تأثیر شیارهای محیطی بر عملکرد یک کمپرسور گذرصوتی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 انستیتوی مکانیک و دینامیک سیالات، دانشگاه فرایبرگ، فرایبرگ، آلمان

چکیده

در این مقاله به مطالعه عددی اصلاح پوسته با کمک شیارهای محیطی در یک فن گذرصوتی پرداخته شده‌است. چهار شیار محیطی در بالای یک پره ناسا 67قرار داده‌شده و شبیه‌سازی‌های گذرا از نقطه خفگی تا نزدیکی واماندگی صورت گرفته‌است. نتایج نشان می‌دهد شیارهای محیطی باعث کاهش زاویه برخورد در لبه حمله پره می‌شوند. همچنین، شوک و جریان نشتی نوک پره به پایین دست جریان رانده می‌شوند. شیارها از یک طرف باعث افزایش مومنتوم در جهت جریان می‌شوند (جریان از پایین دست شیارها وارد و از بالادست آنها خارج و به جریان اصلی تزریق می‌شود) و از طرف دیگر باعث ایجاد یک مسیر جریان بین سطوح فشاری و مکشی در نوک پره (و در نتیجه کاهش اختلاف فشار این سطوح) می‌شوند. در پژوهش حاضر مشاهده شد که در نزدیکی نقطه واماندگی، میدان جریان در شیارها بسیار ناپایا است. نتایج نشان داد که بیشترین رفتار ناپایا در اولین شیار است که تغییرات زمانی دبی جرمی عبوری از این شیار در حدود 30 درصد میانگین زمانی دبی جرمی آن است. لذا برای شبیه‌سازی اصلاح پوسته کمپرسور به کمک شیارهای محیطی باید از حل ناپایا استفاده کرد و حل دائمی کافی نیست.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Circumferential Casing Treatment in a Transonic Fan

نویسندگان [English]

  • Hosein Khaleghi 1
  • Martin Heinrich 2
  • Mohammad Javad Shahriyari 1
1 Department of Aerospace Engineering, Center of Excellence in Computational Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Institute of Mechanics and Fluid Dynamics, Technische Universität Bergakademie Freiberg,, Freiberg, Germany
چکیده [English]

This paper reports on a numerical simulation of circumferential groove casing treatment in a high-speed axial fan. Four circumferential grooves of the same geometry are located over the tip of a NASA Rotor-67 and unsteady calculations are performed from choke to near-stall. Results show that circumferential grooves reduce the incidence angle near the pressure surface at the blade leading-edge. Furthermore, the passage shock and the leakage flow are pushed rearward in the passage. It is found that circumferential grooves increase the momentum in the streamwise direction (fluid is absorbed by the grooves from their downstream part and is injected from their upstream section). The grooves also provide a flow path between the suction and pressure surface, leading to a reduction in the pressure difference between them. At the near-stall point the flow field near the grooves was found to be highly unsteady. Maximum unsteadiness was observed in the first upstream groove: the circulated mass flow rate changed as high as roughly 30 percent of its time-averaged value. As a result, in order to simulate circumferential groove casing treatment in compressors, unsteady computations are required.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Circumferential groove
  • Range extension
  • Casing treatment
  • Transonic compressor
  • NASA Rotor-67

مراجع

[1] M.D. Hathaway, Passive endwall treatments for enhancing stability,  (2007).
[2] W.M. Osborn, G.W. Lewis Jr, L.J. Heidelberg, Effect of several porous casing treatments on stall limit and on overall performance of an axial flow compressor rotor,  (1971).
[3] D. Wisler, D. Hilvers, Stator hub treatment study,  (1974).
[4] D. Prince Jr, D. Wisler, D. Hilvers, A study of casing treatment stall margin improvement phenomena, American Society of Mechanical Engineers, 1975.
[5] H. Kuang, S.W. Chu, H. Zhang, S. Ma, Flow mechanism for stall margin improvement via axial slot casing treatment on a transonic axial compressor, Journal of Applied Fluid Mechanics, 10(2) (2017) 703-712.
[6] N. Ahmad, J. Bin, Z. Qun, S.A. Ahmad, H. Fawzy, Performance enhancement of a transonic axial flow compressor with circumferential casing grooves to improve the stall margin, Journal of Applied Fluid Mechanics, 13(1) (2020) 221-232.
[7] H. Khaleghi, A. Tousi, M. Boroomand, J. Teixeira, Recirculation casing treatment by using a vaned passage for a transonic axial-flow compressor, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 221(8) (2007) 1153-1162.
[8] A.J. Strazisar, M.M. Bright, S. Thorp, D.E. Culley, K.L. Suder, Compressor stall control through endwall recirculation, in:  Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, 2004, pp. 655-667.
[9] C. Freeman, A.G. Wilson, I.J. Day, M.A. Swinbanks, Experiments in active control of stall on an aeroengine gas turbine,  (1998).
[10] E. Greitzer, J. Nikkanen, D.E. Haddad, R. Mazzawy, H. Joslyn, A fundamental criterion for the application of rotor casing treatment,  (1979).
[11] G. Smith, N. Cumpsty, Flow phenomena in compressor casing treatment,  (1984).
[12] H. Khaleghi, Effect of axial skewed slot casing treatment in a transonic fan, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace Engineering, 231(14) (2017) 2646-2653.
[13] D. Rabe, C. Hah, Application of casing circumferential grooves for improved stall margin in a transonic axial compressor, in:  Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, 2002, pp. 1141-1153.
[14] A. Shabbir, J.J. Adamczyk, Flow mechanism for stall margin improvement due to circumferential casing grooves on axial compressors,  (2005).
[15] C. Hah, M. Mueller, H.-P. Schiffer, Study of convective flow effects in endwall casing treatments in transonic compressor rotors, in:  Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, American Society of Mechanical Engineers, 2012, pp. 95-106.
[16] Y. Sakuma, T. Watanabe, T. Himeno, D. Kato, T. Murooka, Y. Shuto, Numerical analysis of flow in a transonic compressor with a single circumferential casing groove: influence of groove location and depth on flow instability, Journal of Turbomachinery, 136(3) (2014).
[17] L. Liu, J. Li, X. Nan, F. Lin, The stall inceptions in an axial compressor with single circumferential groove casing treatment at different axial locations, Aerospace Science and Technology, 59 (2016) 145-154.
[18] W. Zhu, L. Cai, S. Wang, Z. Wang, Numerical Investigation of Circumferential Groove Casing Treatment in a Highly-Loaded Low-Reaction Transonic Compressor Rotor, Journal of Thermal Science, 29(4) (2020) 916-927.
[19] A. Jafar Gholi Beik, S.H. Torabi, H. Basirat Tabrizi, Stall margin improvement and increase pressure ratio in transonic axial compressor using circumferential groove casing treatment, AUT Journal of Mechanical Engineering, 4(1) (2020) 3-16.
[20] M. Heinrich, H. Khaleghi, C. Friebe, Effect of Circumferential Casing Treatment on Low-Speed Contra-Rotating Fans, Journal of Applied Fluid Mechanics, 13(6) (2020).
[21] A.J. Strazisar, J.R. Wood, M.D. Hathaway, K.L. Suder, Laser anemometer measurements in a transonic axial-flow fan rotor,  (1989).
[22] H.D. Vo, C.S. Tan, E.M. Greitzer, Criteria for spike initiated rotating stall, Journal of turbomachinery, 130(1) (2008).
[23] H. Khaleghi, Stall inception and control in a transonic fan, part A: Rotating stall inception, Aerospace Science and Technology, 41 (2015) 250-258.
[24] M. Choi, M. Vahdati, M. Imregun, Effects of fan speed on rotating stall inception and recovery, Journal of Turbomachinery, 133(4) (2011).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 7
مهر 1400
صفحه 4189-4202

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار