مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی تاثیر نوع پروفیل پره بر عملکرد توربین گازی فراصوت در شرایط پذیرش جزیی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مکانیک، برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 گروه مهندسی هوافضا، دانشکده فنی و مهندسی، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران
چکیده
توربین‌های فراصوت کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف و سامانه‌های تولید توان از جمله توربین‌های گازی، پیش‌رانش فضایی، صنایع حمل و نقل سنگین و غیره دارند. به‌طور کلی این توربین‌ها زمانی به کار می‌روند که با وجود دبی جرمی اندک به کار ویژه‌ زیادی نیاز باشد. می‌توان در این توربین‌ها با استفاده از پره‌های فراصوت ضربه‌ای کار ویژه‌ بالایی به دست آورد. با وجود دبی جرمی اندک، ارتفاع پره‌ها و در نتیجه نسبت منظری کوچک است. به‌منظور کاهش اُفت‌های مرتبط با نسبت منظری کم این توربین‌ها در شرایط پذیرش جزیی به کار می‌روند؛ یعنی جریان سیال فقط از بخشی از ورودی روتور تزریق می‌شود. میزان درجه پذیرش جزیی و نوع پروفیل پره ضربه‌ای از ‌جمله عوامل موثر بر عملکرد این نوع توربین است. هدف کار حاضر بررسی تاثیر انواع پروفیل‌های پره‌ ضربه‌ای فراصوت بر عملکرد توربین است. در این کار ابتدا یک کد طراحی مقدماتی و پیش‌بینی عملکرد توربین توسعه داده شده و نتایج آن با آزمایش‌های تجربی ارزیابی شده است. براساس محاسبات کد طراحی، تعدادی پروفیل دوبعدی با استفاده از روش‌های مختلف طراحی پروفیل تولید و به‌صورت عددی تحلیل و ارزیابی شده‌اند. سپس، پروفیل‌هایی که نسبت به مدل اولیه عملکرد بهتری داشته‌اند در تحلیل عددی سه‌بعدی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. در این کار مشاهده شد که پارامترهای عملکردی مانند بازده، توان و گشتاور توربین در بهترین مدل انتخاب شده نسبت به مدل اولیه‌ هرکدام بیش از ۸% افزایش داشته‌اند. اُفت فشار سکون نیز حدود ۱۲% کمتر از مدل اولیه است و تحلیل کلی نتایج نشان‌دهنده‌ کارآیی برتر پروفیل منتخب است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Effect of Blade Profile on the Supersonic Gas-Turbine’s Performance under the Partial-Admission Conditions

نویسندگان English

M.M. Karimi 1
R. Aghaei Tough 2
M.H. Nobakhti 1
M.J. Montazeri 3
1 Mechanical Engineering Department, Mechanics, Electrical Power & Computer Faculty, Science & Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Aerospace Engineering Department, Engineering Faculty, Science & Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Aerospace Engineering Faculty, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The supersonic turbines are widely used in various industries and power generation systems, including gas turbines, space propulsion, heavy transport industries, and etc. In general, these turbines are used when a high specific work with a low fluid Mass flow is needed. It is possible to extract a high specific work from small height supersonic impulse blades in these turbines. To prevent losses due to the low blades aspect ratio, the turbine is used in partial-admission conditions; so that, the fluid flow is only fed from a part of the rotor. The degree of partial-admission and the type of blade profile are important factors that have significant effects on the turbine performance. The aim of this work is to design and investigate the effects of various types of impulse blade profiles on the turbine’s performance. A preliminary design code is developed in order to predict turbine performance. These results are evaluated using the experimental results. In the next step, using the calculation of design code, two-dimensional profiles are created using different design methods and numerically analyzed. Finally, the profiles that were better than the original model were studied by 3D numerical analysis. It was found that the performance parameters such as efficiency, power, and torque are increased by more than 8% in the selected best model, in comparison with the original model. Moreover, the total pressure loss is 12% decreased for the selected model. In general, the results show that the selected profile would have a superior performance.

کلیدواژه‌ها English

Supersonic Turbine
Partial-Admission
Blade Profile
Turbine’s Performance
Aghaei Togh R, Tousi AM. Experimental and numerical investigation of design optimization of a partial admitted supersonic turbine. Propulsion and Power Research. 2013;2(1):70-83. [Link] [DOI:10.1016/j.jppr.2013.01.001]
Fu C, Zou Z, Kong Q, Cheng H, Zhang W. Aerodynamic design and numerical analysis of supersonic turbine for turbo pump. International Journal of Turbo and Jet-Engines. 2016;33(3):239-252. [Link] [DOI:10.1515/tjj-2015-0028]
Dorney D, Griffin L, Huber F, Sondak D. Off-design performance of a multi-stage supersonic turbine. Proceeding of 41th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit; 2003, January 6-9; Reno, Nevada. [Link] [DOI:10.2514/6.2003-1212]
Lee HG, Shin JH, Choi CH, Jeong E, Kwon S. Partial admission effect on the performance and vibration of a supersonic impulse turbine. Acta Astronautica. 2018;145:105-115. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2018.01.025]
Aghaei Togh R, Tousi AM, Boroomand M. Numerical and experimental evaluation of supersonic turbine flow and effect of geometrical change of blade edges on turbine performance. Journal of Applied and Computational Science in Mechanics. 2011;22(1):17-42. [Persian] [Link]
Abbasi S, Gholamalipour A. Numerical simulation of the effect of passive control method by changing tip geometry on the performance of the axial turbine. Modares Mechanical Engineering. 2018;18(4):62-70. [Persian] [Link]
Aghaei Togh R, Tousi AM. Effects of nozzle arrangement angle on the performance of partially admitted turbines. Journal of Mechanical Science and Technology. 2018;32(1):455-464. [Link] [DOI:10.1007/s12206-017-1247-1]
Goldman LJ. Analytical investigation of supersonic turbomachinery blading. II analysis of impulse turbine-blade sections [Report]. National Aeronautics and Space Administration; 1968. [Link]
Aghaei Togh R, Tousi AM .Flow pattern improvement in nozzle-rotor axial gap in impulse turbine. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2014;86(2):108-116. [Link] [DOI:10.1108/AEAT-09-2012-0146]
Aghaei Togh R, Mesgarpoor Tousi A. An empirical model for partially admitted turbine efficiency. Aircraft Engineering and Aerospace Technology. 2015;87(3):238-248. [Link] [DOI:10.1108/AEAT-05-2013-0084]
Celicov VA. Physical modeling of gas-dynamic process in power plants elements. Unknown city: Unknown Publisher; 1995 [Russian] [Link]
Goldman LJ, Scullin VJ. Analytical investigation of supersonic turbomachinery blading. 1-Computer program for blading design. National Aeronautics and Space Administration; 1968. [Link]
Yazdani A, Mohseni A. Three-dimensional aerothermodynamic optimization of the stator blade of an axial-flow gas turbine in an open-source platform. Modares Mechanical Engineering. 2017;(10):176-184. [Persian] [Link]
Varma AK, Soundranayagam S. Experimental study of a small partial admission axial turbine with low aspect ratio blade. Journal of Aerospace Engineering. 2014;228(1):20-34. [Link] [DOI:10.1177/0954410012466779]