خلاصه تحقیق مقاله مطالعه پارامتری و بهبود عملکرد پروانه کمپرسور گریز از مرکز یک موتور توربوشفت با استفاده از حل عددی سه بعدی
چکیده
در این پژوهش، پروانه کمپرسور گریز از مرکز متعلق به یک موتور توربوشفت مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای این منظور، ابتدا مشخصات هندسی آن به طور دقیق اندازه‌گیری شده و سپس در محیط تولید پره‌ی نرم‌افزار انسیس[1] مدل‌سازی سه بعدی صورت می گیرد. سپس هندسه تولید شده در بخش تولیدمش[2]، شبکه‌بندی شده و با اعمال شرایط مرزی موجود از عملکرد موتور، در محیط سی‌اف‌ایکس[3] مورد بررسی و تحلیل عددی قرار می‌گیرد. نتایج بدست آمده از این تحلیل عددی به صورت منحنی‌های نسبت فشار و بازده کمپرسور به ازای دبی جرمی‌های مختلف ارائه می‌گردند. پس از بررسی استقلال حل عددی از شبکه تولید شده، به بررسی تأثیر برخی از پارامترهای هندسی موثر بر عملکرد کمپرسور نظیر پروفیل صفحه نصف‌النهاری، طول محوری پروانه، زاویه مماس ورودی و خروجی طوقی، موقعیت و زاویه ورودی تیغه جداکننده و فاصله لقی بین پروانه و طوقی پرداخته میشود. در انتها با بررسی تأثیر تغییرات هندسی روی منحنی‌های عملکردی کمپرسور و انتخاب نقطه کاری بهینه، کمپرسوری با نسبت فشار و بازده بالاتر ارائه می‌گردد. در کمپرسور اصلاح شده، نسبت ناحیه شعاعی پروانه به کل پروانه 22/0، زاویه انتهایی دیواره طوقی با راستای قائم برابر 6 درجه و طول محوری پروانه به میزان 5 میلی‌متر افزایش یافته است. با در نظر گرفتن این اصلاحات، بازده کمپرسور به میزان 4/2 درصد و نسبت فشار به میزان 1 درصد افزایش یافته است.
مقدمه
کمپرسورهای گریز از مرکز از گذشته‌های دور در واحدهای توربین گازی کوچک، صنایع گاز و پتروشیمی، موتورهای هوایی و توربوچارجرها بکار رفته است. با توجه به کاربردهای فراوان این نوع کمپرسورها، مطالعه‌ی میدان جریان در داخل پروانه به منظور شناسایی افت‌ها و نیز تلاش در راستای بهبود عملکرد کمپرسور گریز از مرکز امری ضروری می‌باشد. از طرفی جریان هوا در کمپرسورهای گریز از مرکز نسبت به کمپرسورهای محوری تا 90 درجه می‌چرخد و کاملاً سه‌بعدی می‌باشد. علاوه بر این، وجود جریان تراکم پذیر لزج از ویژگی‌های جریان داخلی توربوماشین‌ها می‌باشد. این ویژگی‌ها همراه با هندسه پیچیده پرهها باعث مشکل شدن بررسی جریان میشود. برای ارزیابی یک کمپرسور گریز از مرکز و بهینه سازی آن، آگاهی از موقعیت به وجود آمدن افت‌ها و مکانیزم تولید آنها اساساً مورد نیاز می‌باشد. بعد از کسب اطلاعات لازم در مورد افت، مرحله بعد اصلاحات هدفمند روی قسمت‌های مربوطه می‌باشد.
معمولاً طراحی کمپرسورهای گریز از مرکز با اتکا به یک سری روابط آماری و تجربی، هنوز هم به صورت تجربی انجام می‌گیرد. اما این روش‌ها فقط برای طراحی ابعاد اصلی، منطقی به نظر می‌رسد، زیرا برای تعیین هندسه کامل پروانه و محفظه، لازم است پارامترهای مرتبه دوم زیادی انتخاب شوند. این انتخاب‌ها تحت یک سری معیارهای بهینه سازی مانند جریان یکنواخت، بهبود بازده و یا بهبود نوسانات فشار انجام می‌گیرد. در سال‌های اخیر طراحی و تحلیل عملکرد توربوماشین‌ها به واسطه افزایش قدرت کامپیوترها و دقت روش‌های عددی، پیشرفت قابل توجهی پیدا کرده است. ترکیب روش‌های عددی و اندازه‌گیری‌های تجربی، ابزار مکملی برای شبیه سازی میدان جریان و بدست آوردن منحنی مشخصه توربوماشین‌ها به وجود آورده است.
اخیراً چندین نویسنده بنام‌های پاسراچر و وندر برایمباسچه[4] [1]، کراورو[5] [2]، اسلوتمن و همکاران[6] [3] و گوتو[7] و همکاران [4] از روش‌های ترکیبی برای طراحی و تحلیل توربوماشین‌ها استفاده کرده‌اند. اغلب این روش‌ها، از ترکیب تحلیل عملکرد یک بعدی با روش‌های شبه سه بعدی برای طراحی هندسه کمپرسور استفاده می‌کنند. در نهایت، هندسه طراحی شده توسط شبیه سازی سه بعدی به صورت عددی مورد بررسی قرار می‌گیرد تا از صحت روش طراحی، اطمینان کامل حاصل شود.
گنزالز و فرناندز[8] توانائی مدل‌سازی عددی در مدل کردن جریان غیر دائم دوار داخل پمپ شعاعی همراه با جمع کننده را توسط نرم افزار فلوئنت ارائه کردند[5]. آنها از تکنیک مش لغزنده[9] برای مدل کردن سطح مشترک بین پروانه و جمع کننده بهره جستند. نتایج مدل‌سازی عددی با نتایج تجربی مقایسه شده که تطابق بسیار خوبی با یکدیگر نشان می‌دهند. آنها با استفاده از حل عددی، افتهای دینامیکی و نیروهای وارد شده به پرهها را براساس حل ناپایدار بدست آوردند.
کویدری[10] و همکاران مدل‌سازی یک پمپ و جمع کنندهی آن را توسط کد سه بعدی CFX انجام دادند. ابتدا، پروانه با مش باسازمان مدل‌سازی شده و به صورت سه بعدی تحلیل عددی شد. سپس تحلیل حساسیت نسبت به گرید و مدل آشفتگی انجام گرفت[6]. آنها از مدل‌های ، و برای مدل آشفتگی استفاده کردند و نشان دادند که اختلاف نتایج این سه مدل آشفتگی بسیار ناچیز است. مدل نهایی پروانه برای تحلیل شبه دائم پروانه به همراه جمع کننده بکار رفت. آنها از تکنیک مش لغزنده برای مدل کردن سطح مشترک بین پروانه و جمع کننده استفاده کردند. این شبیه سازی برای چند پروانه و محفظه مختلف صورت گرفت.
گو و همکارانش[11][7]، موگلی[12] و همکارانش [8] و کراورو و مارینی[13] نزدیکی بین نتایج شبیه‌سازی عددی توربوماشین‌ها و نتایج تجربی را اثبات کرداند[9]. آنها با حل جریان به صورت پایا و ناپایا به بررسی تاثیر تغییر پارامترهای هندسی بر روی پمپ، دیفیوزر و... پرداختند.
زنگنه و هاترونی[14] با مطالعات گسترده بر روی کمپرسورهای گریز از مرکز و با استفاده از روش طراحی معکوس توانستند بازده و محدوده‌ی عملکرد کمپرسور گریز از مرکز را افزایش دهند[10].
نیلی[15] و همکارانش [11] تحلیل عددی سه بعدی میدان جریان در کمپرسور گریز از مرکز یک توربو چارجر را انجام داده و منحنی عملکرد آن را استخراج کردند . سپس منحنی عملکرد حاصل از نتایج عددی را با نتایج تجربی اعتبار سنجی کردند.
بورگبرو و لی پاپی[16] [12] بهینه‌سازی آیرودینامیکی یک کمپرسور گذر صوتی را با استفاده از ترکیب حل کنندهی شبه سه بعدی معادله ناویراستوکس و الگوریتم ژنتیک انجام دادند. آنها سطح مکش یک پره دو بعدی را با هدف ایجاد آنتروپی یکنواخت بهینه سازی کردند.
هیلدربرنت[17] و همکاران [13] طراحی آیرودینامیکی یک پروانه کمپرسور گریز از مرکز با سرعت ویژه پائین را به همراه تحلیل آیرودینامیک آن انجام دادند. آنها تأثیر طراحی آیرودینامیکی را روی افزایش بازده پروانه و بهبود جزئیات جریان داخلی از جمله جریان ثانویه بررسی کردند.
در این پژوهش، اثر تغییر پارامترهای هندسی پروانه نظیر پروفیل صفحه نصف‌النهاری، طول محوری پروانه، زاویه مماس ورودی و خروجی طوقی، موقعیت و زاویه ورودی تیغه جداکننده و فاصله لقی بین پروانه و طوقی روی عملکرد کمپرسور با استفاده از تحلیل عددی مورد بررسی قرار می گیرد. سپس، سعی میشود با انتخاب مقادیر بهینه این پارامترها، عملکرد کمپرسور بهبود یابد.
2-مدل‌سازی و تحلیل عددی پروانه کمپرسور
در این پژوهش، ابتدا پره‌های کمپرسور گریز از مرکز موجود توسط وسایل اندازه‌گیری، اندازه گرفته شده و اطلاعات لازم جهت تولید هندسه محاسبه میشود. از جمله موارد اندازه‌گیری شده و اطلاعات مورد نیاز برای مدل‌سازی پره‌های کمپرسور گریز از مرکز در جدول 1 آورده شده است. در شکل‌های شماره 1 و 2 تصاویر گرفته شده از کمپرسور گریز از مرکز موجود در محیط آزمایشگاه نشان داده شده است.
شکل1- تصویر از بالای کمپرسور گریز از مرکز
(شکل در فایل اصلی قرار دارد.)
شکل2- تصویر از کنار کمپرسور گریز از مرکز
(شکل در فایل اصلی قرار دارد.)
جدول1: مشخصات پره کمپرسور گریز از مرکز
| ردیف |
پارامترهای اندازه گیری شده |
مقدار |
| 1 |
قطر ورودی توپی (D1h) |
mm 7/112 |
| 2 |
قطر ورودی نوک پره (D1s) |
mm 160 |
| 3 |
زاویه ورودی پره در نوک(B1) |
°63 |
| 4 |
قطر خروجی پروانه (D2) |
mm 237 |
| 5 |
زاویه خروجی پروانه (B2) |
°90 |
| 6 |
عرض خروجی پروانه |
mm 7/8 |
| 7 |
فاصله گپ بین پره و پوسته (S) |
mm 1 |
| 8 |
فاصله محوری ورودی پره از تیغه جداکننده |
mm 24 |
| 9 |
تعداد پره (Z) |
16 |
| 10 |
تعداد تیغه جداکننده |
16 |
| 11 |
طول محوری کمپرسور (L) |
mm 9/51 |
| 12 |
ضخامت پره از mm 1تا mm 2 به صورت خطی متغیر |
| 13 |
اندازه گیری ارتفاع پره از توپی تا طوقی در8 مقطع (h) |
| 14 |
پروفیل دیواره طوقی پروانه |
| 15 |
پروفیل مقطع پره به پره در مقطع طوقی پروانه |
1-2- مدل سازی کمپرسور گریز از مرکز
در این بخش با انجام عملیات ریاضی و نیز انجام محاسبات بر روی داده‌های بدست آمده، مدل‌سازی پره در محیط تولید پره نرم افزار انسیس انجام میشود. سپس هندسه تولید شده در محیط تولید مش به صورت باسازمان و با روش H/J/C/L-Grid شبکه بندی میشود. در پایان، با قرار دادن شرایط مرزی مسئله، جریان داخل کمپرسور مورد تحلیل قرار می گیرد. به منظور حل دقیق جریان سیال نزدیک دیواره‌های پروانه، از شبکه ریز در نزدیک دیواره‌ها استفاده میشود به طوری که مقدار y+ برابر 6 و فاصله اولین گره تا دیواره برابر6-10 متر درنظر گرفته میشود. برای بررسی تعداد مناسب سلولها، استقلال حل از شبکه بررسی میشود. برای کنترل کیفیت شبکه بندی پرهها، پارامترهای بسیاری از جمله انتخاب مقدار عددی y+ نزدیک دیواره‌ها بر اساس مشخص نمودن عدد رینولدز، قرار دادن مقدار عددی اندازه ماکزیمم نسبت رشد[18]، مینیمم زاویه سطوح سلولها[19] در محدوده مجاز صورت گرفته است. محدوده مجاز برای شبکه بندی پرهها مقدار ماکزیمم نسبت رشد برابر 100، مقدار ماکزیمم زاویه سطوح 165 درجه و مینیمم زاویه سطوح[20] 15 درجه در نرم افزار درنظر گرفته شده است.
در شبکه بندی این کمپرسور مقدار y+ برابر 6، ماکزیمم نسبت رشد برابر 50، مقدار ماکزیمم زاویه سطوح 153 درجه و مینیمم زاویه سطوح 13 درجه لحاظ شده است. در شکل شماره 3 و 4 شبکه بندی پره‌های کمپرسور نمایش داده شده است.
فهرست تحقیق مقاله مطالعه پارامتری و بهبود عملکرد پروانه کمپرسور گریز از مرکز یک موتور توربوشفت با استفاده از حل عددی سه بعدی
فهرست:
ندارد.
منبع:
[1] Passrucker, H., & Van den Braembussche, R. (2000), Inverse Design of Centrifugal Impellers by Simultaneous Modification of Blade Shape and Meridional Contour. ASME Turbo Expo, Munich, Germany.
[2] Cravero, C. (2002), A Design Methodology for Radial Turbomachinery. Application to Turbines and Compressors," in Proc. ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting (FEDSM '02), Montreal, Quebec, Canada, paper FEDSM2002-31335.
[3] Sloteman, D. and Saad, A. and Cooper, P. (2001) , Design of Custom Pump Hydraulics Using Traditional Methods, in Proc. ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting (FEDSM'01), New Orleans, La, USA, paper FEDSM2002-18067.
[4] Goto, A. and Nohmi, M. and Sakurai, T., (2002) , Hydrodynamic Design System for Pumps Based on 3-D CAD, CFD, and Inverse Design Method, Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 124, 2, pp.329-335.
[5] Gonzalez, J., Fernandez, J., Blanco, E., Santolaria, C. (2002). Numerical Simulation of the Dynamic Effects due to Impeller-Volute Interaction in a Centrifugal Pump. Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Fluids Engineering , 124(2), 348-355.
[6] Kouidri, S., and Asuaje, M., (2005) , "Numerical Modelization of the Flow in Centrifugal Pump: Volute Influence in Velocity and Pressure Fields," International Journal of Rotating Machinery, Vol. 3, pp. 244-255.
[7] Gu, F., Engeda, A., Cave, M., & Di Liberti, J. L. (2001). A Numerical Investigation on the Volute/Diffuser Interaction due to the Axial Distortion at the Impeller Exit. Journal of fluids engineering, 123(3), 475-483.
[8] Mugli, F., Holbein, P. and Dupont, P. (2001) , "CFD Calculation of a Mixed Flow Pump Characteristic from Shut-off to Maximum Flow," in Proc. ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting (FEDSM'01), New Orleans, LA, USA, paper FEDSM2001-18072.
[9] Cravero, C., & Marini. (2002) ," Modeling of Incompressible Three-Dimensional Flow in Rotating Turbomachinery Passages,". In Proc. ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSM'02), Montreal, Quebec, Canada, paper FEDSM-31177.
[10] Zangeneh, M., & Hawthrone, W. R. (1990). , A Fully Compressible Three Dimensional Inverse Design Method Applicable to Radial and Mixed Fflow Turbomachines. In ASME, International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, 35 th, Brussels, Belgium.
[11] Nili-Ahmadabadi, M., Hajilouy-Benisi, A., Durali, M., & Ghadak, F. (2008). Investigation of a Centrifugal Compressor and Study of the Area Ratio and Tip Clearance Effects on Performance. Journal of Thermal Science, 17(4), 314-323.
[12] Burguburu, S., & le Pape, A. (2003). Improved aerodynamic Design of Turbomachinery Bladings by Nnumerical Optimization. Aerospace science and technology, 7(4), 277-287.
[13] Hildebrandt, A., Franz, H. & Jakiel, C. (2011). Numerical Analysis of Effects of Centrifugal Compressor Impeller Design on Overall and Flow Field Performance. ASME 2011 Turbo Expo, paper no. GT2011-45014, pp. 1833-1843.
[14] Basson, A., & Lakshminarayana, B. (1995). Numerical Simulation of Tip Clearance Effects in Tturbomachinery Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Turbomachinery
, 117, 348-348.
[15] Inoue, M., & Kuroumaru, M. (1989). Structure of tip Clearance Flow in an Isolated Axial Compressor Rotor. Journal of turbomachinery, 111(3),250-256.
[16] Japikse, D. (1996). Centrifugal Compressor Design and Performance(Book). Wilder, VT: Concepts ETI, Inc, 50561.