Skip to main content
SUPERVISOR
Nili ahmadabadi Mehdi,Ebrahim Shirani
مهدی نیلی احمدآبادی (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mehrdad Nafar Sefiddashti
مهرداد نفرسفیددشتی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Developement of a new method for designing the blade profile of an axial flow turbine in subsonic and transonic regimes with incorporating genetic algorithm into a viscous flow solver
The operation of gas turbines is important for producers and consumers so that their profitability depends on their proper performance. On the other hand, the development of industrial gas turbines requires a lot of investment due to the high cost of tests and experiments. Therefore, due to the raising need to increase the efficiency of gas turbines, numerical methods have been developed to optimize turbomachines. In this research, the optimization of 2D profile of the cascade of an axial flow turbine has been performed. For the cascade, the sets of identical blades, which are repeated in a continuous manner, are stacked together and the high air flow passes through them. Each numerical optimization has three main components. These components include the introduction of parametric geometry, the production of a computational network, and solving the governing equations of the flow field, and ultimately the optimization algorithm. In this research, for the first time, a CIRCLE profile design method with 33 variables has been used to parameterize the blade geometry. The main advantage of this method is the production of blades with continuous curvature distribution, which makes the pressure and velocity distribution evenly distributed over the surface of the blade. The Gambit software has been used to generate the computational grid and the solution of the governing equations on the flow field has been made using the Ansys Fluent software. Genetic Algorithm is also has been used as an optimization algorithm, and by making an automatic connection between these components, it is possible to apply this algorithm for optimization. The reduction of total pressure losses has been considered as the objective function during optimization, and the constraint of mass flow rate, blade loading, and outlet flow angle has been imposed on the target function. In the second objective function, a constraint for the cross-sectional area of ??the blade is also has been added to the previous target function. Finally, an algorithm has been developed to optimize some various blades whose data are available, in subsonic and transonic flow regimes. For one of these blades, in the case of subsonic outlet flow, the loss reduction for the first function was 14.6% and for the second target function was 13.6%. For the same blade in the transonic flow regime, the loss rate of this blade for these two target functions was 14.7% and 10.6%, respectively. In the third case, the optimization algorithm has been used for a blade with a pressure ratio of 1.1, in which case the reduction was 9.5% and 7.5% for these two objective functions, respectively. Because of the parameters has been used to define geometry, the proposed design algorithm has more flexibility and performance than the other similar methods and converges to a higher-performance geometry in the first generations. In addition, it is possible to use this optimization method for turbine blades, compressors and various types of airfoil. Keywords: Axial flow turbine, Optimization, Cascade, Genetic Algorithm, viscous flow solve
عملکرد توربین‌های گازی برای تولیدکنندگان و مصرف‌کنندگان، اهمیت بالایی دارد. به‌نحوی‌که سودآوری آن ها وابسته به عملکرد مناسبشان می باشد. از طرفی، توسعه توربین‌های گازی صنعتی به علت هزینه بالای تست و کارهای آزمایشگاهی، نیازمند به سرمایه گذاری زیادی است. لذا با توجه به نیاز روزافزون به افزایش بهره وری توربین های گازی، استفاده از روش های عددی در بهینه سازی توربوماشین ها توسعه یافته است. در پژوهش حاضر بهینه سازی پروفیل دوبعدی ردیف پره توربین گاز جریان محوری انجام گرفته است. منظور از ردیف پره، مجموعه ای از پره های یکسان است که به‌صورت تکرارشونده، در کنار هم به‌صورت ثابت قرار دارند و جریان هوای پرفشار از بین آن‌ها عبور می کند. هر بهینه سازی عددی دارای سه جز اصلی می باشد. این اجزا عبارت‌اند از معرفی هندسه به‌صورت پارامتری، تولید شبکه محاسباتی و حل معادلات حاکم بر میدان جریان و درنهایت الگوریتم بهینه ساز. در این پژوهش برای اولین بار از یک روش طراحی پروفیل پره به نام CIRCLE با 33 متغیر در پارامتری کردن هندسه پره استفاده شده است. مزیت اصلی این روش تولید پره هایی با توزیع انحنای پیوسته می باشد که این امر موجب یکنواختی توزیع فشار و سرعت بر روی سطح پره می گردد. از نرم افزار گمبیت برای تولید شبکه محاسباتی استفاده شده و حل معادلات حاکم بر میدان جریان توسط نرم افزار انسیس فلوئنت صورت گرفته است. همچنین از الگوریتم ژنتیک به‌عنوان الگوریتم بهینه ساز استفاده شده و با ایجاد ارتباط خودکار میان این اجزا، امکان به‌کارگیری این الگوریتم در بهینه سازی میسر شده است. تابع هدف در طول بهینه سازی، کاهش تلفات فشار کل در نظر گرفته شده و قیدهای مربوط به دبی جرمی، میزان بارگذاری پره، زاویه جریان در خروجی بر تابع هدف تحمیل شده است. در تابع هدف دوم قید مربوط به سطح مقطع پره نیز به تابع هدف قبلی اضافه شده است. درنهایت الگوریتم ایجادشده برای بهینه سازی چند پره مختلف که اطلاعات آن ها در دسترس می باشد، در رژیم های جریان مادون صوت و گذر صوت به کار برده شد. برای یکی از این پره ها، در حالت جریان خروجی مادون صوت،کاهش تلفات به ازای تابع هدف اول 6/14 درصد و به ازای تابع هدف دوم 6/13 درصد به دست آمد. برای همان پره در رژیم جریان گذر صوت، میزان کاهش تلفات این پره به ازای این دو تابع هدف به ترتیب 7/14 درصد و 6/10 درصد حاصل شد. در حالت سوم الگوریتم بهینه ساز برای یک پره با نسبت فشار 1/1 به کار برده شد که در این حالت کاهش 5/9 درصدی و 5/7 درصدی به ازای این دو تابع هدف حاصل شد. بدلیل پارامترهای بکار رفته در تعریف هندسه، الگوریتم طراحی ارائه شده دارای انعطاف پذیری بیشتر و عملکرد بهتری در مقایسه با روشهای مشابه دیگر بوده و در همان نسل های ابتدائی به هندسه با عملکرد بالاتر همگرا می شود. علاوه بر این، امکان استفاده از این روش بهینه سازی برای پره های مختلف توربین، کمپرسور و انواع ایرفویل وجود دارد. کلمات کلیدی : توربین جریان محوری، بهینه سازی، ردیف پره، الگوریتم ژنتیک، حل گر جریان لزج

ارتقاء امنیت وب با وف بومی