توصيفگر ها :
ناپايداري , فلاتر , پره كمپرسور , مييرايي آيروديناميك , برهمكنش جامد و سيال
چكيده فارسي :
چكيده
براي بهبود عملكرد كمپرسورها، ضروري است كه تحليل برهمكنش جامد و سيال و پايداري در طراحي پره مورد توجه قرار گيرد. در اين پژوهش، به بررسي آيروالاستيسيته پره يك كمپرسور گريز از مركز تحت شرايط كاركرد معين پرداخته شده است. در بخش تحليل سازه، ارتعاشات آزاد ديسك پرهدار چرخان بررسي شد و فركانسهاي طبيعي و شكل مودهاي ارتعاشي آن مشخص شد. مطابق نتايج با لحاظ اثر سفتي ناشي از نيروي گريز از مركز، فركانس نسبت به حالت بدون پيش تنش 26% افزايش يافته است. همچنين توزيع تنش فون ميسز و جابجايي در ديسك پرهدار بررسي و نقاط بحراني آن مشخص شد. بيشترين تنش فون ميسز در محل اتصال پره به ديسك و در شعاع داخلي ديسك اتفاق ميافتد. سپس، با اعمال تغييرشكل پره در مود اول و هارمونيك مشخص، تحليل برهمكنش جامد و سيال براي پره و سيال اطراف آن انجام شد تا نقش سيال در پايداري پره در مود ارتعاشي موردنظر بررسي گردد. جهت همگرايي بهتر از نتايج تحليل پايا به عنوان شرط اوليه براي تحليل گذرا استفاده شد. همچنين جهت كاهش حجم محاسبات از تبديل فوريه براي درنظرگرفتن اثر پرههاي مجاور استفاده شد و در نتيجه تنها دو گذرگاه مورد بررسي قرار گرفت. در تحليل پايا، روي هاب در نواحي نزديك به اتصال پره¬ها به ديسك، فشار كل و دما كاهش و دما در قسمت شرود افزايش داشته است. با توجه به كانتور ماخ، در قسمت ورودي جريان كمپرسور سرعت بيشينه و با عبور جريان به سمت خروجي كمپرسور سرعت در حال كاهش است. تغييرات ميرايي آيروديناميكي در حين تحليل بر همكنش جامد و سيال، نقش مهمي در ناپايداري پرههاي كمپرسور ايفا ميكند. در تحليل گذرا، اين تغييرات به عنوان نتيجهاي از كار انجام شده توسط سيال در اطراف پرهها در حين ارتعاش پره در مود ارتعاشي اول خمشي محاسبه شد. مطابق نتايج ماكزيمم كار نيروي آيروديناميكي در نوك پره كه جابجايي پره ماكزيمم است، اتفاق ميافتد. انتگرال كار نيروي آيروديناميكي در سطح تماس جامد و سيال روي سازه در يك سيكل ارتعاش منفي و در نتيجه حركت ارتعاشي پره ناپايدار است. تشخيص ناپايداري پره از طريق شبيهسازي برهمكنش سيال و جامد، به عنوان يك قدم مهم به سوي طراحي بهينه كمپرسور گريز از مركز مورد بررسي خواهد بود.
چكيده انگليسي :
Abstract:
It is essential to consider fluid–structure interaction and stability analysis in blade design in order to improve the performance of compressors. In this study, the aeroelasticity of a centrifugal compressor blade under a specific operating condition is investigated. In the structural analysis section, the free vibrations of a rotating bladed disk were examined, and its natural frequencies and vibration mode shapes were determined. According to the results, by considering the stiffness effect induced by centrifugal force, the frequency increased by 26% compared to the unstressed state. Additionally, the von Mises stress and displacement distribution in the bladed disk were analyzed, and critical points were identified. The highest von Mises stress occurs at the blade–disk junction and the inner radius of the disk. Subsequently, by applying deformation of the blade in its first mode and a specific harmonic, a fluid–structure interaction (FSI) analysis was performed for the blade and the surrounding fluid to evaluate the fluidʹs role in the stability of the blade in the considered vibration mode. To achieve better convergence, results from a steady-state analysis were used as initial conditions for the transient analysis. Moreover, to reduce computational cost, a Fourier transformation was employed to account for the effects of adjacent blades, and therefore only two passages were analyzed. In the steady-state analysis, the total pressure and temperature decrease in the hub near the regions where the blades connect to the disk and the temperature increases near the shroud. According to the Mach number contours, the highest flow velocity occurs at the compressor inlet, and as the flow moves toward the compressor outlet, the velocity gradually decreases. Variations in aerodynamic damping during the FSI analysis play a critical role in the instability of compressor blades. In transient analysis, these variations were computed as a result of work done by the fluid around the blades during their vibration in the first bending mode. According to the results, the maximum aerodynamic work occurs at the blade tip, which is the maximum blade displacement. the integral of the aerodynamic work on the fluid–structure interface over a vibration cycle is negative, indicating that the blade motion is unstable. Identifying blade instability through FSI simulation is an important step toward the optimal design of the considered centrifugal compressors.