بررسي عملكرد توربين جريان شعاعي يك توربين سرمايشي با استفاده از شبيه سازي عددي سه بعدي و مقايسه با نتايج تجربي

Performance analysis of the radial flow turbine of a cryogenic turbine using numerical simulation and comparison with experimental results

در اين پژوهش، توربين جريان شعاعي يك توربين سرمايشي بصورت عددي مورد بررسي قرار گرفته و در شرايط عملكردي مختلف با نتايج تجربي موجود مقايسه مي شود. هدف از اين پژوهش بدست آوردن منحني عملكرد توربين و تحليل جريان سه بعدي داخل توربين مي باشد. مدل كردن روتور و پوسته توربين به ترتيب با استفاده از نرم‌افزار بليدجن و كتيا، ايجاد شبكه مناسب روي دامنه روتور و پوسته توربين به ترتيب با استفاده از نرم‌افزار توربوگريد و انسيس مش، و در نهايت حل عددي جريان سه بعدي داخل توربين با استفاده از نرم‌افزار سي اف ايكس انجام مي‌شود. در اين نرم‌افزار، معادلات جريان تراكم‌پذير بر اساس روش فشار مبنا، با مدل آشفتگي انتقال تنش برشي حل مي‌شود. براي اطمينان از نتايج عددي، استقلال شبكه مورد بررسي قرار مي گيرد. نتايج حاصل از شبيه سازي عددي نشان مي دهد كه پديده خفگي در روتور توربين اتفاق مي افتد و همچنين ماكزيمم بازده توربين در سرعت دوراني 27000 دور بر دقيقه و دبي جرمي 174/0 كيلوگرم بر ثانيه، برابر 62 درصد مي شود. در نهايت، نتايج بدست آمده از شبيه سازي عددي با نتايج تجربي مقايسه مي شود. مقايسه نشان مي دهد كه نتايج عددي و تجربي تطابق خوبي دارند و بيشينه اين خطا برابر 27/7 درصد شده است.

In this study, the radial flow turbine of a cryogenic turbine is investigated numerically and then compared with the current experimental results at different operation conditions. In this investigation, the turbine performance curve is obtained and three dimensional flow field in the turbine is analyzed. The rotor and casting geometry are modeled in BLADE GEN and CATIA softwareʹs respectively. The TURBO GRID software is used for grid generation of rotor while the ANSYS MESH software is applied for grid generation of casting. Finally, 3D numerical solution of fluid flow in the turbine is solved by CFX flow solver. In this approach, compressible flow equations are solved according to the pressure based method with SST turbulence model. To ensure the numerical results, the grid independency is studied. Numerical simulation results show the flow is chocked through the turbine rotor. Also, the maximum turbine efficiency is equal 62 percent at flow conditions with rotational speed of 27000 rpm and mass flow rate of 0.174 kg/s. Finally, the performance characteristics of the turbine are obtained numerically which are then compared to the experimental results. The comparison shows good agreement between numerical and experimental results, and maximum error is 7.27 percent.