Master's Thesis

Aerodynamic design of a compressor for a turbojet engine

Final Thesis 3.64 MB Appendix 71.46 kB

Author of thesis: Ing. Martin Dvořák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Vacula, Ph.D.

Reviewer: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the aerodynamic design and optimization of a centrifugal compressor for use in a turbojet engine. The main objective of the thesis is to modify and optimize the existing 3D geometry of the impeller and vaned diffuser, with an emphasis on maximizing isentropic efficiency and achieving a stable operating range at the required pressure ratio. The introductory section provides a theoretical background and describes the operating principles of turbojet engines, including their individual components. The practical part then focuses on the aerodynamic optimization of the specific compressor stage.

Keywords:

turbojet engine, compressor, impeller, diffuser, efficiency, pressure ratio, ANSYS CFX

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaEznamka

Grading

E

Process of defence

Student prezentoval zkušební komisi svou závěrečnou práci a zodpověděl otázky oponenta. Otázky oponenta: 1) Kolik vstupních parametrů bylo použito při návrhu geometrie oběžného kola? Uveďte, o jaké parametry se jednalo, jaké byly jejich výsledné hodnoty a zda jejich znalost umožňuje zpětnou rekonstrukci výsledné geometrie oběžného kola. Hodnocení: Částečně zodpovězeno. 2) Detailně popište okrajové podmínky použité v CFD simulacích. Uveďte také použitý fyzikální model proudění, zvolený model turbulence, definici pracovního média a způsob vyhodnocení hlavních aerodynamických parametrů. Hodnocení: Zodpovězeno. 3) Detailně popište okrajové podmínky a nastavení fyzikálního modelu použitého v MKP simulacích. Uveďte, jak bylo definováno zatížení, uložení a rotace oběžného kola, zda byly zahrnuty jevy jako rotační zpevnění, gyroskopické účinky, odstředivé zatížení a velké deformace, případně zdůvodněte jejich zanedbání. Hodnocení: Zodpovězeno. Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: 1) Jaký typ účinnosti byl prezentován? Hodnocení: Zodpovězeno. 2) Proč vznikl rozdíl v příkonu, dle postupu v CFD a výpočtu příkonu na hřídeli? Hodnocení: Částečně zodpovězeno. 3) Co je optimalizační metoda? Hodnocení: Nezodpovězeno. 4) Jaké jsou budící frekvence, které namáhají lopatky? Hodnocení: Částečně zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
prof. Dr. Ing. René Pyszko (místopředseda)
Ing. Radim Dundálek, Ph.D. (člen)
Ing. Rudolf Franz, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Trusík (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Vacula, Ph.D.

Diplomová práce pana Martina Dvořáka obsahuje 53 stran bez úvodních formálních částí, přehledu literatury a seznamů. Diplomant ve své práci nejprve představuje princip funkce proudových motorů, základní popis aerodynamiky kompresorů a poté následuje práce samotná.

Pro docílení adekvátního návrhu kompresoru bylo třeba systematicky analyzovat jednotlivé varianty a na základě CFD výsledků realizovat varianty nové. Diplomant tak pomocí manuálních úprav geometrie postupně analyzoval relativně vysoké množství variant a na základě prezentovaných CFD výsledků obdržel lepší řešení. Nicméně, práce samotná obsahuje velké množství drobných překlepů, formálních chyb (např. že součin hmotnostního průtoku a rychlosti je kinetická energie, viz. strana 18, ačkoliv je to síla) opakujících se vět (zejména v úvodní části), či hovorových formulací („Pro plyn by bylo možné ještě expandovat dál, ale tryska mu skončila, protože je krátká” nebo “V rotoru dochází k přeměně energie na proud..”, atd.) nebo věty jakoby vytržené z kontextu (např. na str. 32 se najednou mluví o Lavalově dýza a páře či na str. 34 o čerpadlech a generátorech). Mezi nedostatky patří číslování citací, které začíná od č. [3] a následuje [42] nebo špatný odkaz na rovnice, například na str. 48 je odkaz na rovnici (30), má být rovnice (27). U výsledné varianty (viz tab. 4.3) diplomant uvádí vyšší účinnost, než měl referenční návrh (viz tab. 4.1) při téměř stejném stlačení a průtoku, nicméně při ověření výpočtu příkonu na hřídeli kompresoru na základě stlačení, průtoku, vstupní teploty a účinnosti vychází příkon na hřídeli optimalizované varianty 152 kW, a ne udávaných 189,87 kW, což je hodnota vyšší než u referenčního návrhu.

Co se však týče průběhu zpracování tématu, diplomant pracoval po celou dobu aktivně a požadovaný aerodynamický návrh realizoval na odpovídající úrovni – je nutné zohlednit, že výuka na magisterském studiu neobsahuje teoretickou průpravu v oblasti aerodynamiky rotačních strojů, což se také odráží i v textu předložené práce. Diplomant však jednotlivé průběžné úkoly plnil svědomitě a s vysokým pracovním nasazením, a tedy průběh řešení práce hodnotím pozitivně. Ačkoliv textová část vykazuje výše uvedené nedostatky, diplomant stanovené cíle práce splnil.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions D
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations D
Student's independence when working on the topic C

Grade proposed by supervisor: C

Diplomová práce studenta Martina Dvořáka obsahuje 53 stran vlastního textu bez úvodních a závěrečných částí. Diplomant se v práci zaměřil na problematiku zlepšení parametrů odstředivých kompresorů proudových motorů.
Rešeršní část je spíše obecná a jen omezeně se zaměřuje na skutečné cíle práce, zejména na problematiku aerodynamického návrhu a optimalizace odstředivého kompresoru. Obecné poznatky o proudových motorech jsou sice zajímavé (a byly i cílem práce), avšak pro vlastní řešení práce mají pouze omezený význam. V práci chybí hlubší přehled současného stavu postupů využívaných při optimalizaci kompresorových stupňů, stejně jako srovnání s výsledky optimalizace u konkurenčních nebo technicky podobných řešení.
Zvolený postup řešení využívající automatizované nástroje pro tvarovou optimalizaci lze považovat za vhodný, avšak jeho potenciál nebyl využit v dostatečné míře. Velmi nedostatečně je popsáno, jaké konkrétní parametry byly při optimalizaci měněny a kolik jich bylo celkem použito. Z práce je možné pouze vyčíst, že byl měněn blíže neupřesněný počet bodů řídicí profilové křivky. Samotné označení použitého postupu jako optimalizace je proto poněkud zavádějící, protože řešení působí spíše jako metoda pokus–omyl. U víceparametrických a silně nelineárních úloh je přitom nutné využít systematický optimalizační postup, protože intuitivní vyhodnocování většího počtu parametrů již neposkytuje spolehlivý základ pro nalezení vhodného návrhu. V práci také chybí dostatečný popis okrajových podmínek CFD modelu.
Prezentace výsledků je místy značně nepřehledná. Jednotlivé varianty kompresoru by bylo vhodné jednoznačně uspořádat například do souhrnné tabulky nebo společného obrázku a přehledně je označit. Výhrady mám rovněž k dokumentaci výsledných variant. U konstrukčně-výpočtové práce je standardem, aby byla výsledná varianta jednoznačně doložena, například zakótovanými rozměry, pozicemi bodů řídicí křivky nebo jiným reprodukovatelným popisem geometrie. V předložené práci jsou však jednotlivé varianty na základě uvedených výsledků v zásadě obtížně zopakovatelné, což výrazně omezuje jejich další využitelnost.
MKP analýza je zpracována velmi povrchně. Geometrickým modelům chybí základní konstrukční prvek, kterým je rádius v oblasti napojení lopatky, přestože jeho doplnění nepředstavuje zásadní technický problém. V práci dále chybí dostatečný popis okrajových podmínek, zatížení a nastavení fyzikálního modelu, například zohlednění rotačního zpevnění, gyroskopických účinků nebo velkých deformací. Prezentace výsledků MKP analýzy je rovněž nevhodná. Standardně by bylo vhodné uvést také řez kolem, aby bylo možné vyhodnotit napjatost v oblasti otvoru pro hřídel a v místech rádiusů. V této podobě nelze výsledkům pevnostní analýzy plně důvěřovat.
Grafické zpracování, citace a formátování práce jsou spíše podprůměrné a místy zcela nevhodné. V práci se vyskytují formální nedostatky, například nevhodný zápis jednotek typu „ot./min“, střídání šikmého a přímého stylu při zápisu veličin, vzorců a vztahů nebo nepřehledná prezentace některých výsledků.
I přes výše uvedené výhrady lze konstatovat, že cíle zahrnující přehled konstrukčních řešení a aerodynamický návrh byly splněny alespoň v minimálním rozsahu. Po celkovém zhodnocení hodnotím práci jako slabší. Student sice splnil minimální požadavky kladené na diplomovou práci, avšak odborná úroveň zpracování, hloubka metodiky, dokumentace výsledků a formální úroveň práce jsou podprůměrné. Student nevyužil svůj potenciál a práci hodnotím jako podprůměrnou.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment D
Working process, extent and suitability of applied methods D
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory E
Logical arrangement of thesis and its layout D
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations E
Topics for thesis defence:
  1. Kolik vstupních parametrů bylo použito při návrhu geometrie oběžného kola? Uveďte, o jaké parametry se jednalo, jaké byly jejich výsledné hodnoty a zda jejich znalost umožňuje zpětnou rekonstrukci výsledné geometrie oběžného kola.
  2. Detailně popište okrajové podmínky použité v CFD simulacích. Uveďte také použitý fyzikální model proudění, zvolený model turbulence, definici pracovního média a způsob vyhodnocení hlavních aerodynamických parametrů.
  3. Detailně popište okrajové podmínky a nastavení fyzikálního modelu použitého v MKP simulacích. Uveďte, jak bylo definováno zatížení, uložení a rotace oběžného kola, zda byly zahrnuty jevy jako rotační zpevnění, gyroskopické účinky, odstředivé zatížení a velké deformace, případně zdůvodněte jejich zanedbání.

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová