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Analysis of the influence of the tip clearance on the performance of transonic compressors
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Authors
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Abstract(s)
In aviation, compressor efficiency is essential for reducing operating costs and improving engine performance. More efficient compressors consume less fuel, which reduces airlines' expenses. It is with this goal in mind that this study was carried out, focusing on the analysis of a transonic compressor. This study explores the performance of the NASA Rotor 67 axial compressor in two configurations: with and without tip clearance. Computational fluid dynamics simulations were carried out to evaluate the effects of tip clearance on the flow characteristics and overall efficiency of the compressor. Tip clearance refers to the small gap between the blade tips of a rotor and the surrounding casing in turbomachinery. This gap is necessary and intentionally designed to allow for thermal expansion, mechanical tolerances, and structural deformation during operation to ensure that the blades do not come into direct contact with the casing. In this study, Ansys CFX software was used as a tool to analyze the aerodynamic performance of the transonic compressor under steady-state conditions, and the model used for the simulations was the SST k-? turbulence model. Ansys CFX makes it possible to accurately simulate the complex flow phenomena present in turbomachinery, including the effects of compressibility. The analysis focused on critical performance metrics such as pressure ratio and efficiency, comparing the two models to understand the impact of the gap on flow characteristics. Contours of the relative Mach number and pressure distributions were used to study the flow behavior in different sections of the rotor, highlighting the main differences between the two cases. The results showed that the absence of spacing improves performance, achieving higher pressure ratios and more uniform flow patterns near the blade tips, where the irregularities induced by spacing were mitigated. This was expected, as tip clearance is associated with leaked losses, which can reduce overall efficiency.
Na aviação, a eficiência dos compressores é essencial para reduzir custos operacionais e melhorar o desempenho dos motores. Compressores mais eficientes consomem menos combustível, o que diminui as despesas das companhias aéreas. É com esse objetivo em mente que foi realizado este estudo, focando-se na análise de um compressor transónico. Este estudo explora o desempenho do compressor axial NASA Rotor 67 em duas configurações: com e sem espaçamento na ponta das pás (tip clearance). Foram realizadas simulações de dinâmica de fluidos computacional para avaliar os efeitos do espaçamento na ponta nas características do escoamento e na eficiência global do compressor. O espaçamento na ponta das pás refere-se ao pequeno espaço entre as pontas das pás de um rotor e o invólucro circundante nas turbomáquinas. Esta folga é necessária e intencionalmente concebida para permitir a expansão térmica, as tolerâncias mecânicas e a deformação estrutural durante o funcionamento, de modo a garantir que as pás não entrem em contacto direto com a carcaça. Neste estudo, o software Ansys CFX foi utilizado para analisar o desempenho aerodinâmico do compressor transónico em condição estacionária, tendo sido utilizado o modelo SST k-? para as simulações. O Ansys CFX permite simular com precisão os fenómenos de escoamento complexos presentes nas turbomáquinas, incluindo os efeitos da compressibilidade. A análise focou-se em métricas de desempenho críticas, como a razão de pressão e a eficiência, comparando os dois modelos para compreender o impacto do espaçamento nas características do escoamento. Foram utilizadas isolinhas do número de Mach relativo e das distribuições de pressão para estudar o comportamento do escoamento em diferentes secções do rotor, destacando as principais diferenças entre os dois casos. Os resultados demonstraram que a ausência de espaçamento melhora o desempenho, alcançando razões de pressão mais elevadas e padrões de escoamento mais uniformes junto às pontas das pás, onde as irregularidades induzidas pelo espaçamento foram mitigadas. Isto era esperado, uma vez que o espaçamento está associado a perdas que reduzem a eficiência global.
Na aviação, a eficiência dos compressores é essencial para reduzir custos operacionais e melhorar o desempenho dos motores. Compressores mais eficientes consomem menos combustível, o que diminui as despesas das companhias aéreas. É com esse objetivo em mente que foi realizado este estudo, focando-se na análise de um compressor transónico. Este estudo explora o desempenho do compressor axial NASA Rotor 67 em duas configurações: com e sem espaçamento na ponta das pás (tip clearance). Foram realizadas simulações de dinâmica de fluidos computacional para avaliar os efeitos do espaçamento na ponta nas características do escoamento e na eficiência global do compressor. O espaçamento na ponta das pás refere-se ao pequeno espaço entre as pontas das pás de um rotor e o invólucro circundante nas turbomáquinas. Esta folga é necessária e intencionalmente concebida para permitir a expansão térmica, as tolerâncias mecânicas e a deformação estrutural durante o funcionamento, de modo a garantir que as pás não entrem em contacto direto com a carcaça. Neste estudo, o software Ansys CFX foi utilizado para analisar o desempenho aerodinâmico do compressor transónico em condição estacionária, tendo sido utilizado o modelo SST k-? para as simulações. O Ansys CFX permite simular com precisão os fenómenos de escoamento complexos presentes nas turbomáquinas, incluindo os efeitos da compressibilidade. A análise focou-se em métricas de desempenho críticas, como a razão de pressão e a eficiência, comparando os dois modelos para compreender o impacto do espaçamento nas características do escoamento. Foram utilizadas isolinhas do número de Mach relativo e das distribuições de pressão para estudar o comportamento do escoamento em diferentes secções do rotor, destacando as principais diferenças entre os dois casos. Os resultados demonstraram que a ausência de espaçamento melhora o desempenho, alcançando razões de pressão mais elevadas e padrões de escoamento mais uniformes junto às pontas das pás, onde as irregularidades induzidas pelo espaçamento foram mitigadas. Isto era esperado, uma vez que o espaçamento está associado a perdas que reduzem a eficiência global.
Description
Keywords
Ansys Cfx Compressor Transónico Espaçamento na Ponta da Pá Rotor 67