Skip to main content
SUPERVISOR
Mohsen Saghafian,Nili ahmadabadi Mehdi
محسن ثقفیان (استاد راهنما) مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohsen Behnia
محسن بهنیا

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Performance Analysis of High-Speed Cooling Turbines Using Numerical Simulation
In this study, the performance characteristic of a high-speed cooling turbine is investigated using numerical simulation. Cooling turbine is a radial flow reaction turbine with an induction generator mounted on the same shaft. In this project, the cooling turbine is the most important part of aircraft air conditioning system consisting of a radial flow turbine and a centrifugal fan. The objective of this project is simulation of fluid flow in the turbine and fan and also obtaining the cooling turbine performance curve. This project involves modeling of turbine and fan using the SolidWorks, Catia and ANSYS CFX softwares. At first, the turbine and fan rotor geometries are modeled, and then are transferred to Turbo Grid for grid generation. Also, the turbine and fan casing are transferred to CFXmesh for grid generation. Finally, the numerical simulation of fluid flow through the turbine and fan is done using the CFX solver. Boundary conditions for turbine and fan are defined at two steps. At the first one, boundary conditions are defined to obtain the performance characteristic map of the turbine and fan under specific laboratory conditions. The results show the flow is chocked at the turbine rotor outlet. Maximum efficiency of the turbine is equal to %62 at rotational speed of 27,000 rpm and mass flow rate of 0.174 kg/s. Also, a high swirling flow at the turbine rotor outlet causes a high reverse flow at the diffuser outlet. Moreover, the results of fan show the fan pressure ratio in most cases is less than one and the maximum efficiency of the fan rotor is equal to %63 at rotational speed of 50,000 rpm and mass flow rate of 0.3 kg/s. At all cases, the flow separation occurs on the suction surface. Also, flow distortion, incidence and mixing phenomenon occur inside the fan casing. At the second part of this project, boundary conditions are defined according to the required conditions for the industry. The turbine exit temperature as the air conditioning temperature is the most important parameter for the industry. The results show that exit temperature and total to static isentropic efficiency decreases with increasing inlet pressure while mass flow rate and output power increases. Also, the minimum outlet temperature of the turbine occurs at rotational speed of 62,400 rpm. Finally, the fan rotor isentropic efficiency, pressure ratio and power consumption increase with increasing mass flow rate and decreasing inlet temperature. Keywords : 3D numerical simulation, radial flow turbine, centrifugal fan, performance map.
در این پژوهش عملکرد توربین‌های سرمایشی سرعت بالا با استفاده از شبیه سازی عددی بررسی می‌شود. توربین سرمایشی یک توربین عکس‌العملی جریان شعاعی است که با یک ژنراتور القایی روی یک شفت نصب می شود. در این پروژه، توربین سرمایشی مورد نظر مهم ترین بخش سیستم تهویه ی هوا ساز(air condition) هواپیما است که شامل یک توربین جریان شعاعی و یک فن گریز از مرکز می باشد. هدف از انجام این پروژه شبیه سازی عددی جریان سیال در توربین و فن و همچنین بدست آوردن منحنی عملکرد توربین سرمایشی می باشد که با توجه به تحریم شدید کشور در زمینه صنایع هوا فضا، داشتن توانمندی دانش طراحی در این زمینه بسیار اهمیت دارد. مراحل این پروژه شامل مدل کردن روتور توربین و فن با استفاده از نرم افزارهای کتیا و سالیدورکس، ایجاد شبکه ی مناسب و شبیه سازی عددی با استفاده از نرم افزار انسیس انجام می شود. با توجه به پیچیده بودن هندسه ی روتور، برای استفاده از ویژگی های نرم افزار توربوگرید که مخصوصاً برای ایجاد شبکه روی مدل های توربوماشینی طراحی شده، ابتدا هندسه ی روتور توربین و فن با استفاده از نرم افزار تولید پره مدل شده و سپس برای ایجاد شبکه، به نرم افزار توربوگرید انتقال داده می‌شود. پوسته های توربین و فن را با استفاده نرم افزار سی اف ایکس مش شبکه بندی می‌شود و در نهایت با به‌کارگیری نرم افزار سی اف ایکس به شبیه سازی عددی جریان سیال درون توربین و فن پرداخته می‌شود. تعریف شرایط مرزی در این پروژه برای توربین و فن در دو مرحله انجام شده است. در یک مرحله شرایط مرزی، برای بدست آوردن منحنی عملکرد توربین و فن می باشد که فرض می شود توربین و فن در شرایط آزمایشگاهی خاص هستند. در این مرحله نتایج نشان خواهد داد که پدیده خفگی در روتور توربین اتفاق می افتد، ماکزیمم بازده توربین در سرعت دورانی 27000 دور بر دقیقه، در دبی جرمی 174/0 کیلوگرم بر ثانیه، برابر 62 درصد می شود، همچنین چرخش زیاد جریان خروجی روتور توربین باعث مکش هوای بیرون به داخل دیفیوزر می شود. در مورد فن نتایج نشان خواهد داد که نسبت فشار فن در اکثر شرایط، کمتر از یک می شود، ماکزیمم بازده روتور فن در سرعت دورانی 50000 دور بر دقیقه، در دبی جرمی 3/0کیلوگرم بر ثانیه، برابر 63 درصد می شود، در تمامی حالات، بر روی سطح مکشی، جدایش جریان اتفاق می افتد، همچنین در پوسته ی فن پدیده های برخورد، بی نظمی و اختلاط مشاهده می شود. مرحله ی دیگر اعمال شرایط مرزی، موارد خواسته شده توسط صنعت می باشد. یکی از پارامترهای مهم برای صنعت، دمای خروجی توربین می‌باشد که به عنوان دمای هوای تهویه استفاده می‌شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش فشار ورودی، دمای خروجی کاهش یافته و کم‌ترین دمای خروجی از توربین در سرعت دورانی 62400 دور بر دقیقه حاصل می شود. همچنین با افزایش فشار ورودی توربین، بازده ی آیزنتروپیک کل به استاتیک کاهش، دبی جرمی افزایش و توان خروجی توربین افزایش می‌یابد. در فن با افزایش دبی جرمی و کاهش دمی ورودی، بازده ی آیزنتروپیک روتور، نسبت فشار روتور و توان مصرفی فن افزایش می‌یابد. کلمات کلیدی: 1- شبیه سازی عددی سه بعدی 2-توربین جریان شعاعی 3-فن گریز از مرکز 4- منحنی عملکرد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی