تحلیل اثر توزیع ضخامت پره بر عملکرد توربین توربوشارژ در حالت پذیرش کامل و جزئی

نوع مقاله: گزارش تحقیقاتی

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مکانیک دانشگاه علم و صنعت

2 دانشجوی دکتری، دانشکده خودرو دانشگاه علم و صنعت

3 دانشیار ، دانشکده خودرو دانشگاه علم و صنعت

10.22044/jsfm.2019.7662.2749

چکیده

پره توربین توربوشارژرها به دلیل فشار بسیار بالای جریان ورودی و همچنین پالسی بودن این جریان در معرض آسیب و شکست قرار می-گیرند در توربوماشین‌های جدید که تمایل به نازک شدن در کنار افزایش بار به دلیل افزایش راندمان دارند، احتمال شکست بالاتر می‌رود. بنابراین انتخاب توزیع ضخامت بهینه روتور نیاز به مطالعه ایرواستاتیکی و ایرودینامیکی در شرایط مختلف عملکرد دارد. در این مطالعه به تحلیل برهمکنش سیال-سازه‌ بر روی سطح مشترک پره و سیال با تلفیق کردن ابزارهای شبیه‌سازی‌ دینامیک سیالات محاسباتی و طراحی سازه‌ای توسط یک مدل کوپل شده یکپارچه بر اساس فرمول‌های المان محدود در نرم افزار انسیس بر روی پره توربین توربوشارژر با ورودی دوگانه به منظور شناخت نیروی وارده از طرف سیال به پره و رفتار سازه برای سه توربین مختلف که تنها در توزیع ضخامت پره روتور متفاوت می‌باشند در شرایط تغذیه پذیرش کامل و جزئی پرداخته شده‌است. صحه‌گذاری نتایج با داده‌های آزمایشگاهی حاصل از آزمایشگاه توربوشارژر دانشگاه امپریال کالج همخوانی خوبی را نشان می‌دهد. نتایج چگونگی و علت تغییرات راندمان به دلیل تغییر ضخامت بخش‌های گوناگون را شرح می‌دهد. پره‌های نازک انتخاب مناسبی برای این نوع توربوماشین می‌باشد ولی در پذیرش جزئی پره-های ضخیم عملکرد بهتری دارند.

کلیدواژه‌ها


[1] Filsinger D, Szwedowicz J, Schaefer O (2001) Approach to unidirectional coupled CFD-FEM analysis of axial turbocharger turbine blades. Proceedings of ASME Turbo Expo, GT-0288.

[2] جعفری ح، پرهیزکار ح، آقایی طوق ر، مردانی ا (1397) مدلسازی میدان جریان و بهبود عملکرد روتور یک توربین محوری با استفاده از روش الحاقی. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 133-127 :(1)8.

[3] نخعی م، قربانیان فرد پ، کهرم م، آیانی م (1395) بررسی آزمایشگاهی و عددی اثر شکل پره بر بازدهی توربین پسایی هانتر. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 339-329 :(2)6.

[4] جعفری م، افشین ح، فرهانیه ب (1394) اصلاح پروفیل ایرفویل فن بدون پره و بررسی منحنی افزایش دبی فن. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 179-169 :(2)5.

[5] Roelke RJ, Haas JE (1983) The effect of rotor blade thick- ness and surface finish on the performance of a small axial flow turbine. J Eng Gas Turbine Power 105: 377-382.

[7] Filsinger D, Szwedowicz J, Schaefer O (2002) Approach to unidirectional coupled CFD-FEM analysis of axial turbocharger turbine blades. J Turbomach 124(1): 125-131.

[8] Senn SM, Seiler M, Schaefer O (2009) Blade excitation in pulse-charged mixed-flow turbocharger turbines. Proceedings of ASME Turbo Expo, Orlando, USA, Power for Land, Sea and Air, GT2009.

[9] Filsinger D, Schaefer O (2003) Numerical calculation of low order blade excitation in pulse charged axial turbocharger turbines and its experimental assessment. Proceedings ASME Turbo Expo, GT2003-38182.

[10] Filsinger D,  Frank C, Schaefer O (2005) Practical use of unsteady CFD and FEM forced response calculation in the design of axial turbocharger turbines. Proceedings ASME Turbo Expo, GT2005-68439.

[11] Copeland CD, Newton P, Seiler M, Martinez-Botas RF (2012) The  effect of unequal admission on the performance and loss generation in a double-entry turbocharger turbine. J Turbomach 134(2): 021004.

[12] Copeland C (2010) The evaluation of steady and pulsating flow performance of a double-entry turbocharger turbine. Ph.D. thesis, Imperial College of Science, Technology, and Medicine, University of London, London, UK.

[13] Aungier RH (2005) Turbine aerodynamics, axial-flow and radial-inflow turbine design and analysis. ASME Press, New York.

[14] Aungier RH (2000) Centrifugal compressors: A strategy for aerodynamic design and analysis. ASME Press, New York.

[15] Logan E (2003) Handbook of turbo machinery. Marcel Dekker, ISBN: 0-8247-0995-0.

[16] CFX 14 (2011) Theory guide, in ANSYS 14.0 Help.

[17] Padzillah MH (2014) Experimental and numerical investigation of an automotive mixed flow turbocharger turbine under pulsating flow conditions. Ph.D. thesis, Imperial College of Science Technology and Medicine, University of London.

[18] Phillipsen B (2005) A simple inverse cascade design method. ASME paper GT- 68575.

[19] Copeland C, Seiler M, Martinez-Botas RF (2012) Unsteady performance of a double entry turbocharger turbine with a comparison to steady flow conditions. J Turbomach 134(2): 021022.

[20] Acharya S, Mahmood GI (2006) Turbine blade aerodynamics. The Gas Turbine Handbook, National Energy Technology Laboratory (NETL)-DOE, Vol. 1.0, Chap. 4.3.

[21] Korakianitis T (1989) Design of airfoils and cascades of airfoils. AIAA J 27(4).