Micro gas turbine intake design for test rig airflow adaptation and air mass flow measurement

Abstract

The objective of this work is the study and design of a bell mouth inlet duct. The project is divided in several phases: literature review, design with CAD tool, simulation with a CFD tool, location of probes and measuring equipment and finally construction, assembly and commissioning budget. In the first phase of the literature review, it has been studied what are test rig facilities, as well as the objectives of bell mouth inlet ducts and why are necessary. In the design phase, three different bell mouths have been designed taking into account that the elliptical streamwise radial cross-section for a bell mouth is the best according to previous studies. The three bell mouths have different dimensions (basically, the difference among them is the length of the semi-major axis). Moreover, the bell mouth inlet ducts have been designed taking into account that should be able to work with the micro gas turbine EvoJet B170 Neo. In the CFD simulation phase, the three bell mouth inlet ducts have been simulated to know which one is better in terms of air flow adaptation and the results of the air mass flow at different locations when changing outlet static pressures. Firstly, the total pressure has been maintained constant at 1 atm (101325 Pa) and at the bell mouth outlet, a static pressure of 100075 Pa has been imposed so that the pressure gradient has created a suction of the air. Finally, it has been decided to choose to use bell mouth 1 in the EvoJet. Different static pressures from 99500 Pa to 93175 Pa, and then from 90000 Pa to 50000 Pa have been imposed to study the air flow behavior through out the bell mouth at different velocities. Moreover, the velocity and pressure variation in function of the radius at different locations x along the inlet have been studied: v(r,x) and p (r,x). It has also been studied how changed the velocity and pressure values along the duct at different gradient pressures studying the values of points located along the duct. The next phase has been the placement of probes to obtain a good estimation of the air mass flow. The necessary probe equipment as well as the location have been justified. Also the measuring instruments. The last phase of the project has been the construction, assembly and commissioning budget. To do it, the physical properties of various materials have been studied briefly to know which is the best material from an economic and qualitative point of view. The result has been 6061 aluminum and nylon. For this reason, a factory has been contacted in order to know which is the price for creating an aluminum 6061 bell mouth, and a nylon bell mouth. The probes prices have also been included in the total sum price of the budget.

El objetivo de este trabajo es el estudio y diseno de un conducto conocido como campana ˜ de entrada. El proyecto esta presentado en varias fases: revisi ´ on de literatura, dise ´ no˜ con herramienta CAD, simulacion en CFD, ubicaci ´ on de sondas y equipos de medici ´ on y ´ finalmente presupuesto de construccion, ensamblaje y puesta en marcha. ´ En la primera fase de revision de literatura, se ha estudiado qu ´ e son los bancos de prueba ´ de motores a reaccion, as ´ ´ı como cuales son los objetivos de las campanas de entrada y ´ por que son necesarias en ´ estos. ´ En la fase de diseno, se han dise ˜ nado tres distintas campanas teniendo en cuenta que ˜ la forma el´ıptica es la mejor segun investigaciones previas. Las tres campanas son de ´ dimensiones distintas. Basicamente, la diferencia entre ellas es la longitud del semieje mayor. Las campanas de entrada se han disenado teniendo en cuenta que son para una ˜ micro turbina de gas (EvoJet B170 Neo). En la fase de simulacion CFD, se han simulado ´ las tres campanas disenadas para saber cu ˜ al es la que mejor adapta el flujo de aire ´ y obtener los resultados del caudal masico en posiciones distintas de la campana de ´ entrada, en funcion de la variaci ´ on de la presi ´ on est ´ atica de la salida. Para ello, lo que ´ primero se ha hecho ha sido imponer una condicion de presi ´ on total de una atm ´ osfera en ´ lo que es la entrada y exterior de la campana de entrada (101325 Pa) y en la salida de la campana de entrada se ha impuesto la condicion de contorno de una presi ´ on est ´ atica ´ de 100075 Pa. El objetivo era crear una succion de aire debido al gradiente de presiones. ´ Esto se ha aplicado en los tres conductos. Finalmente, se ha decidido por optar a usar en el EvoJet el conducto 1. Para estudiar este conducto, diferentes presiones estaticas se ´ han ido simulando en ella: desde los 99500 Pa hasta 93175 Pa, y posteriormente desde los 90000 Pa hasta los 50000 Pa. Ademas, la variaci ´ on del campo de presiones y de la ´ velocidad se ha estudiado en funcion del radio (r) a diferentes localicaciones (x) a lo largo ´ del conducto. Esto es, se ha estudiado v (r,x) y p (r,x). Tambien se ha estudiado como ´ var´ıa la presion est ´ atica y total y la velocidad a lo largo del conducto (distintas secciones ´ transversales), para ello se ha visto que valor toman ciertos puntos localizados a lo largo ´ del conducto. La siguiente fase ha consistido en la colocacion de sondas para obtener una buena esti- ´ macion del caudal m ´ asico. El equipo necesario de sondas, as ´ ´ı como la ubicacion han sido ´ justificados. Tambien los instrumentos de medici ´ on. ´ La ultima fase del proyecto ha consistido en la creaci ´ on de un presupuesto de construc- ´ cion, ensamblaje y puesta en marcha. Para ello, se ha estudiado brevemente las propie- ´ dades f´ısicas de diversos materiales para saber cual merece la pena desde el punto de ´ vista economico y cualitativo. El resultado ha sido el de aluminio 6061 y nylon. Por ello, ´ se ha contactado con una fabrica para la elaboraci ´ on de un presupuesto para la campana ´ de entrada si el material de creacion es aluminio 6061 y nylon. Para el presupuesto de las ´ sondas y equipos de medicion, se ha optado por buscar por la web qu ´ e equipos permiten ´ operar en las condiciones simuladas con el software de CFD.