Μοντελοποίηση αξονικού στροβίλου με τη μέθοδο συσσώρευσης βαθμίδων σε περιβάλλον αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, σκοπός είναι η μοντελοποίηση του στροβίλου με χρήση της μεθόδου συσσώρευσης βαθμίδων στο υπολογιστικό πρόγραμμα PROOSIS ώστε να μελετηθούν και να παρουσιαστούν τα πλεονεκτήματα της εμβάθυνσης (Zooming) στη μοντελοποίηση της συνιστώσας. Για το σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε κώδικας για τη μοντελοποίηση της βαθμίδας αξονικού στροβίλου με τη μέθοδο συσσώρευσης βαθμίδων και δημιουργήθηκε μία καινούργια συνιστώσα στο πρόγραμμα. Με χρήση της νέας συνιστώσας μοντελοποιήθηκε ο πολυβάθμιος αξονικός στρόβιλος του κινητήρα Allison T-56 και αναπτύχθηκε κώδικας για τον προσδιορισμό των ολικών επιδόσεων του και τη παραγωγή του πεδίου χαρακτηριστικών του. Τα αποτελέσματα από την προσομοίωση της λειτουργίας του συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα από προγενέστερη μελέτη του ίδιου στροβίλου με την ίδια μέθοδο μοντελοποίησης, ώστε να γίνει πιστοποίηση της μεθόδου. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε μία νέα συνιστώσα στροβίλου που κάνει χρήση της μεθόδου συσσώρευσης βαθμίδων . Το πεδίο χαρακτηριστικών του στροβίλου αυτού, το οποίο παράχθηκε από την προσομοίωση της λειτουργίας του, μορφοποιήθηκε κατάλληλα ώστε να φέρει βοηθητικές γραμμές–β για να είναι συμβατό με το υπολογιστικό πρόγραμμα.Κατόπιν, δημιουργήθηκε το υπολογιστικό μοντέλο του αεριοστρόβιλου Tornado με τη συνιστώσα του στροβίλου που χρησιμοποιεί χάρτη για την προσομοίωση της ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Τομέας Ρευστών Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών λειτουργίας του. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση της λειτουργίας του αεριοστρόβιλου που κάνει χρήση στροβίλου γενικού χάρτη (Generic Map), με αντίστοιχο μοντέλο που κάνει χρήση του χάρτη που παράχθηκε από τη μέθοδο συσσώρευσης βαθμίδων (Stage Stacking Map). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε σύγκριση μεταξύ των μεγεθών του μοντέλου που φέρει το χάρτη της μεθόδου και του μοντέλου στο οποίο ενσωματώθηκε η νέα συνιστώσα του στροβίλου που δημιουργήθηκε. Τέλος, πραγματοποιήθηκε σύγκριση δύο μεθόδων εμβάθυνσης στη συνιστώσα του στροβίλου, οι οποίες είναι η μέθοδος συσσώρευσης βαθμίδων και η μέθοδος των απωλειών για δύο διαφορετικές διατάξεις της μηχανής. Όλες οι συγκρίσεις πραγματοποιήθηκαν για λειτουργία της μηχανής εκτός του σημείου σχεδίασης με σταθερές και με μεταβλητές στροφές, καθώς όλα τα μοντέλα έχουν τη δυνατότητα να προσομοιώσουν με ακρίβεια το σημείο σχεδίασης της μηχανής.Συμπεραίνεται ότι η μοντελοποίηση του στροβίλου με τη μέθοδο συσσώρευσης βαθμίδων οδηγεί σε πιστότερη προσομοίωση της λειτουργίας αυτού και του αεριοστρόβιλου σε σχέση με το μοντέλο της μηχανής που χρησιμοποιεί γενικό χάρτη. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων ενός μοντέλου αεριοστρόβιλου εξαρτάται από το βάθος της μοντελοποίησης των επιμέρους συνιστωσών του.

The aim of this diploma thesis is the turbine modeling with the Stage Stacking Method in the object-oriented simulation program PROOSIS so as to study and present the advantages of the zooming technique in the component modeling. For this purpose, a suitable code was developed in order to model the stage of an axial turbine with the stage stacking method and a new component was generated. Using this new component, the multistage axial turbine of the engine Allison T-56 was modeled and another code was developed in order to define its performance as well as to generate its maps. The outcomes of the simulation were compared with the outcomes of an earlier study of the same turbine with the same modeling method to certify the results of the code. The multistage axial turbine of the gas turbine Tornado was modeled and a new turbine component was generated, in order to integrate in the engine model. The turbine’s map, which was generated from the simulation, was properly formatted in order to be compatible with the software, which uses auxiliary coordinates (zeta-lines). Then, the engine model of Tornado gas turbine was generated using the turbine component operating a generic map. A comparison between the engine performance model using generic map turbine, the one using the map created from the stage stacking method and the one operating the stage stacking turbine component was conducted.Finally, for two different engine set-ups a method calculating losses was applied and the results were evaluated according to other component zooming techniques, for example the stage stacking method. The case of off-design performance with both steady and transient rotating speeds was studied, considering the results of the design point are certain to be precise. In conclusion, the stage-stacking turbine model leads to a more accurate performance simulation, than the model that uses a generic map. The precision of any performance results of an engine model depends on the zooming of the components modeling.