the vaned-recessed casing treatment, were also discussed. The results indicate that secondary flow total energy and spectral entropy are indeed correlated with compressor operating conditions. The predictions of the onset of stall and surge for the investigated compressor show good agreement with the experimental data. The results also indicated that two mechanisms are involved in the stall margin enhancement. First, the circumferential pressure gradient is reduced for both configurations. The reduction in pressure gradient largely reduces the development of tip leakage vortex and, thus, the generation of low-speed fluid is diminished. Second, the main flow/tip leakage interface moves toward downstream and the movement of interface toward the leading edge is delayed. The second configuration with a greater rotor blade tip exposure enables extra flow recirculation due to decreasing surface area and, therefore, could be superior to the application of the first casing treatment configuration. The unsteady results also showed that unsteadiness plays an important role in the flow mechanism and cannot be ignored. The unsteadiness increases as the mass flow is reduced toward the stall/surge condition. Moreover, the analysis of velocity components demonstrated that the casing treatment has distinct behavior at the last operating points before the onset of the stall for solid casing and casing treatment configurations in terms of axial velocity change.

جداره بهبود دهنده با پره هاي هادي به عقب كشيده شده , واماندگي دوراني , سرج , سلول واماندگي , مولفه هاي سرعت , مثلث هاي سرعت

Vaned-recessed casing treatment , rotating stall , surge , stall cell , velocity components , velocity triangles

Yahya Azizi

Mohammad Akhlaghi