Numerical modeling and analysis of surgecharacteristics in two-spool turboshaft enginecentrifugal compressor
Radyal kompresörlü iki şaftlı turboşaft motordadalgalanmanın numerik modellenmesi
- Tez No: 998985
- Danışmanlar: PROF. DR. ERKAN AYDER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Makine mühendisliği, Mechanical engineering
- Yıl: 2026
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Gaz türbinli motorlar farklı koşullarda (farklı sıcaklık, irtifa ya da ileri hız gibi) çalışabilen motorlardır ve performanslarını etkileyen çok fazla parametre bulunmaktadır. Motorun performansını görebilmek için her koşulda farklı testler yapmak ve performans parametrelerinin bu testlerdeki değişimlerini gözlemlemeye çalışmak oldukça maliyetlidir. Bu nedenle gaz türbinli motorların nümerik modellemesi ve bazı fenomenlerin bu modeller üzerinden yorumlanması gün geçtikçe önem kazanmıştır. Turboşaft konfigürasyonundaki motorlar bir şaft aracılığıyla hedeflenen gücü veren gaz türbinli motor çeşididir. Bu motorlarda kompresör havayı basınçlandırır ve yanma odasına gönderir. Fakat kompresöre gelen havanın kararlılığı yabancı madde girişi, hava olayları, hızlanma gibi nedenlerden dolayı bozulabilir. Bu durumda hava kompresör kanatçıklarına tamamen tutunamaz ve akış ayrılmaları meydana gelmeye başlar. Oluşan akış ayrılmaları sonucunda kompresörün bazı bölgelerinde farklı karakterlerde durma hücreleri oluşur ve bu durma hücreleri rotor hızından düşük hızda dönmeye başlar. Durma hücreleri çevresel olarak asimetriklerdir. Kararsızlık şiddetlendiğinde kompresörde simetrik olan dalgalanma karakteri görülebilir. Kütlesel debi değişimleri ve frekanslarına göre dalgalanmanın farklı çeşitleri vardır. Bunlardan birisi derin dalgalanmadır. Dalgalanmada ilk olarak kompresör debisi azalırken, basınç oranı artmaya başlar. Dalgalanma noktasına geldikten sonra kompresör havayı daha fazla basınçlandıramaz ve çıkış basıncı aniden azalmaya başlar. Bu durumda kompresör, yanma odasına gönderilen yüksek basınçlı havayı yenemez ve yanma odasındaki hava motorun önüne doğru gider. Bu duruma ters akış adı verilir. Kompresör daha sonra iyileşir ve havayı basınçlandırmaya devam eder. Dalgalanmaya neden olan etmen kaldırılmadıkça bu döngü tekrarlanır. Her bir döngüye dalgalanma döngüsü ve döngünün süresine döngü süresi denir. Kararsızlık durumunu belirten B (kararlılık parametresi) ismi verilen parametre değeri çok yüksek olduğunda dalgalanma karakteri kompresör karakterini takip eder. Yani çıkabileceği maksimum basınç oranı kompresör tarafından sınırlandırılır. Bu durumda döngünün süresini basınç oranı çok değişmeden kütlesel debinin ani değişim yaşadığı süreç ve basınç değişimlerinin yaşandığı bölgeler belirler. Derin dalgalanma, motorda basınç dalgalanması nedeniyle hız değişikliklerine ve titreşimin artmasına neden olur. Bu yüzden sızdırmazlık elemanları, şaft ya da diğer mekanik elemanlar zarar görebilir. Ayrıca yanma odasında anlık debi azalışı nedeniyle türbin giriş sıcaklıkları artar ve motorun girişine giden sıcak gaz nedeniyle ön taraftaki elemanlar yüksek sıcaklık kaynaklı hasar alabilir. Bu nedenle kompresör ya da motor tasarımı sürecinde ve motorun kontrolcüsünün bu döngüye karşı alabileceği önlemlerin ve bu önlemlerin ne kadar sürede alınması gerektiği belirlenirken dalgalanma durumunun model çıktıları önemlidir. Çalışmanın ilk amacı derin dalgalanma durumunda basınç genliği değişmese de dalgalanma döngü süresinin etkilendiği parametreleri ve etkilenme ağırlıklarını belirlemektir. Diğer bir amacı ise turboşaft motorunun nümerik motor modeline hacim ve kanal yapıları ekleyerek derin dalgalanma durumunun simüle edilerek motorda oluşturabileceği etkileri gözlemlemektir. Ayrıca oluşturulan ve farklı kabullere dayanan modellerde oluşturulan derin dalgalanma karakterlerinin süreleri karşılaştırılmıştır. Bu çıktıların elde edilmesini sağlayan farklı nümerik modelleme yöntemleri vardır. Bu çalışmada Greitzer modelleme yöntemi ile hacim ve kanal sistemleri ile oluşturulan modelleme yöntemi ele alınmıştır. Her iki modelleme yönteminde de kompresör haritası standart eşleşme modellerinde kullanıldığı gibi kullanılamamaktadır. Ters akış bölgesinin modellenebilmesi için kompresör haritasının dalgalanma noktasından sonrasına, negatif debiye kadar götürülmüştür. Oluşturulan ilk model olan Greitzer model temelde kompresör, kompresör arkasında bulunan hacim ve basınç düşümü görevi gören valften oluşur. Bu modelde sıcaklık sabit ve sıkıştırma işlemi izentropik olarak kabul edilmiştir. Yerçekimi etkileri ihmal edilmiştir. Sıkıştırılamaz, tek boyutlu akış rejimi ve viskoz olmayan akışkan kabulü yapılmıştır. Ayrıca kompresörün arkasında bulunan hacim içerisindeki basınç düzgün bir dağılıma sahiptir. Bu modelde öncelikle derin dalgalanma karakteri korunacak şekilde farklı parametrelerin dalgalanma döngü süresi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Kompresörün içerisinde bulunduğu kanalın uzunluğu, derin dalgalanma karakterine etkisinin gözlemlendiği parametrelerdendir. Bu kanalın uzunluğu artıkça dalgalanma döngüsünün süresinin arttığı gözlemlenmiştir. Kanal uzunluğunun artması, kompresör arkasındaki hacimdeki debinin boşaltılması esnasında oluşan direnci artırır ve dalgalanma döngüsünün süresinin uzamasına, bir diğer deyişle döngünün frekansının azalmasına neden olur. İncelenen bir diğer geometrik parametre kompresör kanal alanıdır. Kompresör kanal alanı artıkça dalgalanma döngü süresinin azaldığı görülmüştür. Kompresörün arkasında bulunan hacmin boyutunun değiştirilmesinin dalgalanma döngüsünün süresine olan etkisi gözlemlenmiştir. Hacim değeri artıkça dalgalanma döngü süresinin arttığı görülmüştür. Hacim artıkça kompresör arkasında biriken hava artar ve gerekli basınç değişiminin yaratılması için geçen süre daha uzun sürer. Sistemdeki valfin açıklık oranı da sistemden debi geçişini etkilediği için derin dalgalanma süresine etkisi gözlemlenmiştir. Valf açıklığı azaldıkça döngü süresinin arttığı gözlemlenmiştir. Fakat valf açıklığı bir noktaya kadar arttıktan sonra döngü süresinde hafif bir artıştan sonra sabit kaldığı gözlemlenmiştir. Kompresör haritası oluşturulurken, sıfır kütlesel debi noktasına karşılık gelen basınç yükselişini veren iki eşitlik kullanılmıştır. Bu eşitlikler sıfır kütlesel debi noktasında kayıpları göz önünde bulundurma durumlarına göre ayrılmışlardır. Her iki kompresör haritası ile oluşturan model sonuçları incelendiğinde farklı kompresör haritası uzatma yöntemlerinin dalgalanma döngü süresine olan etkisinin yadsınamaz olduğu gözlemlenmiştir. Her iki harita üzerinden hızın döngü süresine olan etkisi de gözlemlenmiştir. Her iki sonuçta da hız artıkça döngü süresi artmaktadır fakat artış oranları aynı değildir. Buna karşılık iki harita elde edilen sonuçlarda da hız artıkça dalgalanma esnasında meydana gelen basınç değişimi artsada yine basınç değişim oranları aynı değildir. Turboşaft motorunun nümerik modelinde derin dalgalanma durumunun gözlemlenebilmesi için öncelikle, çeşitli koşullar altında motor performansını analiz etmek için tasarım dışı hesaplamalı model uygulaması oluşturulmuştur; bu modelleme algoritması, geçici özellikleri gözlemlemek için zamana bağlı hale getirilmiştir. Tasarım dışı modeli oluşturulurken Newton-Raphson nümerik yöntemi kullanılmıştır. Bu modelleme yapılırken yanma odasındaki basınç düşüşleri ve sönme zarfları göz önünde bulundurulmuştur. Ayrıca güç türbininin hızı sabit tutulmuştur. Daha sonra, hacim ve kanal sistemlerini modele entegre eden genişletilmiş bir model kodu yazılmıştır. Bu modelin oluşturulma amacı yüksek frekanslı bir fenomen olan dalgalanma olayının etkilerini model üzerinden gözlemleyebilmektir. Kanal yapısı içinde momentum korunum denklemi, hacim yapısı içinde ise kütle ve enerji korunum denklemleri çözülmektedir. Bu modelde Euler örtük yöntem kullanılmıştır. Bu modelde, standart eşleşme modellerinde kullanılan kompresör haritası bu modelde kullanılamamaktadır, bunun için kompresör haritası, kompresör çıkış özelliklerine göre elde edilen bu düzeltilmiş debiye karşılık çizilen basınç oranı haritası kullanılmıştır. Ayrıca derin dalgalanma durumunda düşük hızlarda ve düşük kütlesel debilerde verim haritasının kullanılması zor olduğundan tork haritaları hem kompresör hem de türbin için kullanılmıştır. Greitzer modelde kullanılmış olan negatif debiye uzatılmış olan kompresör haritası bu modelde de kullanılmıştır. Kompresörde ve yanma odasına gecikmeler eklenmiştir. Standart yöntemlerle oluşturulan tasarım dışı modeli ile hacim ve kanal yapıları ile oluşturulan model arasındaki farkların belirlenmesi için üç farklı kompresör hızında durağan durumda iki modelin arasındaki farklar karşılaştırılmış, farkların kabul edilebilir düzeyde olduğu görüldüğünde motor modelinde manevralar yaptırılarak karakterleri gözlemlenmiştir. Yöntem farklılığından gelen davranış farklılığı olsa da modelin ilk ve son noktaları arasında uyum gözlemlenmiştir. Aynı modelde yanma odasına fazla hava göndererek kompresör derin dalgalanma durumuna götürülmüş ve üç farklı hızda sonuç elde edilmiştir. Komponentler incelendiğinde fiziksel beklenti ile uyumlu sonuçlar elde edildiği görülmüştür. Model hareketine göre kompresör derin dalgalanma durumuna gittiğinde havayı daha fazla basınçlandıramamakta ve yanma odasındaki gaz motor önüne gönderilirken yanma odasındaki basınçla ile kompresör çıkışındaki basınç ciddi oranda azalmaktadır. Bu esnada kompresör debisinin de negatif kütlesel debiye gittiği görülmüştür. Buna karşılık yanma odasındaki havanın sıcak olması nedeniyle motorun girişinde sıcaklık artışına neden olmaktadır. Hıza bağlı olarak açıklanan bu değişimleri genlikleri değişmektedir. Yani daha yüksek hızlarda kompresör çıkışı ve yanma odası çıkışındaki basınç değişiminin genliği fazladır. Hacim kanal sistemiyle oluşan tüm motor modelinden elde edilen dalgalanma çevrim süresinin, toplu modelden elde edilen dalgalanma çevrim süresiyle uygunluğu üç hız için araştırılmıştır. Greitzer toplu modelinde valf açıklığı değiştirilerek, iki modelin sürelerinin uyumu sağlanmıştır. Bu durumda, basınç değişimleri arasındaki fark da azalmıştır. Sonuçlar incelendiğinde tam gelişmiş derin dalgalanma karakterinde basınç değişimi kompresör karakterine bağlı olduğu için değişmese de döngü süresinin çok etkilendiği bu yüzden çok yönlü değerlendirilmesi gerektiği görülmüştür. Eğer tasarım süresinde derin dalgalanmanın süresi değerlendirilmesi istenen tek etmen ise uygun parametreler ayarlandığında iki model arasındaki fark mertebe olarak kabul edilemez düzeyde değildir. Fakat turboşaft motorlarda derin dalgalanmanın diğer motor komponentleri üzerindeki etkisinin anlaşılabilmesi ve sürenin daha net belirlenebilmesi için yüksek frekanslı olayların gözlemlenebileceği motor modelinin oluşturulması gerekmektedir.
Özet (Çeviri)
Gas turbine engine modeling studies has become increasingly important since real engine test affected by changes of component parameters and varying environmental conditions resulting in repeated costly setups. One of modeling topics is simulation of surge and stall phenomena that effects are primary reasons of instability in a gas turbine engine which can cause severe consequences such as extreme vibration, temperature, reverse flow, performance degradation and engine damage if these effects are not recovered. Therefore, to understand the nature of compressor stall and surge, the numerical modeling methods used in the literature for different compressor types and engine configurations, and the agreement between these numerical models and tests, have been examined. The aim of this study is to determine the effects of surge on the engine model in turboshaft engines with a free power turbine with centrifugal compressors and to observe the effects of modeling methods and parameters based on different assumptions on the instability period in order to provide predictions during the design process. Firstly, the off-design computational model implementation was generated to analyze engine performance under diverse condition this modeling algorithm was made time-dependent to observe transient attribute. Then, an extended model code was written incorporating volume and duct systems into the model and after obtaining the transient character in this model post-stall characteristics were derived. The compressor map was extended to allow the compressor map to be used in the unstable region and similarly, the effects of instability on other engine components were added to the model. Additionally, a lumped model based on the Greitzer model is developed using the extended compressor map and the compressor characteristics in deep surge are obtained assuming a simple three-element system consisting of compressor, plenum, and throttle. In this model, stability is investigated using dimensionless parameters. Through the lumped model, the effects of varying compressor duct area (Ac), compressor duct length (Lc), plenum volume (Vp), speed, and valve opening values on surge amplitude and characteristics were observed. It was also found that compressor map extension methods altered the surge cycle time and pressure changes. As a result of the study, it was observed that in the deep surge condition following the compressor characteristic, the cycle time increased as the plenum volume and compressor duct length increased and the compressor duct area decreased. However, the greatest effect was observed to be from the plenum volume. In addition, it was observed that the duration decreased as the valve opening increased, but after a certain point, the cycle time first increased and then remained constant. Furthermore, the suitability of the surge cycle time obtained from the whole engine model which occured with volume duct system with the surge cycle time obtained from the lumped model was investigated. By changing the valve opening in the Greitzer lumped model, the agreement of the durations of the two models was ensured. In this case, the difference between the pressure changes also decreased. However, it was observed that the effect of speed on the cycle time was small in both models.
Benzer Tezler
- Nokta soğurucu tipi dalga enerjisi dönüştürücüsü dizilerinin hidrodinamik analizi
Hydrodynamic analysis of point absorber type wave energy converter arrays
İLKAY ÖZER ERSELCAN
Doktora
Türkçe
2017
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDİ KÜKNER
- Yıldırım elektromanyetik darbesinin yüksek gerilim hatları ı̇le doğrudan ve dolaylı etkileşiminin modellenmesi ve analizi
Modelling and analysis of direct and indirect interactions of lightning electromagnetic pulse with high voltage lines
TURAN ÇAKIL
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞÜKRÜ ÖZEN
- Elektrik enerji sistemlerinde güç kalitesi
Power quality in electrical energy systems
ALİ GEMİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. NESRİN TARKAN
- Dikey dairesel silindirik açık su havuzlarında hidrodinamik kuvvetler
Hydrodynamic forces for vertical axis circular cylinder containing a concertric cylindrical hole in finite depth
MÜKERREM ERTEN(İLKIŞIK)
- Su altı araçları için yeni geliştirilen hidrodinamik modelleme yöntemleri kullanılarak otonom bir su altı aracının hidrodinamik karakteristiğinin incelenmesi
Investigation of hydrodynamic characteristic of an auv by using new developed hydrodynamic modeling techniques for underwater vehicles
SERTAÇ ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Hava ve Uzay Hekimliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HAYRİ ACAR
PROF. DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU