Geriye eğimli ve düz kanatlı santrifüj tipi turbo kompresörlerin tasarımı ve analizi
Design and analysis of backward curved and straight blade centrifugal type turbo compressors
Yazar: ABDULKADİR ÇELİK
Danışman: PROF. DR. ŞEREF SOYLU
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Parametrik tasarım = Parametric design ; Santrifüj kompresör = Centrifugal compressor

Özet:
Turboşarj sistemleri, motor performansını artırmak için kritik bileşenlerdir ve bu çalışmada otomobillerde kullanılan turboşarjırlardaki santrifüj kompresörlerin çark tasarımına odaklanılmıştır. Çalışmanın amacı, farklı kanat sayılarına ve açısına sahip kompresör çarklarının performansını incelemek ve en iyi tasarım parametrelerini belirlemektir. Bu amaç doğrultusunda, geriye eğimli ve düz kanatlı çarkların tasarımları için literatürdeki teorik eşitlikler kullanılarak MATLAB yazılımı ile parametrik bir ön tasarım modeli geliştirilmiştir. Elde edilen boyutlar ANSYS Vista CCD modülüne entegre edilerek çarkın bir boyutlu modeli oluşturulmuş ve aerodinamik bağımlı parametreler hesaplanmıştır. Aerodinamik tasarım sonuçları ANSYS Blade Gen modülüne aktarılarak üç boyutlu çark modelleri oluşturulmuş ve SOLIDWORKS CAD programına aktarılmıştır. Bu şekilde modeller üretime hazır hale getirilmiştir. Blade Gen modülünden alınan veriler ile akış analizleri için ANSYS Turbo Grid modülünde çözüm ağı oluşturulmuş ve ANSYS Turbomachinery Fluid Flow modülünde üç boyutlu akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışma kapsamında yirmi farklı kanat modeli incelenmiştir. Sonuçlarda tasarlanan geriye eğimli 12 kanatlı çarkın 64000 dev/dk hızında %92,38 'e kadar verim sağladığını, ancak hızlandıkça veriminde ani düşüşler yaşandığını göstermiştir. Geriye eğimli 16 kanatlı çark ise %91,75 'e kadar verim ile daha stabil performans sergilemiştir. Düz 12 kanatlı çarkın en yüksek verimi 40000 dev/dk 'de %86,94 'e kadar yükselmiştir. Düz 16 kanatlı çarkta ise en yüksek verim aynı şekilde 40000 dev/dk 'de %86,96 'ya kadar yükselmiştir. Çark performansını etkileyen basma kenarı açısı ve kanat sayısı gibi değişkenlerin tasarım üzerindeki etkilerini veriler ışığında analiz ederek performans artışı sağlanabileceğini göstermiştir. Bu çalışma, kompresörlerin verimliliğini ve performansını geliştirmeye yönelik önemli bulgular sunmakta ve gelecekteki tasarımlar için rehberlik etmektedir.

Abstract:
Turbocharger systems are critical components for improving engine performance, and this study focuses on the impeller design of centrifugal compressors in automotive turbochargers. The objective of the study is to investigate the performance of compressor impellers with different blade numbers and angles and to determine the best design parameters. For this purpose, a parametric preliminary design model was developed with MATLAB software using the theoretical equations found in the literature for the design of backward curved and straight bladed impellers. The obtained dimensions were integrated into the ANSYS Vista CCD module to create a one-dimensional model of the impeller and to calculate the aerodynamic dependent parameters. The aerodynamic design results were transferred to the ANSYS Blade Gen module and three-dimensional impeller models were created and transferred to the SOLIDWORKS CAD program. In this way, the models were made ready for production. With the data obtained from the Blade Gen module, a solution mesh was created in the ANSYS Turbo Grid module for flow analysis, and a three-dimensional flow analysis was performed in the ANSYS Turbomachinery Fluid Flow module. Twenty different blade models were analyzed in the study. The results show that the designed backward curved 12-blade impeller provides up to 92.38% efficiency at 64000 rpm, but there is a sudden drop in efficiency as it accelerates. The backward curved 16-blade impeller showed more stable performance with efficiencies up to 91.75%. The maximum efficiency of the straight 12-blade impeller was 86.94% at 40000 rpm. The maximum efficiency of the straight 16-blade impeller also increased to 86.96% at 40000 rpm. It has been shown that performance improvement can be achieved by analyzing the effects of variables such as the discharge edge angle and number of blades on the design in the light of the data. This study provides important insights for improving compressor efficiency and performance.