شبيه‌سازي عددي كنترل فعال ناپايداري در يك كمپرسور محوري تحت شرايط انسداد جريان در ورودي

Numerical simulation of active control of instabilities in an axial compressor under distorted inlet flow

انسداد جريان كه ممكن است به دلايل مختلفي در ورودي يك توربين گازي رخ دهد، باعث ايجاد اختلال در شرايط عملكردي كمپرسور و همچنين كل مجموعه توربين گاز مي‌شود، لذا بررسي اين پديده و راه‌هاي كنترل آن بسيار مهم است. مدل‌سازي عددي انسداد جريان ورودي به يك رتور كمپرسور محوري و كنترل فعال ناپايداري‌هاي حاصل از آن به وسيله تزريق جت هوا در ناحيه درز نوك پره، موضوع مورد مطالعه در مقاله حاضر است. شبيه‌سازي الگوي انسداد جريان با ايجاد پنج هندسه مختلف از انسداد قطاعي (ميزان انسداد 5%، 10%، 15%، 20% و 25% از مجراي ورودي به كمپرسور) در ورودي انجام شده است. در راستاي كنترل فعال ناپايداري‌ها، از 12عدد انژكتور در بالادست رتور كمپرسور كه در راستاي محيطي به صورت متقارن قرارگرفته‌اند، استفاده شده است. نسبت دبي تزريق خروجي از انژكتورها به دبي كلي مجراي ورودي به رتور در كليه حالات كمتر از 2% مي‌باشد. مدل‌سازي عددي به كمك نرم‌افزار انسيس سي‌اف‌ايكس و با به‌كار‌گيري مدل آشفتگي kω-SST انجام شده است. نتايج حاكي از آن است كه با افزايش ميزان انسداد ورودي، افت عملكرد و افت بازدهي رتور نيز افزايش مي‌يابد. همچنين براي شرايط مدل‌سازي شده اين رتور، تزريق جت هوا تا انسداد‌ 10% باعث بهبود عملكرد رتور مي‌شود و در انسداد‌هاي بيشتر از آن كه ناپايداري‌هاي نسبتا قوي ايجاد مي‌شود، تزريق جت هوا اثر منفي بر روي عملكرد رتور مي‌گذارد. زيرا جريان خروجي از انژكتورها به شدت تحت تاثير ناپايداري‌هاي حاصل از انسداد قرار مي‌گيرند و به جاي اصلاح جريان، آن را ناپايدارتر مي‌كند.

Inlet distortion that may be occurred for various reasons at the entrance of a gas turbine, it is caused to disturbed in compressor performance conditions and also all engine components, so it is very important to investigate its controlling methods. The aim of this paper is numerical simulation of inlet distortion in an axial compressor rotor and active control of the instabilities by the air injection at the blade tip region. Flow simulation of inlet distortion is accomplished at compressor entry with five different geometries of circumferential blockage (amounts of circumferential blockage are: 5%, 10%, 15%, 20% and 25% of the compressor inlet duct). For active control of instabilities, 12 injectors have been mounted upstream of the rotor blade row that distributed in circumferential directions symmetrically. The injection mass flow rate does not exceed 2% of the compressor main flow rate at the design point. ANSYS CFX was used for simulation and the turbulence model of k-ω SST has been used through the calculations. The results show that increasing inlet distortion cause to decrease performance and rotor efficiency. Furthermore, for this rotor modeling condition, in 5% and 10% blockage, air injection can improve the rotor performance, but for more than 10% blockage, a strong wake region is formed after the distortion screen and air injection can cause negative effects on rotor performance. Because the strong instabilities can adversely affect the injectors flow and this method instead of modifying the flow field, make it more non uniform than before.