Development of a one-dimensional code for the initial design of a micro gas turbine compressor stage
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The use of micro gas turbines for once-off and often unique applications means
that a generic, rapid turnaround design and performance evaluation process is
required. This thesis aims at developing an application based One Dimensional
(1D) design and flow analysis program to be used as an initial design tool for radial
and mixed flow compressors. The application was developed in MATLABĀ®. The
code is primarily based on the mean line flow and loss models developed by
Aungier (2000). For verification, 18 test compressors were developed using the
1D Application (App). These test compressors cover a wide range of design
velocities, mass flow rates, as well as meridional exit angles (mixed flow
compressors). Predicted performance results were validated using
Numeca/FINEā¢ Turbo software. Initial comparisons between 1D and CFD results
did not match very well. The 1D software generally over-predicted compressor
performance, i.e. total-to-total efficiency and pressure ratio. The 1D software
further provided fairly poor compressor choke prediction. Consequently, empirical
models to correct these deviations were derived and implemented into the 1D
software. Following these corrections, the results predicted by the modified 1D
application compared well with the CFD results obtained. Initial 1D mean line
results presented a mean choke prediction difference of 14.98% for the 18 test
compressors, with a maximum difference of 39.88%. In the updated 1D App code
the mean difference was reduced to 1.59% with a maximum difference of 4.97%.
Initial 1D mean line results presented a mean total-to-total pressure ratio prediction
difference of 9.31%, with a maximum difference of 17.27%. In the updated 1D App
code the mean difference was reduced to 1.24% with a maximum difference of
5.01%. Total-to-total efficiency predicted by the initial 1D mean line code
presented a mean difference of 11.23%, with a maximum difference of 15.09%. In
the updated 1D App code the mean difference was reduced to 0.74% with a
maximum difference of 1.57%. As a final means of validation, two more test
compressors were designed using the 1D App. Performance results compared
well with the CFD results.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die eenmalige en soms unieke gebruik en aanwending van mikro gasturbine enjins vereis dikwels ān generiese en spoedige ontwerps en werkverrigting evaluasie proses. Hierdie tesis beoog om ān toepassings gebaseerde Een Dimensionele (1D) ontwerps en vloei analise kode te ontwikkel wat sal dien as ān aanvanklike hulpmiddel vir die ontwerp van radiale en gemengde vloei kompressors. Die toepassing is in MATLABĀ® ontwikkel. Die kode is primĆŖr gebaseer op Aungier (2000) se 1D vloei en verlies modelle. Die 1D Toepassing (Toep) is gebruik om 18 toets kompressors te ontwerp wat sou dien as bewys van konsep. Hierdie 18 toets kompressors is ontwikkel om ān wye verskeidenheid ontwerps snelhede, massavloeitempos en meridionale uitlaat hoeke (gemengde vloei kompressors) te dek. Voorspelde resultate is geverifieer deur gebruik te maak van Numeca/FINEā¢ Turbo. Aanvanklike vergelykings tussen die 1D en Berekenings Vloeimeganika (BVM) resultate het nie goed ooreengestem nie. Die aanvanklike 1D sagteware het die kompressor werkverrigting (totaal-tot-totale isentropiese doeltreffendheid en drukverhouding) oor die algemeen te hoog voorspel. Die aanvanklike 1D sagteware het verder gebrekkige wurging voorspelling verskaf. Daarom is empiriese modelle afgelei om hierdie afwykings te kwantifiseer en korrigeer. Hierdie korreksies is in die 1D Toepassing kode geĆÆmplimenteer. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het resultate tot gevolg gehad wat goed ooreengestem het met die BVM resultate. Aanvanklike 1D kode wurgings resultate het ān gemiddelde afwyking met betrekking tot BVM resultate getoon van 14.98% vir die 18 toets kompressors, met ān maksimum afwyking van 39.88%. Hierdie afwyking is met die opgedateerde 1D Toepassing verlaag tot ān gemiddelde van 1.59% met ān maksimum afwyking van 4.97%. Die aanvanklike 1D kode het verder ān gemiddelde totaal-tot-totale drukverhouding afwyking getoon van 9.31% met ān maksimum afwyking van 17.27%. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het hiedie afwyking verlaag tot ān gemiddelde waarde van 1.24% met ān maksimum verskil van 5.01%. Die aanvanklike 1D kode het ān gemiddelde totaal-tot-totale isentropiese doeltreffendheid afwyking getoon van 11.23% met ān maksimum afwyking van 15.09%. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het hierdie afwyking verlaag tot ān gemiddelde waarde van 0.74% met ān maksimum verskil van 1.57%. As finale validasie is twee addisionele toets kompressors ontwerp met behulp van die 1D Toepassing. Die werksverrigting resultate van hierdie twee kompressors het goed ooreengestem met die toepaslike BVM resultate.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die eenmalige en soms unieke gebruik en aanwending van mikro gasturbine enjins vereis dikwels ān generiese en spoedige ontwerps en werkverrigting evaluasie proses. Hierdie tesis beoog om ān toepassings gebaseerde Een Dimensionele (1D) ontwerps en vloei analise kode te ontwikkel wat sal dien as ān aanvanklike hulpmiddel vir die ontwerp van radiale en gemengde vloei kompressors. Die toepassing is in MATLABĀ® ontwikkel. Die kode is primĆŖr gebaseer op Aungier (2000) se 1D vloei en verlies modelle. Die 1D Toepassing (Toep) is gebruik om 18 toets kompressors te ontwerp wat sou dien as bewys van konsep. Hierdie 18 toets kompressors is ontwikkel om ān wye verskeidenheid ontwerps snelhede, massavloeitempos en meridionale uitlaat hoeke (gemengde vloei kompressors) te dek. Voorspelde resultate is geverifieer deur gebruik te maak van Numeca/FINEā¢ Turbo. Aanvanklike vergelykings tussen die 1D en Berekenings Vloeimeganika (BVM) resultate het nie goed ooreengestem nie. Die aanvanklike 1D sagteware het die kompressor werkverrigting (totaal-tot-totale isentropiese doeltreffendheid en drukverhouding) oor die algemeen te hoog voorspel. Die aanvanklike 1D sagteware het verder gebrekkige wurging voorspelling verskaf. Daarom is empiriese modelle afgelei om hierdie afwykings te kwantifiseer en korrigeer. Hierdie korreksies is in die 1D Toepassing kode geĆÆmplimenteer. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het resultate tot gevolg gehad wat goed ooreengestem het met die BVM resultate. Aanvanklike 1D kode wurgings resultate het ān gemiddelde afwyking met betrekking tot BVM resultate getoon van 14.98% vir die 18 toets kompressors, met ān maksimum afwyking van 39.88%. Hierdie afwyking is met die opgedateerde 1D Toepassing verlaag tot ān gemiddelde van 1.59% met ān maksimum afwyking van 4.97%. Die aanvanklike 1D kode het verder ān gemiddelde totaal-tot-totale drukverhouding afwyking getoon van 9.31% met ān maksimum afwyking van 17.27%. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het hiedie afwyking verlaag tot ān gemiddelde waarde van 1.24% met ān maksimum verskil van 5.01%. Die aanvanklike 1D kode het ān gemiddelde totaal-tot-totale isentropiese doeltreffendheid afwyking getoon van 11.23% met ān maksimum afwyking van 15.09%. Die opgedateerde 1D Toepassing kode het hierdie afwyking verlaag tot ān gemiddelde waarde van 0.74% met ān maksimum verskil van 1.57%. As finale validasie is twee addisionele toets kompressors ontwerp met behulp van die 1D Toepassing. Die werksverrigting resultate van hierdie twee kompressors het goed ooreengestem met die toepaslike BVM resultate.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Mixed Flow Impeller, Crossover Diffuser, Compressors -- Valuation, UCTD, Gas-turbines, One-dimensional flow