اثر فاصله نوک پره بر عملکرد یک فن محوری خلاف‌گرد

سعدالدین, مریم; خالقی, حسین

doi:10.48311/mme.2025.115538.1001

اثر فاصله نوک پره بر عملکرد یک فن محوری خلاف‌گرد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مریم سعدالدین

حسین خالقی

دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

10.48311/mme.2025.115538.1001

چکیده

در این پژوهش، عملکرد یک فن محوری خلاف‌گرد به‌صورت تجربی و با استفاده از شبیه‌سازی عددی مورد ارزیابی قرار گرفته است. عملکرد فن در شش پیکربندی مختلف با مقادیر متفاوت فاصله نوک پره تحلیل شده است. فاصله نوک پره برای روتور اول و دوم به‌صورت درصدی از ارتفاع پره تعریف شده و شامل حالت‌های 4%-4%، 4%-2%، 2%-4%، 2%-2%، 1%-1% و بدون فاصله نوک پره است.

بررسی جریان در ناحیه نوک پره نشان می‌دهد که با افزایش فاصله نوک، شدت جریان نشتی و گردابه نشتی نوک پره افزایش می‌یابد. این گردابه موجب تغییرات چشمگیر در میدان فشار استاتیک سطح مکش پره شده و نواحی با افت محسوس فشار استاتیک را در این سطح ایجاد می‌نماید. با بزرگ‌تر شدن فاصله نوک، کمینه فشار استاتیک در سطح مکش به پایین‌دست پره منتقل می‌شود. به‌علاوه، در مسیر جریان نشتی نوک پره، کاهش قابل‌توجهی در فشار کل مشاهده می‌گردد.

یافته‌ها نشان می‌دهد که در نقطه عملکرد با فشار ثابت، کاهش فاصله نوک پره موجب افزایش دبی جریان عبوری از فن می‌شود و در نقطه عملکرد با دبی ثابت، فاصله نوک کمتر باعث افزایش فشار خروجی می‌گردد. حذف کامل فاصله نوک پره نیز محدوده عملکرد پایدار فن را تا 14.4% بهبود می‌بخشد.

بررسی اثر متقابل فاصله نوک هر روتور نشان می‌دهد که افزایش فاصله در یک ردیف، جریان نشتی همان ردیف را افزایش می‌دهد. تغییر فاصله نوک روتور دوم تأثیر چندانی بر روتور اول ندارد، اما افزایش فاصله نوک روتور اول موجب افزایش جریان نشتی در روتور دوم نیز می‌شود.

کلیدواژه‌ها

فن محوری خلاف‌گرد، فاصله نوک پره، جریان نشتی نوک پره. گردابه نشتی نوک پره

موضوعات

توربین گازی

عنوان مقاله English

The Effect of Tip Clearance on the Performance of an Axial Contra-Rotating Fan

نویسندگان English

maryam Sadoddin

Hossein Khaleghi

Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

In this study, the performance of a contra-rotating axial fan is investigated through experimental measurements and numerical simulations. The fan performance is analyzed under six configurations with varying tip clearance values. Tip clearance for the first and second rotors is defined as a percentage of blade height for the following cases: 4%-4%, 4%-2%, 2%-4%, 2%-2%, 1%-1%, and zero clearance.
Examination of the flow structure in the blade tip region reveals that as tip clearance increases, the tip leakage flow intensifies and the tip leakage vortex strengthens. The tip vortex significantly alters the static pressure field on the suction surface, creating regions of pressure drop. With larger tip clearance, the minimum static pressure on the suction surface shifts further downstream, and total pressure decreases along the leakage path.
Results indicate that under constant-pressure conditions, reducing tip clearance increases the flow rate through the fan. At the constant-flow operating point, fans with smaller tip clearance generate higher outlet pressure. Furthermore, completely eliminating tip clearance improves the fan's stable operating range by up to 14.4%.
Interaction effects of tip clearance between rotors are also examined. Increasing tip clearance in a given rotor row enhances leakage flow within the same row. Variation of the second rotor’s clearance has little effect on the first rotor, whereas increasing the first rotor’s clearance also raises leakage flow in the second rotor

کلیدواژه‌ها English

Contra-Rotating Axial Fan, Tip Clearance, Tip Leakage Flow, Tip Leakage Vortex

1] S. B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, 2000. doi:10.1017/CBO9780511840531

[2] J. A. Storer and N. A. Cumpsty, "An approximate analysis and prediction method for tip clearance loss in axial compressors," Journal of Turbomachinery, vol. 116, no. 4, pp. 648–656, 1994. doi:10.1115/93-GT-140

[3] R. D. Moore, "Rotor tip clearance effects on overall and blade-element performance of axial-flow transonic fan stage," NASA Tech. Paper 2049, Lewis Research Center, Cleveland, OH, 1982. [Online]. Available: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19820025513/downloads/19820025513.pdf

[4] J. A. Storer and N. A. Cumpsty, "Tip leakage flow in axial compressors," in Proc. ASME Int. Gas Turbine Aeroengine Congr. Expo., vol. 1, Brussels, Belgium, 1990, V001T01A034. doi:10.1115/90-GT-127

[5] K. Yamada, K. Funazaki, and M. Furukawa, "The behavior of tip clearance flow at near-stall condition in a transonic axial compressor rotor," Proc. ASME Turbo Expo, 2007. doi:10.1115/GT2007-27725

[6] M. Song, H. Xie, B. Yang, and S. Zhang, "Influence of tip clearance on flow characteristics of axial compressor," Processes, vol. 8, no. 11, pp. 1445, 2020. doi:10.3390/pr8111445

[7] M. Zhang, X. Dong, J. Li, D. Sun, X. Sun, and Z. Dan, "Effect of differential tip clearance on performance and noise of an axial compressor," Aerospace Science and Technology, vol. 118, pp. 107081, 2021. doi:10.1016/j.ast.2022.108070

[8] A. H. Bafghi, M. J. Shahriyari, and H. Khaleghi, "A numerical study of the effects of blade tip clearance on the performance of a multi-stage transonic axial compressor," Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, vol. 57, no. 2, pp. 187–214, 2025. doi:10.22060/mej.2025.23795.7821

[9] H. Khaleghi, M.-A. Sheikhshahrokh Dehkordi, and A. M. Tousi, "Role of tip injection in desensitizing the compressor to the tip clearance size," Aerospace Science and Technology, vol. 52, pp. –, 2016. doi:10.1016/j.ast.2016.02.003

[10] H. Nouri, F. Ravelet, F. Bakir, C. Sarraf, and R. Rey, “Design and experimental validation of a ducted counter-rotating axial-flow fans system,” Journal of Fluids Engineering, vol. 134, no. 10, pp. 1–6, 2012. doi:10.1115/1.4007591

[11] C. Mistry and A. Pradeep, “Effect of variation in axial spacing and rotor speed combinations on the performance of high aspect ratio contra-rotating axial fan stage,” Proc. IMechE, Part A: J. Power and Energy, vol. 227, no. 2, pp. 138–146, 2012. doi:10.1177/0957650912467453

[12] L. Gao, X. Li, X. Feng, and B. Liu, “The effect of tip clearance on the performance of contra-rotating compressor,” in ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition, Paper No. GT2012-68801, pp. 197–206, 2012. doi:10.1115/GT2012-68801

[13] X. Mao and B. Liu, "Numerical investigation of tip clearance size effect on the performance and tip leakage flow in a dual-stage counter-rotating axial compressor," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 231, no. 3, pp. 474–484, 2017. doi:10.1177/0954410016638878

[14] Z. Wang, W. Yuan, Q. Li, and Y. Lu, “Experimental investigation on the stall inception of a counter-rotating compressor,” in ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition, pp. 2405–2415, 2012. doi:10.1115/GT2012-68235

[15] T. Dejene Toge and A. M. Pradeep, “Experimental investigation of stall inception mechanisms of low speed contra rotating axial flow fan stage,” International Journal of Rotating Machinery, Article ID 2015, 2015. doi:10.1155/2015/641601

[16] M. Sadoddin and H. Khaleghi, "Experimental and numerical investigation of endwall flow control through air injection in a contra rotating fan," Scientific Reports, vol. 15, no. 21080, pp. –, 2025. doi:s41598-025-05295-4

[17] M. H. Raoufi, Design, Construction and Performance Testing of a Contra-Rotating Fan, M.S. thesis, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran, 2020.

[18] M. Shahriyari, H. Khaleghi, M. Sadoddin, and E. Benini, "Impact of solidity and speed ratio on the performance of a contra-rotating fan," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 238, no. 4, pp. 365–381, 2024. doi:10.1177/09576509231217559