Μέθοδος και Λογισμικό Παραμετροποίησης της Μορφής Πτερυγώσεων Στροβιλομηχανών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία, αφορά την ανάπτυξη μιας μεθόδου παραμετροποίησης της μορφής πτερυγώσεων στροβιλομηχανών αξονικής ή μικτής ροής, με σκοπό την αεροδυναμική βελτιστοποίηση της μορφής τους. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε εκμεταλλεύεται τις ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζουν οι καμπύλες Bezier και οι σύμμορφοι μετασχηματισμοί. Αρχικά, στην εργασία καθορίζονται οι παράμετροι σχεδιασμού του προβλήματος, οι οποίες κατά κύριο λόγο είναι σημεία ελέγχου διδιάστατων καμπυλών Bezier στο επίπεδο (R, z) και καθορίζεται ο ακριβής τρόπος με τον οποίο από τις παραμέτρους σχεδιασμού προκύπτει η τριδιάστατη γεωμετρία του πτερυγίου σε καρτεσιανές συντεταγμένες. Με τον καθορισμό των παραμέτρων σχεδιασμού και του τρόπου που από αυτές προκύπτει η μορφή της πτερύγωσης, ολοκληρώνεται ο καθορισμός της μεθόδου παραμετροποίησης που προτείνει η παρούσα διπλωματική εργασία. Στη συνέχεια, περιγράφεται λεπτομερώς το λογισμικό (σε FORTRAN 77) που προγραμματίσθηκε στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, το οποίο δέχεται ως είσοδο τις παραμέτρους σχεδιασμού και επιστρέφει αεροτομές του πτερυγίου σε μορφή τέτοια ώστε να μπορεί ένας γενέτης δομημένων ή μη-δομημένων πλεγμάτων να πραγματοποιήσει γένεση πλέγματος στη γεωμετρία. Στο τέλος της διπλωματικής εργασίας, επιβεβαιώνεται σε δύο σκέλη πως η μέθοδος μπορεί να παραμετροποιήσει επιτυχώς διάφορες μορφές πτερυγώσεων. Σε πρώτη φάση, παρουσιάζονται εικόνες που δείχνουν μορφές που προέκυψαν από χρήση του λογισμικού που προγραμματίσθηκε ενώ, σε δεύτερη φάση, παρουσιάζεται ολόκληρη η διαδικασία που πραγματοποιήθηκε για την αεροδυναμική βελτιστοποίηση της μορφής μιας πτερύγωσης μέσω εξελικτικών αλγορίθμων. Τελικό προϊόν της διπλωματικής εργασίας είναι μία μέθοδος παραμετροποίησης της μορφής πτερυγώσεων στροβιλομηχανών, η οποία εμπλουτίζει το λογισμικό που διαθέτει το Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών του ΕΜΠ.

This diploma thesis is concerned with the development of a parameterization method for the shape of turbomachinery blade rows. This parameterization method aims at supporting the aerodynamic optimization of the blade shape including likely the hub and shroud geometries. The method exploits the properties and the advantages of Bezier curves and conformal mappings. Firstly, in this diploma thesis, the design parameters of the method are defined. Most of them are control points of two-dimensional Bezier curves on the (R; z) plane. Then, the exact way in which the design parameters construct a three- dimensional geometry of the parameterized blade row in Cartesian coordinates is described. Given the definition of the design parameters and the description of the geometry construction based on them, the current parameterization method is thoroughly defined. Afterwards, the FORTRAN 77 software that implements the parameterization me- thod is described. The software was programmed during this work. It takes as input the design parameters and returns airfoils of the blade, at a format readable by a structured or unstructured grid generator software. At the last phase of this diploma thesis, the ability of this method to parameterize successfully various blade shapes is demonstrated. In the first part, pictures of geometries which were derived from the use of the software are presented. In the second part, the description of the whole procedure that was conducted during the aerodynamic optimization for the shape of a blade row using evolutionary algorithms is provided. The final product of this diploma thesis is a parameterization method for the shape of turbomachinery blades rows, which, in the future, could become a very useful tool for the aerodynamic optimization of blade rows at the Laboratory of Thermal Turbomachines,NTUA.