A CFD-based design method for transonic axial compressor blades was developed based on three-dimensional Navier-Stokes flow physics. The method employs a sectional three-dimensional (S3D) analysis concept where the three-dimensional flow analysis is performed on the grid plane of a span station with spanwise flux components held fixed. The S3D analysis produced flow solutions nearly identical to those of three-dimensional analysis, regardless of the initialization of the flow field. The sectional design based on the S3D analysis can include three-dimensional effects of compressor flows and thus overcome the deficiencies associated with the use of quasi-three-dimensional flow physics in conventional sectional design. The S3D design was first used in the inverse triode to find the geometry that produces a specified target pressure distribution. The method was also applied to optimize the adiabatic efficiency of the blade sections of Rotor 37. A new blade was constructed with the optimized sectional geometries at several span stations and its aerodynamic performance was evaluated with three-dimensional analyses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.41
no.1
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pp.9-19
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2017
In this study, stator shroud injection in a single-stage transonic axial compressor is proposed. A parametric study of the effect of stator shroud injection on aerodynamic performances was conducted using the three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The curvature, length, width, and circumferential angle of the stator shroud injector and the air injection mass flow rate were selected as the test parameters. The results of the parametric study show that the aerodynamic performances of the single-stage transonic axial compressor were improved by stator shroud injection. The aerodynamic performances were the most sensitive to the injection mass flow rate. Further, the total pressure ratio and adiabatic efficiency were the maximum when the ratio of circumferential angle was 10%.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.12
no.6
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pp.1407-1414
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1988
Deviation angles are predicted by numerical calculation of three-dimensional compressible flow through the rotating blade row in axial flow compressor. Three-dimensional flow fields are analyzed by the quasi three-dimensional combination of blade-to blade surfaces and hub-to shroud stream surfaces and calculated by the finite element method in the cyclic calculation of both stream surfaces. In the blade-to blade calculations the method of boundary stream line correction is used and in the hub-to shroud calculations the loss effects due to viscous flow are included. The computational results are compared with the available experimental one. It is shown that the computational results from blade-to-blade flow calculation are correct for incompressible, compressible low subsonic and high subsonic flow at the inlet, and the loss effects on the deviation angle can be neglected in the range of the subsonic flow less than the critical Mach number for the axisymmetric flow and even for 3-D non-axisymmetric flow with loss. And it is found that the present results are better agreed with the experimental data than Lieblein's one.
Three-dimensional flow analysis is implemented to investigate the flow through transonic axial-flow compressor rotor(NASA R67), and to evaluate the performances of k-$\epsilon$ and Baldwin-Lomax turbulence models. A finite volume method is used for spatial discretization. And, the equations are solved implicitly in time with the use of approximate factorization. Upwind difference scheme is used for inviscid terms, but viscous terms are centrally differenced. The flux-difference-splitting of Roe is used to obtain fluxes at the cell faces. Numerical analysis is performed near peak efficiency and near stall. And, the results are compared with the experimental data for NASA R67 rotor. Blade-to-Blade Mach number distributions are compared to confirm the accuracy of the code. From the results, we conclude that k-$\epsilon$ model is better for the calculation of flow rate and efficiency than Baldwin-Lomax model. But, the predictions for Mach number and shock structure are almost same.
It is well-known that high anisotropic characteristic of turbulent flow field is dominant inside tip leakage vortex. This anisotropic nature of turbulence invalidates the use of the conventional isotropic eddy viscosity turbulence model based on the Boussinesq assumption. In this study, to check whether an anisotropic turbulence model is superior to the isotropic ones or not, the results obtained from steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulations based on the RNG ${\kappa}-{\varepsilon}$ and the Reynolds stress model in two test cases, such as a linear compressor cascade and a forward-swept axial-flow fan, are compared with experimental data. Through the comparative study of turbulence models, it is clearly shown that the Reynolds stress model, which can express the production term and body-force term induced by system rotation without any modeling, should be used to predict the complex tip leakage flow, including the locus of tip leakage vortex center, quantitatively.
A numerical study based on the three-dimensional thin-layer Navier-Stokes solver is carried out to analyze the flowfield through a single stage transonic compressor. Explicit fout-step Runge-Kutta scheme with spatially variable time step and implicit residual smoothing is used. The governing equations we discretized with explcit finite difference method. Mired-out average method is used at the interface between rotor and stator. And, an artificial dissipation model is used to assure the stability of solution. The results with k-w turbulence model were compared to the results with Baldwin-Lomax model, and physical phenomena of transonic compressor are presented. The two turbulence models give the results that show reasonably good agreements with experimental data.
The performance of gas turbines decreases as their operating hours increase. Compressor fouling is the main reason for this time-dependent performance degradation. Airborne particles adhere to the blade surface and results in the change in the blade shape. It is difficult to exactly analyze the mechanism of the compressor fouling because the growing process of the fouling is very slow and the dimension of the fouled depth is very small compared with blade dimensions. In this study, an analytic method to predict the motion of particles and their deposition inside axial flow compressors is proposed. The analytic model takes into account the blade shape and the flow within the blade passage. Comparison of simulation result with field data shows the feasibility of the model. Influence of the particle distribution on the compressor fouling is also examined.
A numerical study based on the three-dimensional thin-layer Navier-Stokes solver is carried out to analyze the flowfield through a single stage transonic compressor. Explicit four-step Runge-Kutta scheme with spatially variable time step and implicit residual smoothing is used. The governing equations are discretized with exploit finite difference method. Mixed-out average method is used at the interface between rotor and stator. And, an artificial dissipation model is used to assure the stability of solution. The results with k-$\omega$ turbulence model were compared to the results with Baldwin-Lomax model, and physical phenomena of transonic compressor are presented. The two turbulence models give the results that show reasonably good agreements with experimental data.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.12
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pp.107-112
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2010
A gas turbine consists of an upstream compressor and a downstream turbine with a combustion chamber, and also the compressor and the turbine are generally coupled using a single shaft. Large scale gas turbine compressor is designed as multi-stage axial flow and the blade is fan-type which is thick and wide. Recently radial cracking happens occasionally at the compressor blade tip of large scale gas turbine. So, FEM was performed on the compressor blade and vibration modes and dynamic stresses were analyzed. According to the analysis, 9th natural frequency mode of the blade, which is 2 strip mode, is near the vane passing frequency by the vane located at the upstream of the blade.
The purpose of the present study was to develop the numerical method for predicting the on-design and off-design performance of multistage axial-flow compressors. The aerodynamic properties in blade rows were analyzed by incorporating the streamline curvature method as a quasi 3D analysis with the imperical modeling of exit flow angle and loss coefficients. The present calculation procedure has been tested by applying to 5-stage compressors and good agreement with experiments has been found. The detail analysis of aerodynamic performances has been done on the compression part of the bench-scaled gas turbine engines. The predicted performance map at the variable speedline and flow rates could be used as a guide of the engine operation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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