‫תכן ואנליזה של טורבינה‬ ‫צירית למנוע סילוני זעיר‬ ‫מרק גולדבאום‬ ‫דר' עמירם לייטנר‬ ‫פרופ' ישעיהו לוי‬ ‫‪1‬‬ ‫רקע לעבודה‬ ‫‪2‬‬ ‫‪‬‬ ‫העבודה כוללת תכן ואנליזה של טורבינה צירית בעלת דרגה‬ ‫אחת למנוע סילוני זעיר‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫הטורבינה תוכננה במקור באמצעות תוכנת חישוב חד מימדי‬ ‫)‪ (Mean Line‬ותיקה ומוגבלת‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫בעבודה נוכחית בוצעו חישובים של הטורבינה באמצעות כלי‬ ‫תוכנה מסחריים מתקדמים הכוללים חישובים חד מימדיים‬ ‫)‪ ,(Mean Line‬בניית גיאומטריה תלת מימדית‪ ,‬וחישובי ‪CFD‬‬ ‫דו ותלת מימדיים‪.‬‬ ‫טורבינה צירית‬ Turbine Nozzle Turbine Wheel/Rotor 3 ‫טורבינה צירית במנוע ‪Marbure‬‬ ‫‪4‬‬ ‫תהליך תכן אווירודינאמי של טורבינה צירית‬ ‫‪RTheta‬‬ ‫‪SS‬‬ ‫‪PS‬‬ ‫‪Z‬‬ ‫‪5‬‬ ‫מידול הפסדים‪-‬צורך ושימוש בתהליך התכן‬ ‫‪‬‬ ‫תכן חד מימדי )‪(Meanline‬‬ ‫ריאליסטי דורש מידול של‬ ‫הפסדים הנוצרים בלהבי‬ ‫הרוטור והסטטור‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫חישובי ‪ CFD‬מבוצעים‬ ‫בשלב מאוחר יותר בתהליך‬ ‫התכן עבור גיאמוטריה‬ ‫שנקבעה בעיקרה בשלב ה‪-‬‬ ‫‪Mean Line .‬‬ ‫‪‬‬ ‫כימות הפסדים‬ ‫‪P01  P02‬‬ ‫;‬ ‫‪KN ‬‬ ‫‪P02  P2‬‬ ‫‪6‬‬ ‫‪Off Design Calculation‬‬ ‫‪Uses Loss Models‬‬ ‫‪MeanLine Design‬‬ ‫‪Uses Loss Models‬‬ ‫‪Airfoil Design‬‬ ‫‪2D Calculation‬‬ ‫‪3D Blade Blade Design‬‬ ‫‪Full 3D Viscous CFD‬‬ ‫‪h2  h2 s‬‬ ‫‪N ‬‬ ‫;‬ ‫‪1 2‬‬ ‫‪C2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪C2‬‬ ‫‪N ‬‬ ‫;‬ ‫‪C2 s‬‬ AMDC+KO+MK+B ‫שיטת מידול הפסדים‬  Ainley & Mathienson(1951) +Dunham & Came(1970) +Kacker & Ocapu(1982) + Mustapha & Kacker (1990)+Benner et al(1995)= AMDC+KO+MK+B .‫ נבדקה ועודכנה לאורך השנים‬AM ‫השיטה המקורית של‬ .‫ היא השיטה המעודכנת שהתקבלה‬AMDC+KO+MK+B 15% 45% 10%  30% K total  K Pr ofile  K Secondary  K Trailing Edge  K Tip Clerance 7 ‫מרכיבי הפסדים‬ ‫‪8‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪-Profile Loss‬הפסדים כתוצאה‬ ‫מחיכוך בין הזורם לפני שטח הלהבים‬ ‫וגדילת שכבות גבול על הלהבים‪.‬תופעה‬ ‫דו ממדית‬ ‫‪‬‬ ‫‪ - Secondary Loss‬הפסדים‬ ‫כתוצאה מחיכוך בין הזורם ל‪End -‬‬ ‫)‪ Walls (hub&shroud‬וכתוצאה‬ ‫מזרימות משניות בטורבינה‪ .‬תופעה‬ ‫תלת‪-‬מימדית‬ ‫מרכיבי הפסדים‬ ‫‪‬‬ ‫‪- Trailing Edge Loss‬‬‫הפסדים כתוצאה מעקבה‬ ‫בשפת זרימה‬ ‫‪‬‬ ‫‪-Tip Clearance Loss‬גז‬ ‫הדולף דרך מרווח רדאילי לא‬ ‫עושה עבודה וגם יוצר זרימות‬ ‫משניות‬ ‫‪9‬‬ ‫שלבי העבודה הנוכחית‬ ‫‪10‬‬ ‫בניית מודל ‪ Mean Line‬של התצורה מקורית‬ ‫‪Rotor‬‬ ‫‪Blades‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪11‬‬ ‫הכנסת פרמטרים ב‪3-‬‬ ‫רדיוסים ‪Tip, Mean, Hub‬‬ ‫הבנה של פרמטרי קלט‬ ‫ופלט )כ‪ 150-‬פרמטרים(‬ ‫ביצוע חישובי עזר‪ ,‬מדידות‬ ‫ב‪Solid Works-‬‬ ‫‪Stator‬‬ ‫‪Vanes‬‬ ‫ של התצורה המקורית‬3D ‫בניית גיאומטריה‬ ‫הכנסה של פרמטרי‬ ‫ )מסוג‬Airfoils 5-‫( ב‬Pritchard ‫חתכים ברוטור‬ .‫ובסטטור‬  Parameters Required to Generate an Airfoil Section: •Section Radius •Axial Chord •Tangential Chord •Unguided Turning •Inlet Blade Angle •Inlet Wedge Angle •LE Radius •Exit Blade Angle •TE Radius •Number of Blades •Throat 12 ‫חישוב ‪ CFD‬של התצורה המקורית‬ ‫‪‬‬ ‫חישוב משולב של רוטור וסטטור‬ ‫‪‬‬ ‫רשת מובנת‬ ‫‪‬‬ ‫הגדרת מספר תאים בכיווני ‪Blade‬‬ ‫‪ to blade‬בכוון ‪Hub to Shroud‬‬ ‫ובכיוון ‪Streamwise‬‬ ‫‪‬‬ ‫פותרן ‪Multi Block Reynolds-‬‬ ‫‪Averaged Navier-Stocks‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ Mixing Plane‬בין מקטעים‬ ‫‪‬‬ ‫מודל טורבולנציה‬ ‫‪Shear Stress Transport 2 Eq.‬‬ ‫)‪Model (Menter,1994‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪13‬‬ ‫תנאי שפה‪ :‬פרופיל רדיאלי של לחץ‬ ‫טוטלי‪ ,‬וטמפרטורה טוטלית בכניסה‪,‬‬ ‫פרופיל לחץ סטטי ביציאה‬ CFD-‫שדה זרימה מחושב ב‬ Rel. Mach number at Mid Radius Abs. Total Temperature 14 ‫תופעות בשדה זרימה של התצורה המקורית לפי ‪CFD‬‬ ‫האטת זרימה ב‪SS TE-‬‬ ‫‪15‬‬ ‫ניתוק זרימה ב‪ PS LE-‬ברוטור‬ CFD ‫תוצאות ומסקנות מחישובי‬ .‫זוהתה רגישות של הנצילות למספר תאי רשת בכיוון הצירי‬ ‫ מודלי‬,‫ שונים‬TE/LE-‫ מקדמי עידון רשת ב‬,‫בוצעו ריצות עם רשתות שונות‬ Double/Single Precision ,B&L-‫ ו‬SST ‫טורבולנציה‬ ‫התקבלה‬.‫לא התקבלה התייצבות נומרית של נצילות כפונקציה של רשת החישוב‬ .‫התייצבות של הספיקה המסית‬ Eff - SST No TE/LE Spacing,Single Precision Eff - SST, With TE/LE Spacing,Double Precision  1.04 0.84 1.02 0.82 1 0.80 0.98 0.78 0.96 0.76 170 50 70 90 110 130 150 Efficiency MassFlow - SST, With TE/LE Spacing,Double Precision  CFD Runs for Original Geometry Mass Flow and Eff vs Streamwise Cell Number Normalized Mas Flow Mass Flow - SST No TE/LE Spacing,Single Precision  Grid Cells In Axial Direction 16 ‫מודל )‪ (Deck‬מנוע בתוכנת ‪GasTurb‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪17‬‬ ‫והערכת ביצועים של התצורה‬ ‫המעודכנת מבוססת על מודל‬ ‫תרמודינמי של ביצועי מנוע המכויל‬ ‫לתוצאות ניסויי מנוע‪.‬‬ ‫מדידות כללו‪ :‬דחף‪ ,‬צריכת דלק‪,‬‬ ‫ספירת אוויר‪ ,‬טמפרטורות ביציאה‬ ‫המדחס וביציאה מהטורבינה‪ ,‬לחץ‬ ‫ביציאה מהמדחס‪.‬‬ ‫המודל נבנה באמצעות תוכנה‬ ‫מסחרית‬ ‫)‪.GasTurb 9, J. Kurzke (2001‬‬ ‫בהעדר מדידה ישירה של נצילות‬ ‫טורבינה זו היא הערכה ניסיונית ‪,‬‬ ‫אם כי עקיפה‪ ,‬הטובה ביותר הזמינה‬ ‫לנצילות הטורבינה בפועל‪.‬‬ ‫בוצע כיול של מודל ‪ Mean Line‬על‬ ‫מנת להתאים את הנצילות ל‪Deck-‬‬ ‫תצורה מעודכנת ‪ -‬השוואה לתוצאות ניסויים‬ ‫לחץ טוטלי ביציאה מהטורבינה‬ ‫‪‬‬ ‫ביצוע מדידה במיקום היקפי‬ ‫אחד בלבד אינה מספיקה‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ CFD‬מצביע על אזור לחץ‬ ‫גבוה בקרוב ל‪-Tip-‬תוצאה של‬ ‫גז ש"דלף" במרווח הרדיאלי‬ ‫‪‬‬ ‫‪ CFD‬מאפשר לחזות תופעות‬ ‫מקומיות אשר לא "מורגשות"‬ ‫בחישובי ‪Mean Line‬‬ ‫‪Radial Profile of P0 at Turb. Exit: Mean Line,CFD‬‬ ‫‪&Exp‬‬ ‫‪1.3‬‬ ‫‪Mean Line‬‬ ‫‪CFD‬‬ ‫‪1.2‬‬ ‫‪Exp‬‬ ‫‪1.1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪0.9‬‬ ‫‪0.8‬‬ ‫‪0.7‬‬ ‫‪100‬‬ ‫‪18‬‬ ‫‪90‬‬ ‫‪80‬‬ ‫‪70‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪50‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪% Passage Height‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪Norm Total Pressure‬‬ ‫‪‬‬ ‫מסרק מדידות במיקום היקפי‬ ‫אחד בצנ"פ מנוע‪.‬‬ ‫‪Passage‬‬ ‫‪Height‬‬ ‫תצורה מעודכנת ‪ -‬השוואה לתוצאות ניסויים‬ ‫טמפרטורה טוטלית ביציאה מהטורבינה‬ ‫‪‬‬ ‫‪ 3‬ניסויים עם ‪ 8‬מדידות ‪ T05‬ב‪ 3-‬רדיוסים‬ ‫שונים‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫התאמה טובה בין החישובים לניסוי‪.‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪ CFD‬מצביע על אזור טמפרטורה גבוהה‬ ‫בקרוב ‪-Tip-‬תוצאה של גז ש"דלף" במרווח‬ ‫הרדיאלי‪.‬‬ ‫‪Radial Profile of T0 at Turb. Exit: Mean Line,CFD& Exp‬‬ ‫‪1.2‬‬ ‫‪CFD‬‬ ‫‪1.1‬‬ ‫‪Exp‬‬ ‫‪1.05‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪0.95‬‬ ‫‪0.9‬‬ ‫‪0.85‬‬ ‫‪0.8‬‬ ‫‪100‬‬ ‫‪19‬‬ ‫‪90‬‬ ‫‪80‬‬ ‫‪70‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪50‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪% Passage Span‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪Norm Total Temperature‬‬ ‫‪Mean Line‬‬ ‫‪1.15‬‬ ‫תצורה סופית ‪ -‬השוואה בין ‪ Mean Line‬ו‪CFD-‬‬ ‫זווית זרימה אבסולוטית ביציאה מהטורבינה‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫התאמה איכותית בין שני החישובים‪.‬‬ ‫זווית ממוצעת לא גדולה‪.‬‬ ‫מקומית‪-‬זוויות סחרור משמעותיות‪.‬‬ ‫זווית סחרור חיובית באזור קצה הלהב עקב דליפת גז דרך‬ ‫מרווח רדיאלי‬ ‫‪Radial Profile of Abs. Flow Angle at Turb exit: Mean Line and‬‬ ‫‪CFD‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪Mean Line‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪CFD‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪100‬‬ ‫‪90‬‬ ‫‪80‬‬ ‫‪70‬‬ ‫‪60‬‬ ‫‪50‬‬ ‫‪40‬‬ ‫‪30‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪10‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪-10‬‬ ‫‪-20‬‬ ‫‪-30‬‬ ‫‪-40‬‬ ‫‪-50‬‬ ‫‪20‬‬ ‫‪% Passage Span‬‬ ‫]‪Abs Flow Angle [deg‬‬ ‫‪10‬‬ Mean Line ‫מפת טורבינה בעזרת מודל‬-‫תצורה סופית‬ Turbine Map Normamalized Corrected Mass Flow vs Tot. toTot. Pressure Ratio Normalized Corrected Mass Flow [(kg/sec)*(K^0.5)/bar] 8.5 8.3 8.1 7.9 Corr RPM=RPM/(T0in)^0.5 7.7 79.69% Corr RPM 7.5 95.63% Corr RPM 7.3 100% Corr RPM 7.1 111.57% Corr RPM 6.9 6.7 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 PR tt 21 ‫אופטימיזציה של הטורבינה ‪ -‬עובי שפת זרימה של רוטור‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫ניתן להגדיל את עובי שפת זרימה של הרוטור ב‪) Hub-‬נושא מאמצים(‬ ‫ללא פגיעה משמעותית בביצועי הטורבינה‪.‬‬ ‫מבחינת חוזק וייצוריות מומלץ לתכנן רוטורים עם עובי שפת זרימה‬ ‫הקטן מהשורש לקצה הלהב‬ ‫‪Rotor TE Thickness Effect on Efficiency‬‬ ‫‪0.825‬‬ ‫‪0.82‬‬ ‫‪0.81‬‬ ‫‪0.805‬‬ ‫‪0.8‬‬ ‫‪0.795‬‬ ‫‪0.79‬‬ ‫‪0.35‬‬ ‫‪0.3‬‬ ‫‪0.25‬‬ ‫‪0.2‬‬ ‫‪0.15‬‬ ‫‪0.1‬‬ ‫]‪Increase in TE Thickness [mm‬‬ ‫‪TE Increased at Hub only‬‬ ‫‪22‬‬ ‫‪Constant TE‬‬ ‫‪0.05‬‬ ‫‪0‬‬ ‫‪Efficiency‬‬ ‫‪0.815‬‬ ‫ מספר להבים‬- ‫אופטימיזציה של הטורבינה‬ .‫ בנצילות הטורבינה‬1.3% ‫•פוטנציאל לשיפור כולל של‬ .‫•פוטנציאל להוזלת החלקים‬ Turb. Efficiency vs Rotor Blades Number Turb. Efficiency vs Stator Vanes Number 0.83 Efficiency Efficiency 0.83 Current Number 0.825 0.82 0.825 0.82 0.815 0.815 0.81 0.81 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 Rotor Blades Number Change 2 4 Current Nunber -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 Stator Vanes Number Change 23 ‫סיכום ומסקנות‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪24‬‬ ‫התאמה טובה‪ ,‬בספיקה מסית בין כל החישובים עבור ‪2‬‬ ‫התצורות‪.‬‬ ‫דיוק הערכת ספיקה מסית מוערך ב‪+/-1.5%-‬‬ ‫דיוק הערכת נצילות בכלי תכן המדוברים מוערך ב‪+/- 2%-‬‬ ‫אבסולוטי ‪.‬‬ ‫תוכנת ה‪ CFD-‬ששימשה לעבודה הנוכחית השיגה‬ ‫התכנסות‪ ,‬כתלות ברשת החישוב‪ ,‬של ספיקה מסית אך‬ ‫לא של נצילות‪.‬‬ ‫כלי ה‪ CFD-‬ניראה כמספק להערכת ספיקה מסית‬ ‫ולבחינת איכותית של שדה הזרימה ותופעות מקומית‪.‬‬ ‫נבנתה מפת ביצועי טורבינה מחוץ לנקודת התכן ) ‪Off‬‬ ‫‪.(Design‬‬ ‫זוהה פוטנציאל לשיפור בנצילות הטורבינה‪.‬‬ 25