Numerical calculations of the small GTM-120 jet engine diffuser

Dawid Ślesik

Abstract

Number of projects related to small gas turbine engines has significantly increased recently. Current attempts to implement this sort of power plants are observed on a market of Unmanned Aerial Vehicles "UAVs”, gliders or electric cars. Moreover, there are growing attempts to implement small jet engines in the laboratory and industrial machinery such as, inter alia heaters, generators and turbomolecular pumps. Unfortunately, in spite of the continuous development, today's micro turbine gas engines are facing many challenges as for instance, labour economics and low overall efficiency. In 2009, one of the scientific association, “MEL Propulsion Association” has started its own research project located at the Faculty of Power and Aeronautical Engineering at Warsaw University of Technology, as a part of this trend. The main aim of the project is to study common problems involved with miniaturization process and find suitable solutions to increase the efficiency. During the development of the project, it was decided to build the engine test bench for further research and optimizing of purchased "GTM-120" gas turbine engine. Presented thesis is a part of miniaturization research project. It is focused on a flow research through the GTM-120 subassemblies. The purpose of this study was to perform an analysis of design and operating parameters of the GTM-120 engine compressor diffuser. To provide the necessary background for this task, analytical and numerical calculations of the inlet and whole single compressor stage has been carried out. During the study, Solidworks software was used as a CAD program, Ansys Workbench as a meshing application and Ansys Fluent for CFD simulations. Document body of the thesis is divided into six main parts. Theoretical introduction to the study contains a brief outline of the history and construction design of small gas turbine engines with a description of the basic problems of miniaturization process. The second chapter provides the analysis of the centrifugal compressor structure in terms of the specific technical solutions used at small turbine engines construction. Because of limited availability of professional literature it has been necessary to develop such theoretical support to perform an analysis of the technical solutions adopted to the GTM-120 single centrifugal compressor stage. Description and conclusions concerned with this part are described in details in the third chapter. At this point, a verification of the CAD models of compressor parts was also carried out for compliance with actual components located at the engine test stand. Thanks to this, the CAD files of inlet nozzle and diffuser, supplied by the GTM-120 manufacturer, as well as electric starter housing designed by the author, were approved for further CFD simulations. Due to the numerous errors of 409179-0024 impeller geometry and the failure of possibility to get the proper one from the Garrett company, it was decided to perform only the analytical calculations in this case. It should be pointed out that preliminary numerical simulations of the airflow through the compressor components have been started during the process of test bench creation. Due to this, first part of fourth chapter was devoted to the description of the current state of the GTM-120 engine test bench. Next step was to work out a proper calculation procedure based on a list of parameters which could be measured at that time on the test bench. Electric starter mounted in a front of the intake made a popular Bernoulli lemniscate solution too complicated to be applied. Therefore, as a part of this step, author developed suitable measuring procedure for a static and total pressure at the inlet nozzle. For this purpose, CFD simulations of simplified inlet nozzle and the electric starter geometry, using RANS turbulence modelling approach, were performed. Finally, on the inlet nozzle was implemented solution based on Pitot tubes and the results have been corrected with a suitable numerical factor at the end of measurements. Chapter four was completed with a presentation of the engine operating data obtained from the GTM-120 test bench with a step of 15 000 RPM in a range from 40 000 RPM to 120 000 RPM. Results contains average values of inter alia pressure, temperature and mass flow rate. Data is collected in tables and presented as charts with comments. The fifth chapter of the thesis contains crux of analytical and numerical calculations of described above compressor components. At first, CFD RANS simulations of intake and starter were supplemented by the pressure boundary conditions obtained from the engine test bench. In accordance to these results the analytical calculations of the Garrett-Honeywell impeller were carried out. The last step was to use previous output data as a boundary conditions to perform last CFD simulations of the diffuser. Nonetheless the diffuser flow matter had been earlier simplified to a single flow problem through the inter-blade duct. Data gained from these calculations is presented on relevant thermodynamic parameters maps with comments at the end of chapter five. Thesis conclusions were based on the analysis of the entire compressor stage with regard to the results obtained from the diffuser simulations. The main part of the conclusions is concerned with identification process of a crucial elements in the diffuser design, which have the greatest impact on the decreasing of the overall efficiency. At the end of study author suggested work guidance to improve the accuracy of the presented result
Diploma typeMaster of Science
Author Dawid Ślesik WMEiL
Dawid Ślesik,,
- Faculty of Power and Aeronautical Engineering
Title in PolishObliczenia numeryczne dyfuzora małego silnika odrzutowego GTM-120
Supervisor Paweł Oleszczak ITC
Paweł Oleszczak,,
- The Institute of Heat Engineering
Certifying unitFaculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unitThe Institute of Heat Engineering (IHE)
Study subject / specializationLotnictwo i Kosmonautyka
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date04-04-2013
Issue date (year)2013
Internal identifierMEL; PD-2202
Reviewers Paweł Oleszczak ITC
Paweł Oleszczak,,
- The Institute of Heat Engineering
, Andrzej Teodorczyk ITC
Andrzej Teodorczyk,,
- The Institute of Heat Engineering
Keywords in PolishMały silnik odrzutowy, GTM-120, obliczenia numeryczne sprężarki, sprężarka promieniowa, dyfuzor łopatkowy
Keywords in Englishxxx
Abstract in PolishProjekty poświęcone tematyce konstrukcji małych silników odrzutowych nabierają w ostatnim czasie wyraźnego rozpędu. Prowadzone obecnie, próby wdrażania tego typu jednostek, obserwuje się między innymi na rynku napędów małych samolotów bezzałogowych (tzw. “UAV”), motoszybowców czy też samochodów elektrycznych. Pojawiają się także próby wdrożenia w maszynach laboratoryjnych i przemysłowych, takich jak nagrzewnice, generatory energii czy pompy turbomolekularne. Niestety, pomimo ciągłego rozwoju, dzisiejsze małe silniki odrzutowe muszą stawiać czoło wielu problemom, jak na przykład kwestii poprawy ich niskiej ogólnej sprawności. W ten trend wpisuje się od 2009 roku projekt Koła Naukowego Napędów MELprop, działającego na wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa, Politechniki Warszawskiej. Jako cel projektu obrano badania problematyki miniaturyzacji silników odrzutowych i poszukiwanie rozwiązań konstrukcyjnych, podnoszących sprawność tego typu jednostek. W czasie rozwoju projektu podjęto decyzję o rozpoczęciu budowy hamowni przeznaczonej do badań i optymalizacji konstrukcji małego silnika odrzutowego GTM-120. Zaprezentowana praca stanowi część opisanego powyżej projektu, koncentrującą się na badaniach przepływów przez podzespoły silnika GTM-120. Celem przedstawionej pracy dyplomowej było wykonanie analizy konstrukcji i parametrów pracy dyfuzora sprężarki silnika GTM-120. Tłem do wykonania tego zadania były obliczenia analityczne i numeryczne całego stopnia sprężarki promieniowej oraz wlotu. W ramach tworzenia pracy dyplomowej korzystano z oprogramowania SolidWorks do edycji geometrii modeli oraz Ansys Workbench i Ansys Fluent do prowadzenia obliczeń numerycznych CFD. Praca została podzielona na pięć głównych rozdziałów. Wstęp teoretyczny do pracy stanowi krótki zarys historii i konstrukcji małych silników odrzutowych połączony z opisem podstawowych zagadnień miniaturyzacji. Rozdział drugi zawiera analizę konstrukcji wymienionych elementów, w ujęciu na specyficzne rozwiązania stosowane w małych silnikach odrzutowych. Z powodu trudno dostępnej literatury naukowej, rozbudowany rozdział teoretyczny był niezbędny do wykonania analizy rozwiązań zastosowanych w sprężarce promieniowej silnika GTM-120. Dzięki temu wyciągnięto wnioski przydatne do wykonania pomiarów na hamowni oraz postawiono tezy do ich obliczeniowej weryfikacji. Jako część analizy wykonano porównanie geometrii modelów 3D dla poszczególnych Dawid Ślesik OBLICZENIA NUMERYCZNE DYFUZORA MAŁEGO SILNIKA ODRZUTOWEGO GTM-120 podzespołów, z rzeczywistymi częściami znajdującym się na hamowni. W ten sposób do wykorzystania w dalszych obliczeniach, zatwierdzono model obudowy rozrusznika wykonany przez autora pracy oraz model wlotu i dyfuzora, dostarczony przez producenta silnika. Z racji na duże błędy geometrii modelu wirnika 409179-0024 firmy Garrett- Honeywell oraz niepowodzenie prób jej pozyskania bezpośrednio od producenta, zdecydowano się na obliczenia analityczne. Należy zwrócić uwagę na to, że wstępne obliczenia sprężarki silnika GTM-120, były prowadzone równolegle z pracami na powstającej hamowni. Z tego powodu początek rozdziału czwartego został poświęcony opisowi aktualnego stanu budowy hamowni silnika GTM-120. Pierwszym krokiem do wykonania pomiarów było rozpisanie procedury obliczeniowej, w oparciu o parametry, które były osiągalne do zmierzenia w tym czasie na hamowni. Szczególnie ważne było opracowanie metody pomiaru parametrów pracy wlotu, bez demontowania rozrusznika, który uniemożliwiał wykorzystanie popularnej w tym przypadku lemniskaty Bernoulliego. W tym celu wykonano uproszczone symulacje numeryczne CFD dla założonych parametrów pracy wlotu wykorzystując metodę uśredniania Reynoldsa (RANS, Reynolds Average Navier Stokes) dla stanu ustalonego. Ostatecznie na hamowni zostały wdrożone klasyczne rozwiązania oparte na rurkach Pitota, w zestawieniu z numerycznym współczynnikiem korekcji wyników. Rozdział czwarty został zakończony przedstawieniem wyników pomiarów zebranych na hamowni silnika, w zakresie od 40 000 do 120 000 [obr/min] z krokiem 15 000 [obr/min]. W tabelach oraz wykresach zaopatrzonych w odpowiednie komentarze, zebrano między innymi wartości ciśnień, temperatur oraz powietrza. Przedostatnim etapem pracy dyplomowej było wykonanie właściwych obliczeń analitycznych i numerycznych podzespołów sprężarki, zakończone zebraniem wniosków. W pierwszym kroku obliczenia wlotu zostały uzupełnione o warunki brzegowe uzyskane z pomiarów. Wykorzystując uśrednione wyniki pracy wlotu, wykonano obliczenia analityczne dla wirnika sprężarki 409179-0024. Pozwoliło to uzyskać warunki brzegowe do ostatecznych obliczeń dyfuzora. Zagadnienie dyfuzora uproszczono natomiast, do obliczeń numerycznych pojedynczego kanału międzyłopatkowego. Wyniki tych obliczeń zostały poparte wnioskami i zobrazowane na mapach parametrów termodynamicznych, w rozdziale piątym. Wnioski z pracy zostały oparte na analizie parametrów pracy całej sprężarki, dzięki uzyskanym danym z obliczeń dyfuzora. Głównym elementem podsumowania było wskazanie elementów newralgicznych w konstrukcji dyfuzora, które mają największy wpływ na spadek sprawności sprężarki. W podsumowaniu pracy zwarto także wskazówki mogące zwiększyć dokładność zaprezentowanych wyników
File
Obliczenia numeryczne dyfuzora małego silnika odrzutowego GTM-120.pdf 4.82 MB

Get link to the record
msginfo.png

Back