研究和控制径向叶片扩压器失速

文摘

本研究的目的是评估的效率边界层抽吸技术对于离心式压缩机阶段为了扩大稳定工作范围。首先,分析径向叶片扩压器内的流型。它强调了扩压器叶片的失速massflow当达到低。边界层分离hub-suction一边角落里生长时减少massflow从名义操作点飙升,最终导致大规模的摊位。渴望一个策略是为了调查控制失速。吸入槽放在附近的鞍产生的主要分离表面摩擦线,发现由于表面摩擦的分析模式。几个愿望massflow率测试和评估两种不同的建模的愿望。最后,一个有效的控制达到去除只有0,1%的全球massflow和从稳态计算的角度,增加40%的压缩机运行范围。

1。介绍

压缩机的稳定运行是有限的对低massflow流动不稳定性的发生。防止这些不稳定的释放,可以破坏,压缩机不会操作比选择massflow接近稳定极限。这叫做“surge-margin。”对于压缩机的稳定工作,但是在这个禁止操作地图的一部分压缩机提供它的最大压力比,增加保证金是因此损害的表现舞台。

流导致压气机喘振现象还没有广为人知。他们需要被理解为驱动的设计变化,可以增加压缩机的操作范围。离心式压缩机,几项研究已经确定的扩散是一个关键区域不稳定的《盗梦空间》。特别是大型边界层分离可能发生在这个元素的操作点走向激增,导致旋转失速和/或增加。

一系列的调查之后,努力改善增兵保证金使用控制技术。生(1]证明了提高利润率飙升通过使用“多孔钻”流血流的区域扩散的喉咙。Spakovszky [2演示了一个改善surge-margin当注入空气通过的裹尸布表面无叶片的空间forward-tangent方向。Skoch [3)继续演示的调查和其他技术来扩展同一台机器的稳定范围:reverse-tangent注入的裹尸布表面无叶片的空间或可伸缩的控制通过shroud-side注射器管插入开口。然后,他观察到的每个改进技术减少扩散前缘发病率的影响并得出结论,减少平均旋转角在张成的空间无叶片的空间当压缩机接近激增是重要的控制作用,可能是由于纯粹的无叶片的空间梗阻的注入喷嘴。

在同一系列的实验中,Skoch也评估hub-side注入的影响扩散的喉咙,因为PIV测量显示hub-corner摊位在扩散器的叶片的压力面,可以建议使用空气注入扩散通道激励和控制流动分离。但是这些尝试没有展示任何重大surge-margin改善(4]。唯一被发现是由于轻微的影响,至于裹尸布注射,注射造成的阻塞喷嘴和证实了先前的结论由Skoch角度扩散器入口的重要性。

目前工作也集中在控制技术的发展以延长离心压缩机的稳定工作范围。而是使用注射,和减少流角,它旨在控制可能出现的分离,利用边界层抽吸技术。控制动作确实已经用于轴流式压缩机阶段或瀑布和提供了有吸引力的结果(5- - - - - -8]。

流的分析首先提出,基于稳态和非稳态模拟的解决方案。表面摩擦模式是吸引和揭示流的拓扑。

考虑的本地化奇异元素和分离表面摩擦,渴望实现策略,然后讨论了稳态模拟。删除几个massflow率测试,数值表现的吸气式压缩机阶段。

2。测试用例

测试用例是由透博梅离心式压缩机阶段,赛峰集团用于推动直升机,这是代表透博梅现状的技术。它由后掠角分裂开式叶轮的径向叶片扩压器,和一个轴向扩散器。在叶轮前缘相对马赫数裹尸布是1,而跨声速流动扩散器。不考虑轴向扩散。

实验数据用于计算参考所提供的性能曲线的测试用例是透博梅和得到压缩机级的描述。特别是静压对叶轮的入口,中间的无叶片的扩散,在扩散器出口。作为一个例子,在扩散器出口,静态压力的实验值是平均的结果在31日孔沿圆周均匀分布和所有连接到相同的环形腔的压力测量。

3所示。数值计算过程

计算与埃尔莎在那里开发的软件进行。这段代码解决了可压缩跑cell-centered方程的有限体积方法。湍流模型为本研究选择是史密斯的two-equation模型(k-l),由Rochuon显示(9)和Trebinjac et al。10)提供一个很好的按照实验结果的跨音速离心压缩机阶段。进行稳态和非稳态数值计算。

稳态模拟,mixing-plane方法用于impeller-diffuser交互建模,并计算域减少到一个单一的通道每行感谢所有通道内的流动均匀性假设。

非定常模拟,使用phased-lagged假说。phase-lagged方法的主要假设是通道的几何一致性和滚动转子叶片的定子叶片的独特来源流时间的波动。在这种情况下,只有美国的文章之间的相位差,并计算域可能会减少每一行一个通道。

出口静压设置使用规定的压力和massflow值之间的比例通过网出口部分。这种技术,相比,一个典型的简单的出口静压处方,使压缩机的流量建模阶段的峰值之外压缩机的特点,这是必要的为了研究压缩机操作的极限范围内,由希尔指出IV (11]。

埃尔莎软件的规定比例是受人尊敬的由于出口静压的进化之间的连续两个迭代根据以下关系:

4所示。阶段网

H、C、O拓扑是用来创建一个结构化的多次拉丝网商业啮合软件Numeca Autogrid。完整的网是由25块,其中18描述扩散器的叶轮几何和7。地的叶尖间隙是网状拓扑结构,以确保一个匹配的连接与叶轮叶片C-mesh块及其后缘背后的H。随着叶片的扩散器,它是由一个圆形O-block。

点的数量在叶轮叶尖间隙高度为21。

不包括鱼片。可以点一些未来的扩展研究。

墙壁处细胞宽度设置为1μ对应于一个m。沿着所有固体表面参数约等于1。

计算更细化网格的扩散器,包括4 e6点扩散通道和一个粗只有4 e5扩散通道,也为了执行评估数值流场的网格依赖性,特别是发生在扩散器的边界层分离。在墙壁和网状细胞宽度叶轮流道一直是一样的。

表1暴露了网格的主要维度,叶轮的H-blocks上游和下游的扩散器不考虑。

5。性能系数计算

为了确保产生的流场数值模拟是有效的,性能曲线从数值计算和实验数据进行了比较。飞机的编号用来表达结果如图1。飞机2和3架飞机半径不变,位于中间的无叶片的扩散空间和下游的扩压器叶片后缘,分别。

当比较实验和数值数据,静态压力数值探测在完全相同的地点比静态压力传感器。当比较计算结果,与没有愿望,例如,值是平均在整个平面上,surface-weighted静态数量和质量加权总。

所有性能系数计算假设以下假设。(我)area-averaged静压值的飞机应该是等于平均值之间的枢纽静态压力和裹尸布。,允许计算静压测量的总数量在侧壁。(2)应用欧拉定理,假设的方向轴向流叶轮入口是完美的。为了计算使用在扩散器入口流条件。

描述扩散效率的一个重要参数是静压恢复系数的扩散阶段。它被定义为通过扩散器的压力上升除以进口动态压力:

性能数据有关的径向叶片扩压器是绘制功能比(3);Rochuon [9)已经证明了,这样可以确保马赫数和保存在扩压器进口气流角:

6。整体性能

数据2和3分别给实验和数值total-to-static压力比和total-to-static impeller-diffuser压缩机等熵效率的阶段。稳定的和不稳定的数值结果都是画出来的。

已经观察到在前一个工作10),获得一个更好的通信实验和非定常模拟之间的比较固定的。特别是,稳态计算高估堵塞massflow和压缩机的压力比阶段。此外,操作点是完全接受的收敛条件下可以获得massflow远低于实验massflow激增。全球稳定效应是由于mixing-plane方法,假设行段落之间的一致性,并出口边界条件的演变(1)。确认中发挥的重要作用时间现象时达到稳定工作范围的限制,尤其是对跨声速压缩机与径向叶轮和扩压器之间的差距小,流量是影响diffuser-impeller交互。

图4显示了静压恢复通过径向叶片扩压器。再次,更好的按照巨蜥的模拟与实验必须被注意到。

对于稳态模拟,突然减少扩散器的静态压力恢复时减少massflow和表明扩散叶片的失速。粗网格,减少不陡峭,预计在massflow低于两个细化网格。然而,研究流的拓扑不透露任何显著差异在失速《盗梦空间》,这将进一步介绍,和扩散器的摊位可以视为网格独立。

即使稳态模型无法正确预测massflow,流动结构,限制其稳定数值操作范围进行分析,由于趋同标准是尊重。此外,边界层分离的存在也是phase-lagged预测的模型。

一个共同的方法来分析流动分离的拓扑研究表面摩擦模式(12),可以通过实验观察到使用,例如,石油流传播在固体表面的流动。在下一节中提出了这样一个研究应用于稳态数值流场。它突出的增长在吸力面边界层分离扩散叶片,最后导致一个完整的摊位当到达massflow对应的静压恢复系数。

7所示。表面摩擦模式对于理解三维分离流动

自从普朗特(14]表明,无滑动边界的二维流动分离点的皮肤摩擦消失,承认一个负梯度,三维流动分离的理解已显著提高。首先,勒让德使用二维平滑向量场的几何理论来分析表面摩擦模式,定位临界点和绘画表面摩擦轨迹(12]。在图列出可能的临界点5。

后来,《15]提出的表面摩擦分离线是一个必要的标准。三维与二维流动分离发生在沿着特定的路线,而不需要在点,因为液体能逃脱第三方向。把(16)使用这一标准来分析大量的分离流现象。

最近,Surana et al。13,17,18)展示了一个精确的三维流动分离理论,考虑表面摩擦的强度线收敛。他们发现特别是行图,只有四种类型的分离6可以产生一个独特的和良好定义的分离表面物理流场。他们还表明,由于双曲率的表面摩擦,为什么一个潜在的分离线可能不会导致一个有效的三维分离。

后,表面摩擦模式在墙表面的扩散进行了讨论在图确定的操作点2。表面摩擦线使用的线积分卷积技术表示这是一个本地过滤技术模糊纹理三维表面上沿着一个向量场(20.,21]。它给出了视觉的结果类似于实验中可用石油流可视化和开源软件“Paraview”[22]。为了清晰的表面摩擦线是开明的。

8。分析扩散器内的流动

8.1。稳态仿真结果

图8显示的拓扑流压力和吸力面扩散叶片的三个操作点标记,B和C在图2。

在名义操作点,一个特定的流型位于压力面表面附近的裹尸布。它不是一个分离:节点的标志是压力面流动的影响,其中一部分是上游向鞍吗。这个鞍产生分离的核心和反向流动和表达这两个部分之间的对抗流。

在叶片吸力面,两个马鞍是位于中心和裹尸布角落,对应于最大的位置逆压力梯度,即扩散的喉咙。这些马鞍独立核心流逆流的角落,这可能是加强角锋利边缘的建模,而不是光滑的鱼片。进一步比较应该允许指定他们的影响力。

在最大操作压力比B点,回贴- - - - - -在压力面消失了。另一方面,回流区域生长在吸力面和与核心流分离的分离线来自一个鞍位于最大的逆压力梯度区域,对应扩散的喉咙。叶片表面摩擦线在底部季度高度现在被分离的焦点。另一个鞍把表面摩擦线了从这些向下游。

减少更多的massflow率时,焦点扩大和流底部一半的扩压器叶片分离。但主要流的拓扑变化达到停滞配置问题中心表面时,在图表示7。之间的分离线核心流和反向流的来源这源于鞍_{h, 1}整个通道,改过自新,和一个回贴的焦点看来,美联储的叶片吸力面分离的焦点。在摊位前,来自焦点的漩涡由核心迁移向下游流动,而在操作点停滞不前,它猛扑中心表面。三维流线,投入的证据这停滞的拓扑如图表示11。

应该注意,陷入僵局的拓扑结构不同于一个被广泛称为“角落摊位,”和描述工作的Lei et al .,例如[19]。在一个角落摊位的情况下,和将是超然集中,这意味着边界层中心和吸力面都单独在同一位置(图9)。拓扑结构的研究,只有吸力面边界层分离,和逆转流中心表面上是分离的结果,因为流逃离叶片吸力面传播的中心。此外,经典hub-corner摊位图9可以解释为低能量的积累流体在角落里,二次流的作用下。

在目前的情况下,增长的角落分离中心角落里的是解释为横流:墙附近的流的overdeviation叶轮outlet-see图10领导一个由变形扩散流的发生率。overincidence由于后(jet-wake流的结构,也就是说,裹尸布表面附近)明显大于overincidence由于中心边界层:导致一个强大的漩涡,在叶片吸力面流动从中心向裹尸布(图12)。

8.2。时均流场数值

为了证实的存在扩散边界层分离,来自不稳定的时均流场计算贴上D图2被认为是。流的拓扑是稳态分析和比较。

图13暴露表面摩擦线和时均流场的流线作业点d不稳定模型还预测的边界层分离扩散hub-suction边角落。此外,主鞍位于相同的位置在稳态模拟,也就是说,在扩散器的喉咙。但分离区更扩展,因为鞍这几乎是分离的下游边界带上扩压器叶片的后缘。

此外,表面摩擦模式包括两个关注吸入和轮毂表面,像稳定停滞,定期观察观察表面摩擦的演化模式时预测的非定常模拟(图14)。

协议流拓扑来自稳定的和不稳定的计算给信心在边界层分离预测和压缩机的稳定工作范围是有限的径向扩压器叶片的失速。

然后,控制技术旨在避免扩散器失速,然后延长压缩机的操作范围。

9。愿望的策略

9.1。吸尘装置的位置

在二维空间中,米勒和查普曼(23)已经确定,应该引入吸在分离点,可以确定由于零的表面摩擦系数,为了最有效的最小液去除。该区域,如图图15位于十字路口,与固体表面之间的线分离扭转和核心流程。

在三维空间中,主要和反向流由一个三维表面,与实心墙是一个分离的十字路口的四种类型图之一6。这条线应该然后考虑愿望的发展策略。考虑到停滞表面摩擦模式如图7,主要的分离线似乎表面摩擦。吸入槽应该位于该地区的种子之间的边界表面,产生核心和反向流动。

9.2。数值模拟的愿望

两种方法建模的影响上的吸尘装置流已被评估。(我)第一个使用边界条件为了设置一个表面massflow通过网状细胞的脸墙吸槽中。这种技术很容易使用。吸入槽几何描述的精度取决于网格的密度,也就是脸的大小描述固体表面中心。(2)第二个被称为“嵌合体技术”,在埃尔莎软件是可用的。这一个允许堆积两个或多个网格,为了使用基本网格模型复杂的几何图形和其他更精确描述固体边界,来回插入堆叠网格之间进行。现在在范围广泛的应用程序用于建模的技术效应在涡轮机械(24]。嵌合体技术涉及愿望的啮合槽,其形状必须被考虑。

本文的研究最有效的形状吸入槽并不是一个优先级。的主要目的是探讨影响流体去除对压缩机级的性能和扩散器内的流动拓扑。然后,第一种方法建模吸入槽是适当的。

第二个建模也测试,使用一个公共槽形状,没有鱼片,为了验证结果与边界条件的技术。

9.3。愿望测试设备

不同的实现吸力的测试:(我)去除1%的实验massflow激增,通过中心表面,沿着叶片,使用边界限制条件,(2)相同的1%的去除实验massflow飙升,在相同的位置,使用嵌合体技术,(3)删除0、3%的实验massflow率飙升通过轮毂表面,以减少槽表面相比前面的情况下,为了保持槽表面massflow常数。上游吸入槽的边缘也保持在相同的位置,(iv)0,3%的实验massflow激增,通过叶片吸力面,又保持槽表面massflow常数,(v)删除0,1%的实验massflow激增,通过相同的吸入槽形状为0,3% hub-suction情况。槽表面massflow就会减少,(vi)0,1%的通过小实验飙升massflow吸入槽,以便槽表面massflow等于0的情况下,吸入3%的中心。

图16总结了各种测试情况下,叠加在流的表面摩擦拓扑操作B点。

10。压缩机吸气阶段

10.1。全球性能(稳态计算)

图17显示了静压恢复系数的吸气扩散。相比之下,基本情况是重新绘制。

图18舞台展示了total-to-static等熵效率考虑定义的移除massflow(4)的函数定义的标准阶段出口massflow(5):

的因素(4)意味着一个完美的等熵变换只会压缩流扔在扩散器出口的数量,而不采取massflow考虑删除。

设备的影响愿望的表现舞台上的主要操作点massflow最低。撤军的主要作用是扩散静压恢复系数的下降,叶轮工作在相同条件下没有抱负。效率降低适中,主要是因为因素,也就是说,浪费压缩流。它显然变得微不足道的0、3%和0,1%吸气病例。

妄想和边界限制条件技术给这两个相似的结果,保证研究的有效性的影响吸技术通过使用边界限制条件,在设计一个最佳吸入槽。

叶片吸力面吸槽不会提高性能比其他配置,然后应该避免因为技术原因,由于叶片厚度。

总之,抽吸技术似乎是一个有前途的方式为了控制扩散器的摊位静压恢复。表面摩擦的分析模式在吸气扩散器允许更精确地研究愿望在流场的影响。

10.2。表面摩擦模式与愿望

图19暴露的表面摩擦模式不同的送气音的情况下。在所有情况下,进气道扩压器流条件相似的操作点C,因为比(3)(图是一样的17)。

吸入1%情况下,边界层分离的hub-vane吸力面角区完全移除。即使对于操作点最低massflow图18,没有发生分离。然而,分离集中出现在shroud-vane吸入角落。观察是按照没有任何增加扩散静压恢复,尽管hub-corner边界层分离去除。事实上,边界层分离转向了另一个区,这意味着流体在其最大扩散能力,不能同时保持连接所有的墙上。但shroud-corner分离似乎少数值稳定性的关键。完全stall-free聚合操作点可以获得massflows远低于最低massflow的基本情况。

嵌合体技术给出了类似的结果,只除了一个小涡槽下游边缘创建的,这突出了一个优化的必要性吸入槽形状的过程;但是不是现在关心的问题。

0、3%送气音的情况下不能实现完全控制了hub-corner边界层分离,只有减少它的程度。中心和吸力面愿望有相同的流场的影响;特别是,分离的程度也同样减少。

0、1%送气音的情况下,hub-corner边界层分离甚至更少的减少。但有趣的是,在这个操作点,两个吸槽导致类似的对流动的影响,尽管不同的表面massflows。删除流体的总量就认为是行列式参数在这种情况下,而不是槽表面massflow。

然而,当减少阶段massflow,分离成一个巨大的变性摊位不是避免使用最小的吸入槽。图20.显示了两个操作点流拓扑标记在图1和图217。在例2中,主要分离鞍位于下游的吸入槽;不能延迟失速更被认为是由于它的位置,并突出的敏感性参数的控制效率,尤其是当槽是小尺寸的。

11。总结和前景

径向叶片扩压器内表面摩擦模式的调查,旨在突出流现象限制了稳定工作范围,揭示了经济增长的边界层分离扩散hub-suction边角落。当达到数值稳定极限时,边界层最后导致一个完全停滞流模式,导致扩散静压恢复系数的下拉,因此全球压缩机的舞台表演。

的存在,证实了边界层分离phase-lagged模型结果。

考虑表面摩擦的位置模式临界点,边界层抽吸技术开发。主要分离鞍是位于,吸入槽放置在其附近。

几个病例进行了检测,并有效控制扩散摊位已经达到去除只有0,massflow总数的1%阶段。从稳态的角度来看,有效控制导致的增加40% stall-free扩散器操作范围。

比较各种吸配置并没有透露任何重大差异获得的结果与一个中心或吸入端吸入槽。和液体的数量被认为是决定性的因素,而不是槽表面massflow。

尽管这些令人鼓舞的结果,但众所周知,稳定中起着主导作用的跨音速离心压缩机操作附近。愿望technique-whose开发基于稳态模型的结果,稳定操作点massflows低于实验飙升massflow-should然后实现非定常计算,以确保效率和增加的操作范围。

单通道的有效性计算还应该检查,因为它可能有一个稳定的效果数值模拟,也许同样重要时间由于impeller-diffuser交互影响。

鱼片在流拓扑的影响也应评估在未来的工作中,因为它可能会修改吸入槽的适当位置。

所发挥的主要作用产生的涡流overincidence在扩压器叶片附近的裹尸布还指出了本研究。有趣的是评估其他设计技术,将考虑,观察。特别是,研究了扩散器的叶片的2 d形状,前缘,只是一条直线平行于旋转轴,中心墙的平面形状。研究已经表明,潜在的改进可以得到由于扩散器的设计前沿[25,26]。被动控制策略中心的边界层分离,基于几何扩散叶片和轮毂形状的修改,没有任何浪费压缩流,然后应该调查。

命名法

PS, SS:	叶片压力面,吸力面
:	Massflow
:	纠正massflow叶轮进口的标准条件
:	叶轮静压力比
:	静压恢复系数的扩散器
:	静压
:	总温度
:	总压强
:	叶轮转速
:	绝对流动角
:	压缩机比速
:	价值在计算步骤。

确认

作者要感谢透博梅,赛峰集团,支持本研究。也谢谢去法国航空航天实验室,那里,提供数字代码,埃尔莎,和国家de la矫揉造作的et de la技术促进之间的合作研究实验室和实业家。

引用

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