Numerical investigation of the influence of sweep and lean on a transonic axial compressor rotor
Transonik eksenel kompresör rotorunda uygulanan 'sweep' ve 'lean' methodlarının aerodinamik etkilerinin nümerik yaklaşımlar ile incelenmesi
- Tez No: 840834
- Danışmanlar: PROF. DR. AYDIN MISIRLIOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Havacılık endüstrisindeki rekabeti oluşturan önemli unsurlardan bir tanesi olan kompakt tasarım felsefesidir. Gaz türbinli motorlardaki teknoloji eğiliminin gelişiminde de önemli bir rol oynayan bu felsefe, özellikle havacılık motorlarında yüksek yükleme altında çalışan kompakt modül tasarımlarının ortaya çıkması ihtiyacını oluşturmuştur. Bunun yanında, modül verimlerinin iyileştirilmesi de gaz türbinli motor teknolojisinin gelişiminin önemli bir parçasıdır. Özellikle yüksek basınç kompresörlerinden elde edilebilecek yüksek verimin spesifik yakıt tüketiminin iyileştirilmesi ile doğrudan bağlı olduğu bilinmektedir. Hem verim hem de kompakt tasarım felsefesi açısından rekabetçi kompresör tasarımların ortaya koyulabilmesinin önemi günümüz gaz türbinli motor teknolojisinin gelişimi ile artmaya devam etmektedir. Hem yüksek verimlilikte çalışabilen hem de yeterli operasyonel marjine sahip kompakt yüksek basınç kompresörlerinin tasarlanması ihtiyacı, transonik rejimde çalışan modül tasarımlarını gerektirmektedir. Günümüzde kullanılan yüksek basınç kompresörlerinin giriş kademeleri genellikle transonik akış rejiminde olacak şekilde tasarlanmıştır. Transonik akış rejimi, aerodinamik tasarım açısından dikkatli yaklaşılması gereken şok yapıları ve şok yapılarından tetiklenen ekstra kayıp mekanizmlarını içermektedir. Oluşan şok yapılarını ve şok yapılarından kaynaklanan performans etkilerini kontrol etmenin etkili bir yolu son yıllarda sıklıkla kullanılan üç boyutlu örme methodları olan 'sweep' ve 'lean' uygulamalarıdır. Bu yaklaşımlar uzun yıllardır uçak kanatlarında başarı ile uygulanmaktadır. Kompresör uygulamalarında kullanılan üç boyutlu örme methodları hakkında yapılan çalışmalar, bu uygulamaların arkasında yatan akış fiziğinin tam anlamıyla aydınlatılamamıştır. Bu sebeple 'sweep' ve 'lean' uygulamaları hakkındaki akademik araştırma ve tartışma süreçleri devam etmektedir. Bu tez çalışmasında, üç boyutlu örme yaklaşımları olan 'sweep' ve 'lean' uygulamalarının kompresör akışı üzerindeki etkileri, bir transonik eksenel kompresör rotoru üzerinde yapılan üç-boyutlu Reynolds Ortalamalı Akış Çözücüsü yöntemiyle nümerik olarak incelenmiştir. Literatürde nümerik çalışmalar için oldukça yaygın biçimde kullanılan NASA Rotor 37 geometrisi, validasyon ve detaylı inceleme çalışmaları için kullanılmıştır. Çok kademeli bir yüksek basınç kompresörünün giriş kademesi olarak tasarlanan NASA Stage 37 bu tez kapsamında odaklanılan problem açısından oldukça uygundur. Dört farklı yapıda çözüm ağı oluşturularak HAD modelinin ağdan bağımsızlığı araştırılmıştır. Hem çözüm maliyetleri hem de sayısal doğruluk açısında makul olan çözüm ağı detaylı çalışmalarda kullanılmak üzere seçilmiştir. HAD modelinden elde edilen akış alanı çıktıları literatürde yer alan deneysel sonuçlar ile kıyaslanmıştır. Hem global performans haritaları hem çıkış düzlemindeki radyal akış profilleri hem de B2B düzlemi akış alanları ile yapılan bu kıyaslama sonucunda sayısal modelin yeterli doğruluğu sağladığı ortaya koyulmuştur. 'Sweep' ve 'lean' uygulamalarının araştırılması amacıyla NASA Rotor 37 kanadı baz alınarak farklı karakterdeki kanatlar üretilmiştir. Toplamda 8 farklı kanat üretilmiş ve doğrulaması yapılan nümerik yöntem ile akış alanları incelenmiştir. Bu inceleme elde edilen kanatların global performans çıktıları, radyal yöndeki akış karakterleri, B2B düzlemlerindeki akış alanları, emme yüzeylerindeki akış çizgileri ve uç açıklığı girdabını içerecek şekilde sistematik bir yaklaşım içerisinde sunulmuştur. Global performans açısından geri 'sweep' yapısına sahip kanat geometrisinin hem daha yüksek operasyonel zarfa hem de daha yüksek verim davranışına sahip olduğu görülmüştür. Benzer şekilde pozitif 'lean' yapısına sahip kanat geometrisinin operasyonellik ve verim açısından daha avantajlı olduğu görülmüştür. Ayrıca 'sweep' uygulamasının boğulma debisinin değişimine neden olduğu fakat 'lean' uygulamasının böyle bir etkide bulunmadığı görülmüştür. Radyal yöndeki akış profillerinin incelenmesi ile üç boyutlu örme methodları uygulanan kanatların özellikle uç bölgesinde farklılık gösterdiği görülmüştür. Bu durumun uç açıklığı girdabında yaşanan değişim nedeniyle olduğu yorumlanmıştır. B2B düzlemde yapılan relatif Mach alanı incelemesi ile şok sisteminde yaşanan değişim ortaya koyulmuştur. İleri 'sweep' uygulaması ile pasaj şokunun hücum kenarına doğru ilerlediği görülmüştür. Bu durum nedeniyle hem operasyonellik hem de verim açısından daha dezavantajlı bir koşul oluşmuştur. Ayrıca hücum kenarına yakın bölgede yüklemenin artması nedeniyle uç açıklığı girdabının daha güçlü olmasına neden olduğu görülmüştür. Geri 'sweep' uygulamasında ise bahsi geçen tüm fenomenlerin tersi yönde işleyerek iyileştirilmiş bir akış alanı ortaya koyduğu görülmektedir. Benzer incelemeler 'lean' uygulaması olan kanatlar için de yapılmıştır. Dönüş yönünde uygulanan pozitif 'lean' uygulaması ile bahsi geçen mekanizmaların benzer şekilde gelişmesi sonucunda akış alanında iyileşme sağladığı görülmüştür. Kanat yüzeyindeki akış çizgileri üzerinden yapılan incelemelerde şok mekanizmasında yaşanan değişimler ve bağlantılı olarak değişim gösteren ayrılma baloncukları gösterilmiştir. Elde edilen tüm çözümlerde şok yapısının radyal yöndeki karakterinin duvar ile dik kesişimi sağlayacak şekilde yeniden düzenlendiği görülmüştür. Literatürde de bahsedilen bu durum çözüm modelinde de doğrulanmıştır. Yapılan incelemelerde genel olarak eksenel olarak geri 'sweep' yapısı ve dönüş yönünde pozitif 'lean' karakterine sahip olan kanatların hem operasyonal marjin hem de verimlilik anlamında daha başarılı olduğu görülmüştür. Aerodinamik iyileşmenin arkasındaki ana mekanizmanın şok sisteminde yaşanan değişim ve uç girdabının zayıflaması olduğu görülmüştür. İncelenen kanat yapıları arasında verim ve operasyonel marjin açısından en başarılı geometrilerin karakterleri olan geri 'sweep' ve pozitif 'lean' yaklaşımları kombine edilerek yeni bir kanat yapısı oluşturulmuştur. Bu aşamaya kadar tekil yaklaşım ile incelenen üç boyutlu örme methodları, bu aşamada kombine uygulanmaları durumunda incelenmiştir. Final kanat yapısı baz alınan NASA Rotor 37 modeline göre %4.67 operasyonel marjin artışı ve %0.83 izantropik verim artışı göstermiştir. Kombine edilen geometrinin global aerodinamik performansının tekil 'Sweep' ve 'lean' uygulamalarına göre daha başarılı olduğu görülmüştür fakat tekil geometrilerde görülen performans artışlarının toplamından daha küçük bir artış olduğu vurgulanmıştır. Bu durum üç boyutlu örme methodlarının aerodinamik performans üzerindeki etkilerinin lineer olarak kombine edilemediğini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The state-of-the-art gas turbine engine technology tends to have modules with superior loadings within the compact design strategy. The technology trend created a necessity to design transonic high-pressure compressors that are efficient while having a reasonably high operational range. Transonic regime creates additional design aspects that need to be carefully done, mainly shock related structures and losses. An efficient way to control shock structure is three-dimensional stacking, namely sweep and lean, which has been used for aircraft wing designs. The recent studies relevant to the three-dimensional stacking of compressor blades have not completely enlightened the flow mechanism behind the sweep and lean, which keeps the controversy about the sweep and lean alive. This paper aims to investigate the influence of three-dimensional stacking, namely true sweep and lean, on a transonic axial compressor stage with a 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes solver. NASA Rotor 37, which is a common benchmark case used for numerical studies in the literature, is used for validation and further investigation study. A total of 8 new geometries based on NASA Rotor 37 have been generated that are swept and leaned with different characteristics. The generated geometries have been investigated with the validated numerical approach in terms of the flow field in a systematic way. The results show that the axially aft sweep and positive lean design improve the design point in terms of isentropic efficiency and stall margin. The mechanism behind the improvement is seen to be the relocation of the passage shock and the weakening of the tip leakage vortex. The outstanding cases among the offered geometries in terms of efficiency and the operational range are combined and investigated through a similar systematical approach. It is seen that the combined geometry has a 4.67% stall margin improvement and 0.83% isentropic efficiency improvement. It is noted that the improvement of the global performance parameters of combined geometry is higher than in singular cases however it is not the direct superposition of singular geometries' characters.
Benzer Tezler
- Optimization of sweep and lean angles of a compressor blade using CFD and artificial neural network
CFD ve yapay sınır ağı kullanarak bır kompresör palinin sapma ve eğik açılarının optımızasyonu
ARMAĞAN KÖKSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUNİR ALİ ELFARRA
- Kuyu içi (VSP) sismik verilerinin konvansiyonel olmayan yöntemlerle kömür aramacılığına yönelik entegre analizi
Integrated analysis of wellbore seismic data by unconventional methods for coal exploration
ALİ CANKURTARANLAR
Doktora
Türkçe
2024
Jeofizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA EMİN DEMİRBAĞ
- Bursa ili Mollaarap Mahallesi'nin heyelan riskinin araştırılması
Investigation of landslide risk of Mollaarap Neighborhood in Bursa province
YİĞİT KARALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EYÜBHAN AVCI
- Psöriatik artritli olgularda metabolik sendrom varlığının uyku kalitesi üzerine etkisinin araştırılması
Investigation of the impact of metabolic syndrome presence on sleep quali̇ty in pati̇ents with psori̇ati̇c arthritis
MEHMET SAİD ŞEN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2023
RomatolojiManisa Celal Bayar Üniversitesiİç Hastalıkları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TİMUR PIRILDAR
- Assessment of properties and mechanical behavior of novel Al/Mg cast alloys
Yeni nesil Al/Mg dökme alaşımlarının özelliklerinin ve mekanik davranışının değerlendirilmesi
KAMİL ARMAĞAN GÜL
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ÖZGÜR ASLAN