Eksenel fanlarda rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinin ve kanat profillerine kaydırma uygulamasının performansa etkileri

Bu çalışmada eksenel fan modeli kullanılarak rotor ve stator kademeleri arasında tanımlanan etkileşim yüzeyi modellerinin ve rotor kanadı profilleri üzerinde uygulanan kaydırma yönteminin etkileri HAD analizleri yapılarak incelenmiştir. Turbomakinelerin HAD analizlerinde rotor ve stator kademeleri arasındaki geçişler için tanımlanan duran çark (frozen rotor), karışım yüzeyi (stage-mixing plane) ve zamana bağlı rotor stator (transient rotor-stator) modeli olmak üzere üç farklı model bulunmaktadır. Tezin ilk bölümünde bu üç modelin referans eksenel fan modelinin performansına etkisini incelemek için zamandan bağımsız analizlerde kullanılan duran çark ve karışım yüzeyi modelleri ile zamana bağlı analizler için geliştirilen zamana bağlı kanat kademesi (transient blade row) modellerinden zaman dönüşümü (time transformation) modelleri kullanılarak analizler gerçekleştirilmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Analizler, belirlenen devir sayısında ilk olarak zamandan bağımsız rotor-stator etkileşim yüzeyi modellerinden duran çark ve karışım yüzeyi modelleriyle çözülmüştür. Daha sonra başlangıç şartları karışım yüzeyi çözümleri tanıtılarak zamana bağlı kanat kademesi modellerinden, zaman dönüşümü yöntemiyle çözülmüş ve analiz sonuçları farklı performans parametreleri üzerinden kıyaslanmıştır. Üç farklı etkileşim yüzeyi modeli kullanılarak analiz edilen eksenel fan modeli analizi sonuçları kıyaslandığında, karışım yüzeyi ve duran çark modelleri ile elde edilen statik basınç ve verim eğrilerinin birbirlerine yakın sonuçlar verdiği, zaman dönüşümü modelinin ise bu iki modelden özellikle düşük debilerde daha fazla statik basınç artışı ve verim oluşturduğu görülmüştür. Daha sonra bu üç yöntemle elde edilen HAD analizi sonuçları son işleyici modülü üzerinden, rotor ve stator kanatları üzerinde oluşan basınç ve hız dağılımları, akım çizgileri ve kanat üzerinde oluşan basınç dağılımları gibi parametrelerce farklı kanat kesitlerinde incelenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde ise eksenel fanlarda kanat profillerinin taşınması uygulamalarından kaydırma yöntemi, refereans fan modeli rotor kanatlarına uygulanmıştır. Rotor kanadı profilleri, kanat kesidinin veter uzunluğu doğrultusunda öne ve arkaya doğru 30°'lik açıda kaydırılarak iki farklı model elde edilmiştir. Kaydırma yöntemiyle hazırlanan fan modelleri ilk olarak karışım yüzeyi modeliyle analiz edilerek performans eğrileri incelenmiştir. Kaydırma uygulanan modeller ile referans fan modelinin debiye göre statik basınç artışları ve verim eğrileri birbirinden farklı sonuçlar ortaya çıkarmıştır. Öne doğru kaydırma uygulanan rotor modeli fanın çalışma aralığını genişletmiş ancak düşük debilere kaydırmıştır. Arkaya doğru kaydırma uygulanan model ise tam tersi fanın çalışma aralığını daraltmış fakat daha yüksek debilerde akış geçirdiği görülmüştür. Verim eğrisi incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin rererans fana göre nispeten daha yüksek değerler verdiği, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise daha düşük değerlerde verim sağladığı görülmüştür. Daha sonrasında analizler sonucunda, rotor kanatları üzerinde farklı kesitlerdeki boyutsuz basınç katsayısına göre basınç dağılımları incelendiğinde ise öne doğru kaydırma uygulanan modelin referans modele göre aerodinamik yükü bir miktar azalttığı, arkaya doğru kaydırma uygulanan modelin ise aerodinamik kanat yükünü arttırdığı görülmüştür. Son olarak, kaydırma uygulanan modeller karışım yüzeyi modeli çözümlerine ek olarak en yüksek verim noktalarındaki debiler için duran çark ve zaman dönüşümü modelleriyle da analiz edilerek sonuçlar değerlendirilmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri, ANSYS CFX 17.2 üzerinden gerçekleştirilmiştir. Fan katı modelinin geometrisi, ANSYS DesignModeler modülü kullanılarak oluşturulmuş ve ağ yapıları hazırlanmak üzere ANSYS TurboGrid modülüne aktarılmıştır. TurboGrid ile rotor ve stator kademeleri kanatları için çözüm ağları hazırlanmıştır. Hazırlanan çözüm ağlarının, ağdan bağımsız sonuçlar verdiği ve y+ değerlerinin kabul edilebilir düzeyde olduğu değerlendirmesi yapılmasının ardından orta sıklıktaki ağ yapısı üzerinden çalışmalara devam edilmiştir. Hazırlanan çözüm ağları ANSYS CFX programına aktarılarak akış koşulları ve çözüm parametreleri tanıtılmıştır. Akış bölgesi, zaman dönüşümü modeli uygulanmasında gerekli olan aralık (pitch) koşulunun sağlanabilmesi için 5 stator ve giriş hacmi ile birlikte 3 rotor ve çıkış hacmi şeklinde periyodik sınır koşulları uygulanarak modellenmiştir. Daha sonra ön işleyici (CFX-Pre) modül üzerinden akış özellikleri, sınır şartları, akış bölgesi ara yüzeyleri ve çözüm kontrol parametreleri tanımlanmıştır. Analizlerde SST k-w türbülans modeli tercih edilmiştir. Hesaplamalar, çözücü (CFX-Solver) modülü üzerinden yapılarak son işleyici (CFD-Post) modülü ile analiz sonuçları görüntülenmiştir. Bu çalışma ile hem dönen ve dönmeyen hacimlerden oluşan eksenel fanlar arasındaki arayüzler için tanımlanan rotor stator etkileşim yüzeyi modellerinin hem de literatürde farklı değerlendirmeler yapılan kanat profillerine kaydırma uygulamasının fan performansına etkileri incelenmiştir. Çalışma sonucunda iki konuda da literatüre katkıda bulunacak sonuçlar elde edilmiş ve değerlendirmelerde bulunulmuştur.