A preliminary design method for axial compressor stages

Abstract

Eksenel akışlı kompresör kademeleri için bir ön tasarım metodu ve orta hat hesaplama kodu denge durumu enerji denklemleri ve test korelasyonları kullanılarak geliştirildi. Kompressör tasarımında genel olarak 3 tip akış yolu bulunmaktadır. Bunlar, sabit kök, sabit dış ve sabit orta hat çaplı akış yolları olarak adlandırılırlar. Her bir akış yolu tipi kendine has avantajlar ve dezavantajlar barındırmaktadır. Diğer taraftan müşteri kısıtlamaları, örneğin disk gerilmeleri, ekipmanlar için boş alan, toplam boy v.b. nedeniyle tasarımcılar sabit çap barındırmayan değişken orta hatlı akış yolu tipini kullanmaktadırlar. Böylece daha serbest tasarım imkanı sağlanmaktadır.Bu tezde, değişken orta hatlı kompresör hesaplamaları orta hat yarı çapında yapıldı ve ilgili kanat açıları deneysel korelasyonlarla bulundu. Dış ve kök çaplarındaki akışkan açıları radyal denge formüllerinden faydalanılarak hesaplandı. Geliştirilen kod, ACMC olarak adlandırılmış olup Excel ve `Visual Basic for Applications` (VBA) temelli bir tasarım aracıdır. Maksimum verim ve basma oranını bulabilmek için optimizasyon süreciyle akış yolu ölçülerinin ve akış açılarının en uygun kombinasyonu bulundu. Deney tasarımı, cevap yüzeyi ve çoklu hedefli genetik algoritma optimizasyonu Ansys Workbench üzerinden yapıldı. Eksenel kompressörün ilk kademesi tasarlanmış olup hesaplamalı akışkanlar dinamiği sonuçlarıyla 1 boyutlu orta hat hesaplamaları karşılaştırıldı; kütlesel debide yüzde 2.4600, basma oranında yüzde 0.1864 ve verimde yüzde 2.1597 farklar gözlemlendi.

A preliminary design method for axial flow compressor stages and mean line code were developed based on steady-state energy equations and empirical correlations. Axial flow compressors typically have three common annulus shapes, which are called as the constant hub, constant tip, and constant mean diameter. Each type of design has its ownspecific advantages and disadvantages compared to others. Due to customer requirements, such as disk stress, space for accessories, overall length, etc. Designers sometimes need to utilize variable mean diameter annulus shape, which has no constant diameter and provides a more flexible design. In this thesis, variable mean diameter compressor calculations were done through the mean line radius then corresponding blade angles were determined by using empirical correlations. Tip and hub air angles were determined by utilizing the radial equilibrium equation. The tool is called `Axial Compressor Mean Line Calculation` (ACMC), which is a spreadsheet-based Excel VBA tool. In order to get maximum efficiency and compression ratio, an optimum combination of flow path dimensions and air angles was found by the optimization process. Design of experiment (DOE), response surface and multi-objective genetic algorithm optimization were conducted with Ansys Workbench. The first stage of an axial compressor was designed with the code and 3D CFD results were compared with ACMC results. Mass flow rate variation was 2.4600 percent, compression ratio variation was 0.1864 percent and efficiency variation was 2.1597 percent between CFD and analytical solution.