Ylisoonisen yksivaiheisen aksiaaliturbiinin suunnittelu

Abstract

Tässä diplomityössä suunnitellaan yksivaiheisen turbiinin ylisooninen staattori ja alisooninen roottori, tulo-osa ja diffuusori. Työn alussa tarkastellaan aksiaaliturbiinin käyttökohteita ja teoriaa, jonka jälkeen esitetään suunnittelun perustana olevat menetelmät ja periaatteet.

Perussuunnittelu tehdään Traupelinmenetelmällä WinAxtu 1.1 suunnitteluohjelmalla ja hyötysuhde arvioidaan lisäksiExcel-pohjaisella laskennalla. Ylisooninen staattori suunnitellaan perussuunnittelun tuloksiin perustuen, soveltamalla karakteristikoiden menetelmää suuttimen laajenevaan osaan ja pinta-alasuhteita suppenevaan osaan. Roottorin keskiviiva piirretään Sahlbergin menetelmällä ja siiven muoto määritetään A3K7 paksuusjakauman sekä tiheän siipihilan muotoilun periaatteita yhdistämällä.

Tulo-osa suunnitellaan mahdollisimman jouhevaksi geometriatietojen ja kirjallisuuden esimerkkien mukaisesti. Lopuksi tulo-osaa mallinnetaan CFD-laskennalla. Diffuusori suunnitellaan käyttämällä soveltuvin osin kirjallisuudessa esitettyjätietoja, tulo-osan geometriaa ja CFD-laskentaa. Suunnittelutuloksia verrataan lopuksi kirjallisuudessa esitettyihin tuloksiin ja arvioidaan suunnittelun onnistumista sekä mahdollisia ongelmakohtia.

In this Master's thesis a supersonic stator, subsonic rotor, turbine inlet and diffuser aredesigned for one-stage axial turbine. In the beginning different applications for axial turbine and turbine theory are examined, followed by design principles and methods.

Elementary design is done by Traupels method with WinAxtu 1.1 program and efficiency is also estimated with Excel based calculation. Supersonic stator blade is designed based on the results of elementary design. Diverging section is designed by the method of characteristics and converging section is designed by applying area ratios for different Mach numbers. Centerline of rotor blade is designed by the method of Sahlberg and the shape of airfoil is defined by combining A3K7 thickness distribution and design principles for high solidity cascade.

Turbine inlet is designed as soft as possible after the literature and geometry. Finally the inlet is modeled with CFD. Diffuser is designed by applying literature based methods, inlet geometry and CFD. In the end results are compared to the results of literature. Possible problems and success in design are also evaluated.