Development of an axial compressor design and blade profile generation tool
Eksenel kompresör tasarım ve kanat profili oluşturma programı geliştirilmesi
- Tez No: 878659
- Danışmanlar: PROF. DR. MESUT GÜR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
Eksenel kompresörler jet motorları, yer gaz türbinleri ve yedek güç sistemleri olmak üzere bir çok alanda kullanılır. Kompresörlerin tasarım süreci geleneksel olarak tasarla, üret ve test et yaklaşımıyla başlamıştır. Günümüzde ise gelişmiş nümerik teknikler kullanılmaktadır. Bu gelişmiş teknikler sayesinde verimlilik artmış ve maliyet düşmüştür. Bahsedilen nümerik modelleme yöntemleri basitten karmaşığa doğru şöyle sıralanabilir: bir boyutlu orta çizgi tasarım yöntemi, iki boyutlu ağ yapıları yada akış çizgileri kullanan modelleme yöntemleri ve üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanan analiz yöntemleri. Her yöntemin kendine özgü kabiliyetleri ve sınırlamaları mevcuttur. En basit ve hızlı yöntem bir boyutlu orta çizgi tasarım yöntemidir. Bu yöntemde akış özellikleri bir boyutlu ve kayıpsız olarak modellenir. Kayıplar deneysel verilerle oluşturulan empirik korelasyonlarla toplam basınç düşüşü şeklinde hesaplanır. Kanadın giriş ve çıkışında akış parametreleri hesaplanır. Kanat boyutları belirlenir ve kayıplar hesaplanır. Ayrıca daha iyi bir modelleme için akış alanın en dar kısmı olan boğaz kısmında da hesaplamalar yapılarak boğulma durumundaki akış parametreleri hesaplanabilir. İki boyutlu yöntemlerde ana amaç akışın kanat yüksekliği boyunca dağılımını hesaplamaktır. Bu modellerde radyal hız bileşeni de modellenebilir. Bu sayede radyal denge denklemleri daha doğru sonuçlar verebilir. Ayrıca bu modelleme sayesinde akış özelliklerinin girişten çıkışa nasıl değiştiği de gözlemlenebilir. Bu yöntemler arasında en gelişmiş olanı üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanan modellerdir. Kompresör içindeki akışta üç boyutlu etkiler bu yöntemle incelenebilir. Ayrıca zamana bağlı etkiler, sürtünme etkileri, türbülans etkileri sınır tabaka ayrılmaları gibi karmaşık akış özellikleri de modellenebilir. Ancak bu yöntem için yüksek hesaplama gücü gerekir. Kötü tasarlanan kanatlarla yapılan analizler tasarım sürecinde önemli zaman kayıplarına neden olur. Bir boyutlu tasarım yöntemleri kullanılarak kanat geometrilerinin oluşturulması zaman kayıplarının önüne geçer. Bu sebeple bu yöntemlerin geliştirilmesi her zaman önemli olmuştur. Ancak bu yöntemlerin doğru hesaplamalar yapabilmesi için deneylerle desteklenmesi gerekir. Tarihsel olarak bu deneyler iki boyutlu hareketsiz kanat şekilleriyle başlamıştır. Daha sonra dönen kanatların kullanıldığı gelişmiş deney düzenekleri oluşturulmuştur. Bu deneylerden elde edilen verilerle kompresör akışı hakkında daha fazla bilgi sahibi olunmuş ve kayıp hesaplamaları için empirik korelasyonlar oluşturulmuştur. Kompresörün kanat yüksekliği boyunca değişen akış özelliklerinin modellenmesi önemlidir. Bu sebeple radyal denge denklemlerini kullanan gelişmiş orta çizgi tasarım yöntemleri gelişmiştir. Bu tezin amacı bahsedilen gelişmiş orta çizgi tasarım yöntemlerini kullanarak eksenel kompresör tasarım ve kanat profili oluşturma programı geliştirmektir. Empirik kayıp korelasyonları kullanılarak verimin ve diğer akış parametrelerinin daha doğru hesaplanması ve üç boyutlu analizler için daha iyi tasarlanmış kanat profillerinin kullanılması hedeflenmiştir. Gerekli literatür araştırmaları yapılarak kayıp hesaplamaları için gerekli olan empirik denklemler derlenmiştir. Benzer tasarım programları incelenmiş ve hesaplama döngüleri araştırılmıştır. Eksenel kompresör tasarımı için kullanılan en önemli denklem Euler turbomakina denklemidir. Bu denklem sayesinde akışa verilen enerji hız bileşenleri şeklinde hesaplanır ve kanat açıları oluşturulur. Hız bileşenlerinden hız üçgeni oluşturulur. Termodinamik denklemler kullanılarak toplam basınç, toplam sıcaklık, statik basınç, statik sıcaklık, yoğunluk, Mach sayısı gibi akış parametreleri belirlenir. Süreklilik denklemi kullanılarak kompresör akış yolu çapları belirlenir ve kompresör boyutlandırılır. Teğetsel hız dağılımı kanat yüksekliği boyunca istenilen iş dağılımına göre belirlenir. Radyal denge denklemleri kullanılarak teğetsel hız dağılımına bağlı olarak eksenel hız dağılımı hesaplanır. Kompresör kanat profili oluşturmak için kanat açılarının belirlenmesi gerekir. Kanat açıları giriş ve çıkış akış açılarından sapma açıları çıkarılarak bulunur. Sapma açıları için deneylerden elde edilen empirik denklemler kullanılır. Daha sonra kanat profil tipi seçilerek ve kalınlık bilgileri girilerek kompresör kanat yüzeyleri oluşturulur. Toplam basınç kayıplarını hesaplamak için kullanılan empirik denklemlerde kayıplar kaynaklarına göre sınıflandırılır. Bunlar profil kayıpları, sınır duvar kayıpları ve şok kayıplarıdır. Profile kayıplarını hesaplamak için sınır tabaka momentum kalınlığı kullanılır. Bu parametre kanat üzerindeki yavaşlamanın bir ölçüsü olan difüzyon katsayısı ile ilişkilendirilmiştir. Sınır duvar kayıpları ise akış yolu sınır tabakasının özellikleri üzerinden hesaplanır. Şok kayıpları ise giriş Mach sayısına ve kanat geometrisine bağlıdır. Kompresör tasarım programı Python programlama dili kullanılarak oluşturulmuştur. Tasarım kodunda yukarda bahsedilen denklemler kullanılmıştır. Tasarım kodu için gerekli girdiler sınır koşulları ve tasarım tercihleri olarak ikiye ayrılabilir. Sınır koşulları istenilen debi, toplam basınç oranı, giriş havası toplam basınç ve sıcaklığı, giriş açısı olarak sıralanabilir. Tasarım tercihleri ise katılık, en boy oranı, hücum ve firar kenarı kalınlıkları, maksimum kanat kalınlığı ve yeri, kanat ucu açıklığı, toplam basınç dağılımı olarak özetlenebilir. Programda kullanılan yöntem bir boyutlu orta çizgi yöntemidir. Bu hesaplamalar seçilen sayıda akış çizgisi üzerinde kanat yüksekliği boyunca yapılır. Bu sayede akış parametrelerinin radyal eksen boyunca değişimi hesaplanmış olur. Hesaplamalar her bir kademe için toplam basınç dağılımının belirlenmesi ile başlar. Daha sonra sabit kanatlar için basınç kaybı tahmin edilir. Bu sayede döner kanat için gerekli basınç oranı bulunmuş olur. Döner kanat için kayıp katsayısı tahmini yapılır ve hız üçgenleri oluşturulur. Kanat ve akış yolu boyutları belirlenir. Bu sayede kayıplar empirik denklemlerle hesaplanır. Döner kanat için kayıp katsayısı tahmini güncellenir ve yakınsama sağlanana kadar süreç devam eder. Döner kanat için hesaplamalar bitince çıkış akış parametreleri sabit kanat için giriş parametreleri olarak kullanılır. Sabit kanat profili belirlenir ve kayıp katsayısı hesaplanır. Kayıp katsayı değişimi belirlenen değerin altına düşene kadar hesaplamalar devam eder. Yakınsama sağlanınca kademe tasarımı tamamlanır. Kanat geometrilerinin hesaplanması için çeşitli yöntemler tasarım koduna eklenmiştir. Bunlar NACA 65 serisi kanat profili, ikili çembersel eğri (DCA) profili ve çoklu çembersel eğri (MCA) profili olarak sıralanabilir. Ayrıca parabolik ve çembersel eğriler üzerine kalınlık dağılımı eklenerek çeşitli kanat geometrileri hesaplanabilir. Kanat geometrileri iki boyutlu olarak hesaplandıktan sonra profillerin ağırlık merkezi belirlenir. Kanat profili belirlenen ağırlık merkezi etrafında giriş kanat açısı eşit olana kadar kadar döndürülür. Daha sonra döndürülmüş iki boyutlu kanat geometrileri seçilen yerleştirme ekseni boyunca sıralanarak üç boyutlu kanat profili oluşturulur. Oluşturulan kanat profilleri yarıçaplarına göre belirlenen akış konilerinin üzerine yerleştirilir ve üç boyutlu kanat geometrileri son halini almış olur. Kanat geometrileri radyal yönde istenilen sayıda oluşturulabilir. Tasarım kodu çıktı olarak kartezyen koordinatlarda bir nokta bulutu verir. Bu nokta bulutu ANSYS Turbogrid programı ile ağ yapısı oluşturmak üzere kullanılabilir. Daha sonra CFX programı ile üç boyutlu hesaplamalı akışkanlar analizleri yapılabilir. Tasarım programını doğrulamak için Concepts NREC firmasının ticari yazılımı olan Axial ve Axcent programları kullanılmıştır. Axial programı akış parametrelerini doğrulamak için kullanılırken, Axcent programı oluşturulan kanat geometrilerinin doğruluğunu sınamak için kullanılmıştır. Doğrulama için Axial programında seçilen tek kademe kompresör tasarımı kullanılmıştır. Seçilen kompresör gerekli parametreler girdi olarak kullanılarak tasarım kodunda modellenmiştir. İlk olarak kayıp katsayıları her iki programda da aynı olarak kullanılarak akış parametreleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda tasarım kodunun akış parametrelerini doğru olarak hesaplandığı görülmüştür. Daha sonra kayıp katsayıları tasarım kodunun denklemleri ile hesaplanmıştır ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Kanat uç kısmında görülen kayıp katsayısı farklılıklarına rağmen tasarım kodu ticari kod ile yakın sonuçlar vermiştir. Empirik kayıp denklemleri test sonuçlarına göre kalibre edildiğinde tasarım programının daha yakın sonuçlar vereceği öngörülmüştür. Oluşturulan kanat geometrileri ticari program ile oluşturulan kanatlarla yüksek oranda benzerlik göstermektedir. Tez kapsamında eksenel kompresör akış yolu tasarımı ve kanat profili oluşturma programı geliştirilmiştir. Tasarım programı ticari program ile doğrulanmıştır. Oluşturulan program gaz türbinleri ve jet motorlarının eksenel kompresörlerinin tasarımında kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Axial compressors are used in a wide range of applications like jet engines, ground gas turbines, and auxiliary power units. The primary function of axial compressors is increasing the pressure of the working fluid. Different design methodologies can be used for modelling axial compressors. Compressor design generally starts with one dimensional mean line calculations which is a fundamental component of the axial compressor design process. It provides essential insights before more complex calculations since flawed one-dimensional designs can compromise the effectiveness of subsequent CFD analyses. The purpose of this thesis is to develop a comprehensive axial compressor preliminary design tool that estimates aerodynamic performance and generates blade geometry for 3D CFD simulations. Python programming language is used to develop the axial compressor design tool. Euler turbomachinery equation and continuity equation are used to create compressor flow path and velocity triangles according to defined boundary conditions and design choices. Designers can check the violation of design limitations by using flow and design parameter outputs of the design tool. Axial velocities in the radial direction are calculated according to the radial equilibrium equation. Empirical loss correlations are integrated to provide a more accurate prediction of the compressor efficiency. Minimum loss incidence and deviation angle correlations are used to calculate blade angles. Axial compressor blade geometry generation process starts with 2D blade profiles. They are created by using either standard NACA profiles or a predefined thickness distribution with a selected camber line generation method. Wennerstrom thickness distribution and NACA 65 series thickness distribution are formulated in the tool. Parabolic and circular camber line generation methods are implemented in the design tool. Double circular arc and multiple circular arc blade profile generation methods are also implemented. 3D blade profiles are created by stacking 2D blade profiles using a defined stacking curve. Point cloud 3D blade profile data is given as an output by the design tool for ANSYS CFX software to perform 3D CFD calculations. Calculation methods are validated by using the Concepts NREC's commercial software Axial which has available axial compressor cases. Results show that the created design tool can accurately predict axial compressor performance and generate blade profiles to perform 3D CFD simulations.
Benzer Tezler
- Yüksek basınç türbinleri için kayıp terimleri doğrulanmışbir boyutlu tasarım kodunun geliştirilmesi
Development of a meanline design tool specialized forhigh pressure turbine with corrected loss system
MUHAMMET ENSAR YAZGAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Gaz türbini kanat ucu geometrisinin aerodinamik ve ısıl optimizasyonu
Aerothermal optimization of axial gas turbine blade tip geometry
HIDIR MARAL
Doktora
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Bileşik analiz metoduyla tubular yanma odası metal sıcaklığı hesaplanması
Calculation of can type combustion chamber metal temperature using coupled analysis method
TÜMERKAN VURAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Radyal pompa çarkları içerisindeki üç boyutlu sürtmeli ve sürtmesiz akışın sayısal analizi
Full 3D viscous and inviscid analysis of flow in radial pump impelleri
AŞKIN KARAKAS
- Development of an automatic design and analysis tool for axial compressors
Eksenel kompresörler için otomatik bir tasarım ve analiz aracının geliştirilmesi
NECMETTİN ANIL KÜNDEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET HALUK AKSEL
YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR UĞRAŞ BARAN