Multi-Objective Optimisation of Axial Flow Turbomachinery of High Specific Performance  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
63704
Type K
Principal investigator Vad, János
Title in Hungarian Fokozott fajlagos teljesítményű axiális átömlésű forgógépek többcélú optimalizálása
Title in English Multi-Objective Optimisation of Axial Flow Turbomachinery of High Specific Performance
Keywords in Hungarian axiális átömlésű forgógépek, CFD, hatásfok-javítás, zajcsökkentés, többcélú optimalizálás
Keywords in English axial flow turbomachinery, CFD, efficiency gain, noise reduction, multi-objective optimisation
Discipline
Flow and Thermal Technology (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent Department of Fluid Mechanics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Koscsó, Gábor
Lohász, Máté Márton
Nagy, László
Rábai, Gergely
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-07-31
Funding (in million HUF) 12.563
FTE (full time equivalent) 5.21
state closed project
Summary in Hungarian
Gázszállító axiális átömlésű áramlástechnikai forgógépek – ventilátorok, fúvók, kompresszorok – lapátrácsának korszerű optimalizálása több cél egyidejű teljesítését tűzi ki feladatul. A numerikus szimulációs eszközökön valamint genetikai algoritmusokon alapuló, többcélú optimalizáció egyik fontos alkalmazási területe annak elérése, hogy előírt légtechnikai teljesítményű lapátozás a tervezési üzemállapotban vagy akár a teljes stabil üzemállapot-tartományon maximális energetikai hatásfokkal, de minimális zajkibocsátással rendelkezzen. A szakirodalomban publikált optimalizációs esettanulmányok alapvetően olyan lapátozásokra szorítkoznak, amelyek tervezése sugár mentén állandó lapátcirkulációra történt. Emiatt a lapátcsatornákban kialakuló áramlást csak bizonyos zónákban jellemzik háromdimenziós (3D) jelenségek. Az ipari légtechnika igényei kikövetelik fokozott fajlagos teljesítményű, ennek megfelelően sugár mentén növekvő lapátcirkulációra tervezett lapátozások optimalizálását. E lapátozásokban a lapátvégekről leúszó örvények miatti 3D áramlás a teljes lapátcsatornát uralja, jelentősen befolyásolva a gép energetikai és akusztikai viselkedését egyaránt. A javasolt kutatási program feladata: a többcélú optimalizáció módszertanának céltudatos kiterjesztése fokozott fajlagos teljesítményű axiálgép-lapátozásokra, a domináns 3D lapátcsatorna-áramlás jellegzetességeinek figyelembe vételével, áramlástechnikai és akusztikai esettanulmányok tapasztalatainak felhasználásával.
Summary
The modern optimisation techniques applied to the blade rows of gas-handling axial flow turbomachinery (fans, blowers, compressors) have multiple objectives. An important application area of such techniques, based on numerical simulation tools and genetic algorithms, is to obtain bladings of prescribed aerodynamic performance with maximum energy efficiency and minimum noise emission, at the design point or even over the entire stable operating range. The optimisation case studies available in the open literature basically regard bladings of free vortex design (i.e. the design blade circulation is constant along the radius). In such cases, the blade passage flow is characterised by three-dimensional (3D) flow phenomena in certain zones only. The demands of industrial air technology necessitate the optimisation of bladings of high specific performance, obtained by design for blade circulation increasing along the radius. The resultant vortices shed from the blade trailing edges generate 3D flow dominating the entire blade passage and influencing significantly the energetic as well as acoustic behaviour of the machinery. The proposed research program aims at extending the methodology of multi-objective optimisation to axial flow turbomachinery blades of high specific performance in a conceptual manner, with consideration of features of 3D flow dominating the blade passage, supported by the experiences gathered in aerodynamic and acoustic case studies.




 

Final report

  
Results in Hungarian
1) Axiális átömlésű ventilátorok „szabályzott örvény” tervezésére valamint a lapátnyilazás/lapátferdítés alkalmazására vonatkozó új megállapítások és mérnöki támpontok, amelyek hozzájárulnak a lapáttervezéshez, előírt fokozott légtechnikai teljesítmény maximális hatásfokon történő megvalósítása érdekében. A legfontosabb támpontok: - A sugár menti lapátcirkuláció-gradiens és a csatornafali határréteg kiszorító hatása közti összefüggés. Az előrenyilazás révén a radiális kiáramlás és így a kiszorító hatás mérsékelhető. - A lapát szívott oldali határrétegében a radiális irányú kiáramlás fokozódik, fokozva a gyűrűfalaktól távolabb a lapát menti folyadékpályák hosszát és így a falsúrlódás hatásfelületét, ezáltal esélyt adva az össznyomás-veszteség fokozódására. E kedvezőtlen hatás szintén a lapátozás előrenyilazásával mérsékelhető. -Az előrenyilazás/előreferdítés hatására adott térfogatáramon módosul a teljes lapátmagasság mentén a rááramlás axiális sebességprofilja és így a megfúvás szöge. Ezt a hatást figyelembe kell venni a lapátozás tervezésekor. 2) Olyan összetett numerikus áramlástani és numerikus akusztikai módszertan meghonosítása – távlatilag integrálva a nagy örvény szimuláció technikát is –, mely a fenti tervezési támpontokat a lapátozás előtervezési fázisa után figyelembe tudja venni, megalapozva az axiális forgógépek CFD alapú iteratív „szabályzott örvény” tervezését, a légtechnika, energetikai és akusztikai célok együttes elérése érdekében.
Results in English
1) Novel establishments and engineering guidelines related to controlled vortex design (CVD) and blade sweep/skew applied to axial flow fans, contributing to blade design, in order to realize prescribed aerodynamic performance at maximum efficiency. The most important guidelines are as follows: - Relationship between CVD spanwise blade circulation gradient and endwall blockage. By means of forward blade sweep, the radial outward flow, and thus, the near-tip blockage can be moderated. - Due to CVD, the radial outward flow is intensified in the blade suction side boundary layer, elongating the flow paths, thus increasing the effect of wall skin friction, leading to increase of total pressure loss. This unfavourable effect can be moderated also by means of forward sweep. - Due to forward sweep/skew, the inlet axial velocity profile, and thus, the incidence angle is modified along the entire span at prescribed flow rate. This effect is to be considered in blade design. 2) Domestication of a complex computational fluid dynamics (CFD) and computational aero-acoustics methodology – integrating the Large Eddy Simulation technique as a long-term investment –, for consideration of the above guidelines after the preliminary blade design phase, establishing the CFD-based iterative design of axial flow turbomachines of CVD, for simultaneous achievement of aerodynamic, energetic and acoustic goals.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=63704
Decision
Yes





 

List of publications

  
Horváth Cs; Vad J: Development and application of a multi-component hot wire measuring system, Proc. GÉPÉSZET’2006 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 963 593 465 3), 2006
Rábai G; Vad J; Lohász M M: Systematic optimization of the inlet flow condition for an axial flow blade cascade, Proc. GÉPÉSZET’2006 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 963 593 465 3), 2006
Nagy L; Vad J; Lohász M M: RANS simulation of RAF6 airfoil, Proc. GÉPÉSZET’2006 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 963 593 465 3), 2006
Vad J; Kwedikha A R A; Horváth Cs: Combined effects of controlled vortex design and forward blade skew on the three-dimensional flow in axial flow rotors, pp. 1139-1146 in: Proc. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’06), Budapest, Sep 6-9., 2006
Vad J; Kwedikha A R A: Experimental investigation on an axial flow wind tunnel fan by means of on-site measurements, Proc. GÉPÉSZET’2006 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 963 593 465 3), 2006
Vad J; Koscsó G; Gutermuth M; Kasza Zs; Tábi T; Csörgő T: Study of the aero-acoustic and aerodynamic effects of soft coating upon airfoil, JSME Int J, Series C, 49: 648-656, 2006
Vad J; Kwedikha A R A; Jaberg H: Effects of blade sweep on the performance characteristics of axial flow turbomachinery rotors, Proc Inst Mech Engineers - Part A: J Power Energy 220: 737 - 751, 2006
Rábai G; Vad J; Lohász M: Axiális átömlésű lapátrácsok belépő áramképének optimalizációja, GÉP LVII: 29 - 32, 2006, 2006
Vad J; Kwedikha A R A; Horváth Cs; Balczó M; Lohász M M; Régert T: Aerodynamic effects of forward blade skew in axial flow rotors of controlled vortex design, Proc Inst Mech Engineers - Part A: J Power Energy 221: 1011 - 1023, 2007
Vad J; Morlin B: Fluid mechanical model for formation of mineral wool fibers applied in polymer composites, Materials Science Forum 537-538: 269 - 276, 2007
Rábai G; Vad J; Lohász M M: Aerodynamic study on linear cascades of straight, arc-swept and twisted blades, pp. 589 - 598 in: Proc. 7th European Conference on Turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics (ETC’07), Athens, Mar 5 -9, 2007
Vad J: Aerodynamic effects of blade sweep and skew in low-speed axial flow rotors at the design flow rate: an overview, Proc Inst Mech Engineers - Part A: J Power Energy, 222: 69-85, 2008
Vad J: Advanced flow measurements, Műegyetemi Kiadó. Jelzet: 45085. ISBN 978 963 420 951 5., 2008
Nagy L; Lohász M M; Régert T; Vad J:: Hybrid/zonal RANS/LES computation of an airfoil, Proc. GÉPÉSZET’2008 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 978-963-420-947-8), 2008
Horváth Cs; Vad J:: High resolution velocity measurements upstream and downstream of an axial flow fan rotor, Proc. GÉPÉSZET’2008 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 978-963-420-947-8), 2008
Vad J; Horváth Cs:: The impact of the vortex design method on the stall behavior of axial flow fan and compressor rotors, Proc. ASME Turbo Expo, Berlin, June 9-13, ASME Paper GT2008-50333 (CD-ROM) (ISBN 0-7918-3824-2), 2008
Rábai G; Vad J: Aerodynamic study on linear cascades of straight, arc-swept and twisted blades, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering Series, 53 (1): 33-40, 2009
Horváth Cs; Vad J: Broadband noise source model acoustical investigation on unskewed and skewed axial flow fan rotor cascades, pp. 682-689 in: Proc. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’09), Budapest, Sep 9-12., 2009
Molnár L; Vad J: Design of a small-scale axial flow fan rotor of high specific performance, pp. 71-76 in: Proc. MICROCAD’2009 Konferencia (International Computer Science Conference), Miskolc, March 19-20., 2009
Lohász M M; Nagy L; Wurm H: LES of the transitional flow in a miniature centrifugal pump, pp. 826-832 in: Proc. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’09), Budapest, Sep 9-12., 2009
Tóth P; Lohász M M: Evaluation of the relationship between 2D vortex merging and its acoustic emission by tracking the vortices using Q criteria, pp. 642-649 in: Proc. Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’09), Budapest, Sep 9-12., 2009
Horváth I; Nagy L: Investigation of boundary layer separation of an airfoil in a zonal domain, pp. 39-44 in: Proc. MICROCAD’2009 Konferencia (International Computer Science Conference), Miskolc, March 18-20., 2010
Nagy L: Szárny körül kialakuló áramlás numerikus szimulációja, pp. 310-313 in: Proc. OGÉT 2010-XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Baia Mare, April 22-25., 2010
Horváth Cs; Orestis V: Különböző numerikus háló topológiai átmenetek összehasonlítása CFD vizsgálattal, pp. 182-185 in: Proc. OGÉT 2010-XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Baia Mare, April 22-25., 2010
Benedek T; Horváth Cs: Különböző turbulenciamodellek összehasonlítása axiális átömlésű ventilátor CFD vizsgálatában, pp. 64-67 in: Proc. OGÉT 2010-XVIII. Nemzetközi Gépészeti Találkozó, Baia Mare, April 22-25., 2010
Vad J: Application of controlled vortex design concept to axial flow industrial fans, Proc. GÉPÉSZET’2010 (Conference on Mechanical Engineering), Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Budapest, Hungary (CD-ROM) (ISBN 978-963-313-007-0), 875-881, 2010
Vad J: Radial fluid migration and endwall blockage in axial flow rotors, Proc Inst Mech Engineers - Part A: J Power Energy, 224: 399-417, 2010



Back »