LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı

Bu topluluk için Kalıcı Uri

http://hdl.handle.net/11527/20279

Gözat

Yazar "Beşkardeş, Ahmet" ile LEE- Isı Akışkan Lisansüstü Programı'a göz atma
  • Öge
    Eksenel transonik kompresörlerde gövde işlemenin performans ve kararlı çalışma aralığına olan etkisinin incelenmesi
    (Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-13) Beşkardeş, Ahmet ; Ayder, Erkan ; 503171133 ; Isı Akışkan
    Kompresör tasarımında göz önünde bulundurulan önemli parametlerden biri kompresörün kararlı çalışma aralığıdır (stall marjı). Performans (verim) kaybı olmadan bu aralığın genişletilmesi tasarımcının hedeflerinden biri olmuştur. Gövde işleme (casing treatment) ise eksenel kompresörlerde tip kısmını çevreleyen gövdeye uygulanan ve kararlı çalışma aralığını genişleten bir modifikasyondur. Bu çalışmada öncelikle literatürde (çoğunlukla NASA'da) yapılan çalışmalar değerlendirilmiştir. Bu çalışmalardaki farklı gövde işleme konfigürasyonları tanıtılmıştır. Sonrasında yapılan testler ve bu testlerin sonuçları raporlanmıştır. Bu konfigürasyonların performansa olan etkileri de bu kısımda özetlenmiştir. Sonrasında kararlı çalışma aralığı genişlemesinin sebeplerini daha derinlemesine incelemek adına yapılan çalışmalar aktarılmıştır. Buradan yola çıkarak tasarımcı için hangi durumda gövde işlemenin olumlu bir etki yaratacağı belirtilmiştir. Literatür özetinden sonra yapılan nümerik çalışma testler ile doğrulanamayacağı için çözücünün ve numerik modelin validasyonu gerekmektedir. Rotor37 transonik kompresörü HAD doğrulama çalışmalarında sıkça kullanıldığı ve literatürde geometrik bilgileri ve test sonuçları bulunduğu için bu çalışmada da validasyon için kullanılmıştır. İlk elde edilen sonuçlar test sonuçlarından farklı olduğu için farklı türbülans modelleri ile analizler yapılarak bunların performans haritaları çıkartılmış ve test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu performans haritası hem rotor, hem de rotor-stator kademesi beraber çözülerek elde edilmiştir. Test sonuçlarına en yakın olan numerik model ile bir sonraki analizlere devam edilmiştir. Sonrasında, KALE ARGE tarafından tasarlanan transonik kompresörün ilk kademesinin dört farklı hız eğrisi için haritası çıkartılmıştır. Bu çıkartılan harita yiv konfigürasyonlarının etkisini kıyaslamak için kullanılacaktır. İlk kademenin seçilmesinin sebebi ise; düşük hızlarda kompresörün çalışma aralığının dar olması ve bu aralığı belirleyen kademenin ilk kademe olmasıdır. Dolayısıyla ilk kademede kararlı çalışma aralığı genişletilirse gaz türbini için de genişlemiş olacaktır. Analiz edilecek kademe de seçildikten sonra hangi konfigürasyonun uygulanacağına karar verilmiştir. Literatüre göre; eksenel yuvalı, çevresel yiv ve kanada paralel yuvalı konfigürasyonların kararlı çalışma aralığı genişletmesi göze çarpmaktadır. Fakat verim kaybı göz önüne alındığında çevresel yiv konfigürasyonu belirgin bir avantaja sahiptir. Çevresel yiv konfigürasyonunun bir diğer avantajı ise daha kolay ve ucuz bir şekilde uygulanabilir olmasıdır. Bu sebeplerden ötürü bu çalışmada çevresel yiv konfigürasyonu incelenmiştir. Aynı geometrik özelliklere sahip yiv konfigürasyonu, dokuz farklı eksenel kord boyuna eşit aralıklar (%10) ile ayrı ayrı yerleştirilerek sayısal analizler yapılmıştır. Daha sonra bu analizler yiv konfigürasyonu olmayan temel kompresör performans haritası ile kıyaslanmıştır. Sayısal çözüm ağı, rotor akış hacmi 1.7x106, stator akış hacmi 6x105, yiv akış hacmi ise 1.75x105 altı yüzlü elemandan oluşacak şekilde oluşturulmuştur. Farklı yiv konfigürasyonları analiz edilirken rotor ve stator sayısal çözüm ağları aynı tutulmuştur. Sayısal çözüm ağı, ilk analizlerden sonra y+ < 5 değeri sağlanacak şekilde revize edilmiştir. Radyal olarak 75 eleman, bu 75 elemandan 26 tanesi ise uç açıklığını modellemek için kullanmıştır. Giriş sınır şartı olarak standart gün koşulu toplam basınç ve sıcaklık girilmiştir. Çıkış sınır şartı olarak ise statik basınç girilmiş, bu basınç arttırılarak kompresör haritası elde edilmiştir. Göbek, kanat ve tip kaymaz duvar olarak modellenmiştir. Analizleri daha hızlı yapmak adına rotor, stator ve yiv akış hacimleri periyodik olarak modellenmiştir. Rotor akış hacmi MRF (Moving Reference Frame) yaklaşımı ile çözülmüştür. Rotor ve stator kanat sayıları farklı olduğu için periyodiklikleri farklıdır. Dolayısıyla bu döner ve dönmez akış hacimlerinin arası "mixing plane" yaklaşımı ile modellenmiştir. Rotor ve yiv akış hacminde periyodiklik aynı olduğu için "frozen rotor" yaklaşımı tercih edilmiştir. Analiz sonuçlarında, kararlı çalışma aralığını en çok genişleten konfigürasyon, eksenel kord boyunun %50'sine yerleştirilen konfigürasyon (G5) olmuştur. Eksenel kord boyunun %40'ına yerleştirilen konfigürasyon (G4), düşük hızlarda her ne kadar G5 konfigürasyonu kadar kararlı çalışma aralığını genişletse de, tasarım hızında, bir diğer deyişle, %100 hızda sıkıştırma oranı daha düşük olmuştur. Eksenel kord boyunun %70, %80 ve %90'ına yerleştirilen yivler (G7-G8-G9) ile yapılan analizler literatür ile çelişkili sonuçlar vermiştir. G7, G8 ve G9 konfigürasyonları performans olarak (sıkıştırma oranı-debi) benzer sonuçlar verdiği için, bu konfigürasyonlar ile sağlanan kararlı çalışma aralığı genişlemesinin numerik kararlılık nedeniyle olduğu düşünülmektedir. Sonuç olarak, G5 konfigürasyonu ile düşük hızda (%77), minimum kararlı çalışma debisi %9 azalarak, kararlı çalışma aralığı genişlemiştir. Tasarım hızında (%100) ise, minimum kararlı çalışma debisi sadece %1.5 azalarak, kararlı çalışma aralığı çok az genişlemiş fakat rotor sıkıştırma oranı %4 azalmıştır.