Aktif ve pasif kontrol yöntemlerinin radyal kompresör performansı üzerindeki etkilerinin sayısal incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of active and passive flow control methods on the performance of centrifugal compressors
Yazar: SÜLEYMAN EMRE AK
Danışman: DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akış kontrol teknikleri = Flow control techniques ; Radyal kompresör = Radial compressor ; Santrifüj kompresör = Centrifugal compressor ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic

Özet:
Doktora tezi kapsamında bir radyal kompresör geometrisi üzerinde aktif ve pasif akış kontrol yöntemleri HAD yöntemi ile incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Uygulanan akış kontrolü çalışmalarının radyal kompresörlerin performans, verim ve operasyon aralıkları üzerine olan etkileri farklı kompresör çalışma durumlarında modellenmiştir. Çalışmalarda UTRC'nin NASA kontratı ile geliştirdiği, ürettiği ve testlerini gerçekleştirdiği açık kaynaklı HECC geometrisi üzerinde çalışılmıştır. UTRC tarafından hazırlanan raporda HECC geometrisinin koordinatları kullanılarak geometri tekrar oluşturulmuştur. HECC geometrisi çark, yayıcı ve çıkış yönlendiricisi olmak üzere üç kanat sırasına sahiptir. Oluşturulan geometri üzerinde farklı çözüm ağı yoğunlukları, farklı zaman adımları ve farklı türbülans modelleri test edilerek deneysel çalışmalar ile modellemeler arasındaki farklar karşılaştırılmıştır. İdeal modelleme koşulları bulunduktan sonra kompresörün farklı çalışma şartlarında analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Kompresör çalışma eğrilerinin çıkartılmasından sonra akış kontrolü çalışmalarında kullanılmak üzere kompresörün stola girdiği debi ve bir çalışma debisi belirlenmiştir. Kompresör üzerinde gerçekleştirilen akış kontrol çalışmaları üç ana başlıkta yapılmıştır. Bunlar akışkan bazlı aktif akış kontrolü, değişken açılı kanat çalışması ve kompresör davlumbaz iyileştirme çalışmalarıdır. 
Kompresör üzerinde gerçekleştirilecek olan aktif akış çalışmasına başlamadan önce kontrol edilmek istenen kompresör çalışma durumlarındaki akış yapıları incelenerek akışkan bazlı aktüatörlerin konumları belirlenmiştir. Bu bölümde yayıcı ve çıkış yönlendirici kanatları üzerinde belirlenen aktüatörlerin çapları, debileri, emme veya üfleme yapmaları parametrik olarak incelenmiştir. Emme akış kontrolü yönteminin kompresör üstünde hem stol durumunda hem çalışma durumunda faydalı olduğu görülmüştür. 
Değişken açılı kanat çalışması ana ve yardımcı yayıcı kanatları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yayıcı kanatları merkez noktalarından artı ve eksi 5° arasında döndürülerek farklı kanat açılarının etkisi incelenmiştir. Yayıcı kanatları eksi dereceye çevirmek akış alanını daraltmakta, kanatları artı derecede çevirmek akış alanını genişletmektedir. Beklenildiği üzere kanatlar eksi derecedeyken kompresör daha düşük debilerde, artı derecedeyken daha yüksek debilerde çalışma performansı artış göstermektedir. Diğer yöntemler ile karşılaştırıldığında değişken açılı kanat kullanımı en iyi performansı ve verimi sağlamasa da kompresör operasyon aralığını en fazla artıran yöntem olmuştur. 
En son olarak davlumbaz üzerinde iyileştirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu bölümde ilk bir geri dönüş kanalı tasarımı gerçekleştirilmiş ve modellemesi yapılmıştır. Yapılan analiz çalışmalarında kompresörün stol durumundaki akış yapısının geri dönüş kanalına uygun olmadığı anlaşılmıştır. Bu yüzden bir başka davlumbaz iyileştirme yöntemi olan yiv eklentisi denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalarda davlumbaz üzerinde oluşturulan yiv eklentilerinin yüksekliği, konumları, sayıları ve aralarındaki mesafe parametrik olarak değiştirilerek kompresör performansı üzerindeki etkileri karşılaştırılmıştır. Stol durumunda iyi performans gösteren yiv eklentileri kompresör daha yüksek debide çalışmaya başladığında avantajını kaybetmekte ve mevcut durumun daha altında kalan bir performans göstermektedir.
En son bölümde denemeleri yapılan akış kontrol yöntemleri birbirleri ile karşılaştırılmış ve öneriler yapılmıştır.

Abstract:
Within the scope of this doctoral thesis, active and passive flow control methods on a radial compressor geometry were examined and compared with the CFD method. The effects of applied flow control studies on the performance, efficiency and operating range of radial compressors are modeled in different compressor operating conditions. Flow control is one of the various techniques that have been developed to increase compressor operating range. Because compressors run at varying speeds, altitudes, and temperatures, one of the designers' aims is to expand the compressor's stable operating range. At low flow rates, a compressor's operational range is restricted with surge line, while at high flow rates, it is restricted with choke line. 
The centrifugal compressor geometry used for this study is the open-sourced High Efficiency Centrifugal Compressor (HECC) which is designed and fabricated by United Technologies Research Center (UTRC) and National Aeronautics and Space Administration (NASA). HECC geometry is reconstructed from given profile points in UTRC's report. It involves three blade rows, which are impeller, vaned diffuser, and exit guide vanes. HECC's impeller row includes 15 pairs of blades, the diffuser row includes 20 pairs of blades, and the exit guide vane (EGV) row includes 60 cascade-type blades. 0.3 mm clearance to the shroud and it is included in the CFD model. Blades connect to the hub and shroud surfaces with a 2 mm radius which is also included in the CFD model. All the blades leading, and trailing edges are elliptical type. 
CFD simulations are performed with Ansys CFX. ANSYS CFX solves the Navier-Stokes equations using an implicit element-based finite-volume formulation. Different mesh densities, different time steps and different turbulence models were tested on the created geometry and the differences between the experimental studies and the models were compared. Transient solver is selected to account for transient behaviour of the flow. Second order accurate discretization are used. Flow is compressible so ideal gas approach is used for working fluid which is air. The flow is simulated as fully turbulent, and the SST k-w turbulence model is used. The simulations are carried out with double precision arithmetic. For the impeller and diffuser blade rows, one main and one splitter blade are simulated to lower computational effort.  Only one blade is used from the stationary EGV blade row. 
The design rotational speed which is 21789 rpm is defined at the impeller region. Total pressure of 1 atmosphere and total temperature of 15 °C set at the inlet of the compressor. Mass-flow boundary condition is used at the outlet boundary and this value is changed to simulate different operating conditions. Since all blade rows include a different number of blades, pitch ratios between domains are different, so a circumferential averaging type of interface is used between domains. The periodic boundary condition is used for the side surfaces of each domain. 
CFD results for different operating points are generated and compared against experimental results for two speeds of the impeller. Pressure ratios and adiabatic efficiencies are plotted against different mass flow values of the compressor. For the operating and surge regions, CFD results are in good agreement with experimental results. Velocity contours and vectors in the diffuser and EGV domains is investigated. When the compressor is running at the design mass flow rate, there is a noticeable flow separation zone forms around the leading edge of the main diffuser on the pressure side closer to the hub. When the mass flow rate in the compressor decreases, the flow separation zone arises on the suction surface of the diffuser vane close to the trailing edge. This phenomenon also can be seen from streamlines near the diffuser blades. For the EGV blades, flow separation is showing the same behaviour for operating and surge mass flow rates. It forms at the suction surface of the blades.
Flow control studies on the compressor were carried out under three main headings. These are fluid-based active flow control, variable angle diffuser blade and compressor casing treatment studies.
Before starting the active flow control study on the compressor, the flow structures of the compressor operating at different conditions were examined and the positions of the fluid-based actuators were determined. In this section, the diameters, flow rates, suction or blowing of the actuators determined on the diffuser blades and exit guide vanes are parametrically examined. In the diffuser region since the flow separation locations of the two operating points are different, the actuators are placed on different sides of diffuser blades. For operating mass flow, 7 suction control actuators will be placed at the blade pressure side, for the surge mass flow 3 suction control actuators are used. In the EGV region actuators are placed on suction side of the blade. Actuators are defined with different diameter circular holes. A mass flow out condition is defined at each actuator and a parametric optimization strategy is used to determine the optimal mass flow rate from each actuator. It has been seen that the suction flow control method is beneficial on the compressor both in stall and operating conditions. Suction flow control improved the pressure ratio by 0.85% and the adiabatic efficiency by 0.8% compared to the uncontrolled condition at the operation flow rate. When we made this comparison for the stall flow rate, the flow control increased the pressure ratio by 2.5% and the adiabatic efficiency by 2%. With the addition of flow control, the stall margin in the compressor has been increased from 24% to 32%.
Second control method investigated is variable angle diffuser blade. In this study angle of main and splitter diffuser blades are changed. The effect of different blade angles was investigated by rotating the diffuser blades from their center of mass between plus and minus 5°. Exit corrected mass flow boundary condition is used at outlet surface to find different operating points of the compressor. Turning the diffuser blades to minus degrees narrows the flow area, turning the blades to positive degrees widens the flow area. As expected, the operating performance of the compressor increases at lower flow rates when the blades are at negative degrees, and at higher flow rates when the blades are at positive degrees. Compared to other methods, the use of variable angle blades did not provide the best performance and efficiency, but it was the method that increased the compressor operating range the most. For all angles, the operating range in which the compressor can operate between maximum flow and minimum flow is calculated as 152%. As a result of the variable angle blade study on HECC geometry, it was seen that this method was successful in both improving the compressor performance and increasing the compressor operating range. Similar performance was observed at stall flow. In the working flow rate, the compressor pressure ratio increased by 3.77% and the compressor adiabatic efficiency increased by 2.98%. As its negative aspects, it increases the cost and volume of the compressor as an angle adjustment mechanism must be added to the diffuser blades of the compressor. In addition, fluctuating compressor operation may occur in the stall situation.
Finally, casing treatment studies were carried out on the compressor. In this section, first a return channel design and modelling are done. In the analysis studies, it has been understood that the flow structure of the compressor in the stall state is not suitable for the return channel. For this reason, another casing treatment method, groove trials were carried out. In these studies, the height, positions, numbers and distance between the groove inserts created on the casing were changed parametrically and their effects on the compressor performance were compared. Groove inserts that perform well in the stall state lose their advantage when the compressor starts to operate at higher flow rates and show a performance below the current situation. In the study, the grooves increased the compressor pressure ratio by 1.41% and the adiabatic efficiency value by 2.29% in stall flow. In the working flow rate, the pressure ratio decreased by 6.08% and the adiabatic efficiency value decreased by 3.94%.
In the last section, the flow control methods that were tested were compared with each other and suggestions were made.