Υπολογιστική διερεύνηση γεωμετριών κέλυφους στην επέκταση του περιθωρίου ευστάθειας ενός αξονικού συμπιεστή

Abstract

Οι αεριοστρόβιλοι βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών για την παραγωγή μηχανικού έργου και ώσης από τις αρχές του 20ου αιώνα. Λόγω των αυξημένων απαιτήσεων των αεροπορικών μεταφορών για μείωση των εκπομπών ρύπων, προέκυψε η ανάγκη για παραγωγή κινητήρων με αυξημένη ισχύ και απόδοση, δίχως να αυξηθεί το βάρος και το μέγεθός τους. Ένας τρόπος επίλυσης του προβλήματος είναι, η παραγωγή υψηλότερου λόγου πιέσεων από τον συμπιεστή, διατηρώντας το ίδιο μέγεθος και αριθμό βαθμίδων, με αποτέλεσμα οι συμπιεστές να λειτουργούν κοντά σε συνθήκες υψηλού φόρτου, όπου μπορεί να εμφανιστεί αποκόλληση της ροής. Για αυτό είναι απαραίτητο, κατά την σχεδίαση του συμπιεστή, να περιλαμβάνονται μηχανισμοί επέκτασης του εύρους ευσταθούς λειτουργίας. Οι γεωμετρικές τροποποιήσεις στο κέλυφος είναι ένα από τα συστήματα παθητικού ελέγχου, που έχουν μελετηθεί με στόχο την αύξηση του περιθωρίου ευστάθειας δίχως να προκαλείται σημαντική πτώση του βαθμού απόδοσης στο σημείο σχεδιασμού του συμπιεστή. Στην εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε υπολογιστική μελέτη της επίδρασης των γεωμετριών τροποποιήσεων κελύφους στην επέκταση του περιθωρίου ευστάθειας και στην εμφάνιση αποκόλλησης στον ρότορα NASA Rotor 37, με την χρήση λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής ANSYS CFX. Η μελέτη ξεκινά με μια εισαγωγή στις αρχές λειτουργίας των αξονικών συμπιεστών ακολουθούμενη από τις πηγές γένεσης απωλειών και τους τρόπους αντιμετώπισής τους. Εν συνεχεία παρουσιάζονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του NASA Rotor 37 και των γεωμετριών κελύφους καθώς και η μοντελοποίηση του προβλήματος. Με την εισαγωγή των γεωμετρικών τροποποιήσεων στο κέλυφος παρατηρήθηκε αύξηση του περιθωρίου ευστάθειας κατά 3.8% και 4.9% για τις δύο περιπτώσεις, δίχως σημαντική πτώση του βαθμού απόδοσης. Οι αυλακώσεις προσέφεραν βελτίωση των αεροδυναμικών φαινομένων κοντά στο κέλυφος κατά την λειτουργία του συμπιεστή κοντά σε συνθήκες αποκόλλησης, οδηγώντας σε επέκταση του εύρους λειτουργίας.