This paper describes an application of centrifugal compressor optimization system, in which the blade profile of impeller is represented with NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline) curve. A commercial CFD(Computational Fluid Dynamics) program named NUMECA fine/turbo was used to evaluate the performance of the whole centrifugal compressor flow passage including impeller and diffuser. The whole optimization design system was integrated based on iSIGHT, a commercial integration and optimization software, which provides a direct application of some optimization algorithms. To insure the practicability of optimization, the performance of centrifugal compressor under all condition was concerned during the optimizing process. That means a compositive object function considering the aerodynamic efficiency, pressure ratio and mass flow rate under different work condition was applied by using different weight number for different conditions. Using the optimization method described in this paper, an optimized design of the impeller blade of centrifugal compressor was obtained. Comparing to the original design, optimized design has a better performance not only under the design work condition, but also the off-design work condition including near stall and near choke condition.
Numerical simulations on a single stage transonic compressor which is developed by Korea Aerospace Research Institute are carried out and their results are compared with experimental data for cross validations. Comparisons between experimental data and numerical simulation results show good agreements on a performance curve, static pressure and total pressure distributions. CFD results show that there is a clear interaction between tip leakage flow and normal shock in the rotor passage. Tip leakage flows are almost dissipated after the strong normal shock and it forms a strong recirculation near the blade tip. Also a large separation region grows on the suction surface just after the normal shock. As the pressure ratio and blade loading increase, the normal shock line moves upstream and it starts to deviate from the blade leading edge. Then the tip leakage flow does not overcome the strong adverse pressure gradient and flow blockage originated from the tip recirculation region. As a result, the tip leakage flow heads for the neighboring blade leading edge, which results in a compressor stall.
Three different geometry shapes of the blade leading edge in a centrifugal compressor were investigated in this paper. Numerical simulation was done to analyze the effect of the leading edge shape on the performance of the centrifugal compressor. The result shows that compared to the blunt leading edge, the circular leading edge will raise the chocking mass flow. The pressure ratio and efficiency will increase obviously. Using elliptical leading edge will get a further improvement on the performance than circular leading edge. The analysis of the flow field shows that the leading edge often causes flow separation near the inlet; using circular leading edge and elliptical leading edge will reduce the separation. What's more, using circular and elliptical leading edge will also reduce the wake loss near the outlet of the impeller. In a centrifugal compressor, using circular or elliptical leading edge on the splitter will improve the pressure loading distribution of main blade near the position of the splitter leading, which will increase the pressure ratio.
Analysis of flow phenomena in a centrifugal compressor impeller has been carried out with numerical simulation to understand the physics of flow near stall. Near stall point, tip leakage flow spills ahead of the leading edge of adjacent blade and other leakage flow passes over the clearance of the adjacent blade instead of rolling up into vortex within the passage. The tip leakage flow at the mid chord of impeller blade impinges against the pressure surface of the adjacent blade and then rolls up into vortex within the passage, which blocks the flow passage and generates viscous loss. The spillage of leakage flow ahead of the adjacent blade generates the recirculation of flow entering the impeller, which causes the power transferred into the flow by the impeller to decrease and blocks the flow passage. Near diffuser hub wall, flow recirculation occurs. As operating point goes to stall point, the core of recirculation approaches the impeller exit The length rises to peak point and then drops with mass flow reduction, while the height steadily rises.
Optimization using a hybrid multi-objective evolutionary algorithm coupled with response surface approximation has been performed to improve the performance of a transonic axial compressor with circumferential casing grooves. In order to optimize the operating stability and peak adiabatic efficiency of the compressor with circumferential casing grooves, tip clearance, angle distribution at blade tip and the depth of the circumferential casing grooves are selected as design variables. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport turbulence model are discretized by finite volume approximations. The trade-off between two objectives with the interaction of blade and casing treatment is determined and discussed with respect to the representative clusters in the Pareto-optimal solutions compared to the axial compressor without the casing treatment.
한국전산유체공학회 2003년도 The Fifth Asian Computational Fluid Dynamics Conference
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pp.233-234
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2003
Fly ash enters axial compressor when a turbomachinery is operated in an adverse environment. We have numerically investigated erosion of the blade and shroud in the turbulent compressor passage flow under the influence of gas-particle two-phase interaction. There have appeared quasi-three dimensional calculations on this subject but not the complete three-dimensional gas-particle interaction as done in the present work. Lagrangian particle tracing technique is used on the base of parallel processing for efficient calculation. Accuracy of the present code is tested using the benchmark lPL nozzle. In the DFVLR compressor blades, we have shown that a large number of particles passing through the tip clearance make impact on the blade tip and on the shroud. Higher degree of erosion is resulted by the heavier particles due to the centrifugal force.
한국전산유체공학회 2003년도 The Fifth Asian Computational Fluid Dynamics Conference
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pp.203-204
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2003
Fly ash enters axial compressor when a turbomachinery is operated in an adverse environment. We have numerically investigated erosion of the blade and shroud in the turbulent compressor passage flow under the influence of gas-particle two-phase interaction. There have appeared quasi-three dimensional calculations on this subject but not the complete three-dimensional gas-particle interaction as done in the present work. Lagrangian particle tracing technique is used on the base of parallel processing for efficient calculation. Accuracy of the present code is tested using the benchmark JPL nozzle. In the DFVLR compressor blades, we have shown that a large number of particles passing through the tip clearance make impact on the blade tip and on the shroud. Higher degree of erosion is resulted by the heavier particles due to the centrifugal force.
The objective of this research is to suggest anoise prediction method for a centrifugal compressor. It is focused on the Blade Passing Frequency component which is regarded as the main part of the rotating impeller noise. Navier-Stokes solver is used to simulate the flow-field of the centrifugal compressor, and the time-dependent pressure data are calculated to perform the near-field noise prediction by using Ffowcs Williams - Hawkings formulation. Indirect Boundary Element Method is applied to consider the noise propagation effect. Pressure fluctuations of the inlet and the outlet in the centrifugal compressor impeller are presented and the sound pressure level prediction results are compared with the experimental data.
Numerical optimization techniques combined with a three-dimensional thin-layer Navier-Stokes solver are presented to find an optimum shape of a stator blade in an axial compressor through calculations of single stage rotor-stator flow. Governing differential equations are discretized using an explicit finite difference method and solved by a multi-stage Runge-Kutta scheme. Baldwin-Lomax model is chosen to describe turbulence. A spatially-varying time-step and an implicit residual smoothing are used to accelerate convergence. A steady mixing approach is used to pass information between stator and rotor blades. For numerical optimization, searching direction is found by the steepest decent and conjugate direction methods, and the golden section method is used to determine optimum moving distance along the searching direction. The object of present optimization is to maximize efficiency. An optimum stacking line is found to design a custom-tailored 3-dimensional blade for maximum efficiency with the other parameters fixed.
Design optimization of a transonic compressor rotor(NASA rotor 37) was carried out using response surface method(RSM) which is one of the optimization methods. A numerical simulation was conducted using ANSYS CFX by solving three-dimensional Reynolds-averaged Navier Stokes(RANS) equations. Response surfaces that were based on the results of the design of experiment(DOE) techniques were used to find an optimal shape of blade which has the maximum aerodynamic performance. Two objective functions, viz., the adiabatic efficiency and the loss coefficient were selected with three design configurations to optimize the blade shape. As a result, the efficiency of the optimized blade is found to be increased.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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