Skip to main content
SUPERVISOR
Nili ahmadabadi Mehdi,Ebrahim Shirani
مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Ali Shahsavari
علی شاه سواری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Design of a Single Stage Transonic Axial Fan with Its 3D Numerical Simulation in Design and Off-design Conditions
In recent years, bypass ratio has been attended by gas turbine experts and companies as an affecting parameter on specific fuel consumption reduction, maximum total range enhancement and environmental pollution decrement in civil turbofan engines. On the other hand, total pressure ratio, efficiency and surge margin are significant parameters in aerodynamic design of compressor and fan. In present research first a novel one-dimensional design method based on the radial equilibrium theory and constant span-wise diffusion factor has been presented to redesign a compressor stage and a fan rotor. Because of very high pressure ratio and low efficiency in fan rotor with constant span-wise diffusion factor, the distribution of diffusion factor has been used to redesign the fan once again to achieve not only higher efficiency and pressure ratio simultaneously, but also to achieve better surge margin and more bypass air in constant diameter. A one-dimensional design code has been developed to obtain the meridional plane and blade to blade geometry of rotor such as blade thickness and angle distribution to reach the three-dimensional view of the rotor blades. To verify the redesigned rotor, its flow numerical simulation has been carried out to compute its performance curve. The experimental data, available for the performance curve and span-wise thermodynamic parameters of NASA Rotor67, has been used to validate the results of the numerical simulation and one-dimensional code. Structured mesh with finer grids near walls has been used to capture flow field and boundary layer effects. RANS equations using shear stress traort turbulence model were solved by finite volume method for rotating and stationary zones. The numerical results of the new compressor stage have showed about 18% improvement in its total pressure ratio and 11% increase in its efficiency at both design and off design mass flow rate. Unfortunately, mass flow rate of the redesigned compressor stage has decreased about 5.7% because of inappropriate incidence and deviation angle correlation. This problem has been solved in fan rotor design by finding incidence and deviation angle from the simulation results. The numerical results of the new fan rotor which was designed based on constant diffusion factor have showed about 9.6% increase in its total pressure ratio at both design and off design mass flow rate in comparison to rotor67. As a result of increasing fan pressure ratio, the efficiency has decreased about 3.5%. The second fan rotor which has been designed based on distribution of diffusion factor, has showed about 3% improvement in pressure ratio, 1.6% efficiency enhancement and 125% increase in surge margin by comparison with rotor67. The thermodynamic analysis of turbofan cycle has been done to evaluate fan operation in turbofan engine. Both of the new designed fan, especially constant diffusion one have had better performance in turbofan engine in comparison to NASA rotor67. The constant diffusion rotor has had the most outlet velocity especially in upper span which could improve bypass ratio by about 10% by transferring more mass flow to the cold bypass duct of a turbofan engine. Because of increasing bypass ratio, average specific fuel consumption has decreased about 6%. Keywords: Transonic axial fan and compressor, One-dimensional design, Numerical simulation, Radial equilibrium, Thermodynamic analysis of turbofan cycle.
در طی سال های اخیر نسبت گذردهی جنبی به عنوان یک پارامتر تاثیرگذار در کاهش مصرف سوخت، افزایش برد پروازی و کاهش آلودگی زیست محیطی در توربوفن های غیر نظامی مورد توجه خاص شرکت های سازنده و پژوهش گران عرصه ی توربین گاز قرار گرفته است. از سوی دیگر نسبت فشار، راندمان و محدوده ی عملکردی از پارامترهای بسیار مهم در طراحی فن ها و کمپرسورها بوده اند. در این پایان نامه بر اساس اصول و مبانی طراحی، در ابتدا یک کمپرسور و سپس یک فن گذر صوت محوری بازطراحی شده اند. روش استفاده شده برای طراحی کمپرسور، بر مبنای ضریب پخش ثابت در ترکیب با تعادل شعاعی بوده که این روش در طراحی فن نیز مورد استفاده قرار گرفته است. طراحی فن بار دیگر براساس توزیع ضریب پخش در ترکیب با تعادل شعاعی انجام شده است. هدف اصلی از این بازطراحی افزایش نسبت فشار، بهبود راندمان، افزایش محدوده ی عملکردی و از همه مهم تر افزایش نسبت گذردهی جنبی در قطر ثابت است. برای استخراج هندسه یک برنامه ی رایانه ای بر حسب روش طراحی نوشته شده است. این برنامه با گرفتن ورودی های لازم برای طراحی، قابلیت محاسبه ی مشخصات هندسی شامل توزیع زاویه، توزیع ضخامت، شکل نصف النهاری و تعداد پره های کمپرسور یا فن های محوری را دارا بوده و در نهایت مشخصات هندسه ی تولید شده وارد نرم افزار تولیدپره شده است. پس از شبکه بندی، هندسه وارد نرم افزار تحلیل عددی جریان شده است. برای اعتبار سنجی کار از هندسه ی ناسا رتور67 استفاده شده است. لازم به ذکر است که برنامه ی رایانه ای نوشته شده علاوه بر هندسه، تقریبی از خواص مختلف ترمودینامیکی و آیرودینامیکی سیال را ارائه کرده به طوری که نتایج حاصل از آن با تحلیل عددی و نتایج تجربی انجام شده بر روی رتور 67 انطباق خوبی داشته است. برای ارزیابی روش طراحی جدید در طراحی کمپرسور، از هندسه ی کمپرسور طبقه ی اول یک موتور توربوشفت به عنوان هندسه ی اولیه بهره گرفته شده است که نتایج حاصل از حل عددی میزان %11 افزایش راندمان و حدود %18 افزایش نسبت فشار را در طراحی جدید آن نشان داد. در ادامه ی کار برای ارزیابی روش طراحی برای یک رتور فن محوری گذر صوت، از رتور67 استفاده شده است. نتایج حاصل از حل عددی برای طراحی دی هالر ثابت، بهبود %9 در نسبت فشار و کاهش %5 / 3 در راندمان را در طراحی اول فن براساس روش پخش ثابت نشان داد. به همین ترتیب در روش طراحی دوم فن، افزایش %5 / 1 در راندمان و %3 در نسبت فشار نسبت به رتور67 حاصل شده است. در ضمن افزایش محدوده ی عملکردی از دیگر مزایای فن دوم نسبت به رتور67 است که از لحاظ سازگاری فن به شرایط عملکردی مختلف بسیار اهمیت دارد. در نهایت هر دو فن طراحی شده به همراه رتور67 در سیکل ترمودینامیکی موتورتوربوفن مورد ارزیابی قرار گرفته اند. نتایج حاصل از این تحلیل، به طور میانگین افزایش %10 نسبت گذر دهی جنبی و %6 کاهش مصرف سوخت ویژه را به ازای شعاع یکسان بی بعد محفظه ی گرم، در فن پخش ثابت نسبت به رتور67 نشان داده است. این بهبود با شدت کمتری در فن طراحی شده بر مبنای توزیع ضریب پخش وجود داشته است. کلمات کلیدی: فن و کمپرسور محوری گذر صوت، طراحی یک بعدی، شبیه سازی عددی، تعادل شعاعی، تحلیل ترمودینامیکی سیکل توربوفن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی