Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
AERODYNAMIC FORCING & DAMPING COMPUTATIONS IN A TRANSONIC AXIAL TURBINE OF A TURBOCHANRGER USING TIME & FREQUENCY DOMAIN FLOW TRANSFORMATION TECHNIQUES
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Energy Technology.
2016 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The current report discusses efficient and accurate numerical techniques to evaluate aerodynamic disturbance and damping forces based on investigations carried out at ABB Turbo System AG. The test turbomachine comprises a single-stage transonic axial turbine analysed with the fluid dynamic software ANSYS CFX 17.0 and post-processing tool Matlab. In the first stage, the 23 unequally spaced stators 33 rotors turbine configuration was scaled to two configurations with 22 and 24 equally spaced stators respectively and 33 rotors. These configurations permit integer reduction of blade count across adjacent blade rows and as such a reduced computational domain. An innovative time domain signal patching routine was implemented to recover the original 23 stators 33 rotors blade forces in the cylindrical direction and generalised force from the 22 and 24 stators configurations with reasonable accuracy. Computational savings of 57.5% were enabled with such an approach. To further reduce computational demand, the two configurations with 22 and 24 equally spaced stators were simulated with time domain flow field transformation methods; profile transformation, time inclination and Fourier method. A comparison of total blade and midspan forces in cylindrical direction, generalised force and local unsteady pressures demonstrated the capacity of the time inclination and Fourier methods to capture harmonic data within an accuracy of 15%. Moreover these time domain flow field transformation methods when used in conjunction with the signal patching routine allowed for computational savings larger than 93%. In the second stage, two different strategies to extract aerodynamic damping forces were compared. The first termed aerodynamic influence coefficient method (AIC) takes into account the aerodynamic influence of an oscillating blade on neighbouring blades in a blade row was introduced. This approach enables a single numerical simulation for the construction of an aerodynamic damping curve. The second approach involves simulating each travelling wave mode and extracting the corresponding unsteady aerodynamic work for damping derivation termed as the energetic approach (EA). An evaluation into the accurate set-up of the AIC method indicated the need to run a full 33 rotors simulation without the assignment of spatial periodic boundaries to limit false boundary settings. Moreover, the influence across 23 of the blades needed to be asses to obtain an accurate aerodynamic damping curve. The energetic approach was carried out using a simple transient method, the time domain flowfield transformation Fourier method and the time/frequency domain flowfield transformation harmonic balance method. Both the Fourier and harmonic balance methods predicted identical aerodynamic damping values to the transient case at three interblade phase angles with large computational savings. However, instabilities at backward travelling waves for the harmonic balance limited its application. Identical aerodynamic damping predictions with the AIC method, energetic approach with Fourier method and harmonic balance methods verified three numerical aerodynamic damping prediction approaches. A comparison of computational cost however suggests that the Fourier and harmonic balance methods are more efficient techniques for future damping computations.

Abstract [sv]

Den aktuella rapporten diskuterar effektiva och noggranna numeriska metoder för att utvärdera aerodynamisk störning och aerodynamisk dämpning och bygger på undersökningar som har utförts vid ABB Turbo System AG. Undersökningar fokuserar på en en-stegs transonisk axial turbin som har analyserats i ANSYS CFX 17.0 och Matlab. Det ursprungliga turbinsteget innehöll 23 ojämnt fördelade stator skovlar och 33 rotor skovlar som sedan skalades till två konfigurationer med 22 och 24 jämnt fördelade stator skovlar respektive och 33 rotor skovlar. Dessa nya konfigurationer tillåter reducering av bladantalet i beräkningsdomänen och därmed minskar CPU tiden för simuleringen. En innovativ metod baserad på överlappning av signalen i tidsdomänen användes för att återskapa resultat för den ursprungliga 23 stator / 33 rotor konfigurationen. Beräkningskapacitet besparingar på 57,5% möjliggjordes med ett sådant tillvägagångssätt. För att ytterligare minska beräkningstiden, på de två konfigurationer med 22 och 24 jämnt fördelade statorer tillämpades de tillgängligha tidsdomän trasformationer i ANSYS CFX: profil transformation, tidslutning och Fourier metod. En jämförelse av den totala kraften och generaliserade kraften på skoveln samt jämförelse av det lokala instationära trycket visade tidslutning och Fourier metoden har kapacitet att leverera resultat med en noggrannhet på 15 %. Dessutom när dessa tidsdomän-transformationsmetoder används i samband med signal överlappningsmetoden som nämndes ovan, en tidsbesparing på 93 % kunde åstadkommas.

I den andra delen av projektet jämfördes två olika strategier för att räkna fram den aerodynamiska dämpningen. Den första kallas för aerodynamiska influens koefficient metoden (AIC) och den tar hänsyn till aerodynamisk påverkan av en oscillerande skovel på angränsande skovlar i en turbin rotorrad. På så sätt kan en enda numerisk simulering räcka till att framställa aerodynamisk dämpning för alla nodaldiametrar. Den andra metoden (så kallad energimetod (EA)) innebär att man simulerar varje nodaldiameter för sig och extraherar den instationära aerodynamiska arbetet. Undersökningen påvisade att i den AIC metoden behövde man köra simulering med alla 33 rotorblad, eftersom tilldelning av periodiska randvillkoren resulterade i felaktiga resultat. Dessutom för att återskapa en exakt aerodynamisk dämpning kurva behövde man ta hänsyn till påverkan av 23 av 33 bladen. Den energimetoden utfördes med användning av tidsdomän transformation genom Fourier metoden och Harmonisk balansmetoden. Både Fourier och Harmonisk balans metoder predikterade identiska aerodynamiska dämpningsvärden med stora beräkningsbesparingar. Men instabiliteter vid bakåt gående vågor (negativa nodaldiametrar) för harmonisk balans begränsade tillförlitlighet av den metoden. En jämförelse av kostnaden med avseende på simuleringstiden antyder dock att Fourier och harmonisk balans metoder är mer effektiva tekniker för framtida aerodämpning beräkningar.

Place, publisher, year, edition, pages
2016. , 78 p.
National Category
Mechanical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-193573OAI: oai:DiVA.org:kth-193573DiVA: diva2:1019374
Supervisors
Examiners
Available from: 2016-10-04 Created: 2016-10-04 Last updated: 2016-10-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(3423 kB)194 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3423 kBChecksum SHA-512
e54782532a04d15db26933bc9a54b685234da0a02b88adcff45c914d6c123710f4da7f618747eb228124c317fef57ca142cb967bbe809c7f00bcf79d2a6362ab
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Energy Technology
Mechanical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 194 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 262 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf