文摘

分析压缩机转子叶尖间隙测量使用电容探针测量了三级轴流压气机。热变化和离心作用与转速变化影响间隙高度相对于组装配置。这两个主要贡献衡量变化讨论了独立和组合。强调了叶尖间隙变化由于荷载条件的改变和几家压缩机操作速度。测量显示叶尖间隙变化接近0.1毫米(转子寿命0.2%)当比较near-choke操作条件近失速第三阶段的操作条件。更多的是考虑环境贡献,如环境温度、叶尖间隙变化的高度的0.05毫米(0.1%转子跨度)指出15°C的温度变化。实验提出了压缩机操作许可数温度,操作速度和加载条件,比较了这些测量之间的变化和预测在相同条件下的变化。

1。介绍

转子叶尖间隙高度是一个重要的贡献者压缩机的整体性能。特别是,先前的研究讨论其影响总压强上升,效率,摊位保证金(1]。当前的目标增加效率和减少燃料燃烧气体涡轮发动机集中向更积极的压缩机设计叶片载荷的增加和减少叶片高度在后面块高压引擎内核。在这些后面阶段,叶片方面比率小,叶尖间隙高度相对于叶片跨度大,和端壁流动有助于更重要的部分的总体损失(2]。因此,研究关注底层流物理转子叶尖泄漏流增长的重要性,特别是对叶尖间隙高度的整体叶片跨度大的比例。

正在进行的研究项目通常应用广泛的实验技术,但这些实验结果能够连接和验证数值模型计算工具是至关重要的(3]。尽管许多计算流体动力学模型很难精确模型的基本流物理叶尖间隙流(4),总体性能三角洲由于间隙变化通常是与实验结果。小叶尖间隙变化和相关性能变化发生由于环境温度的变化通常被认为是微不足道的(5]。然而,最近的研究表明这些小的可测性多级压气机性能变化(6]。因此,当务之急是叶尖间隙的高度是出名的条件实验性能数据收集,因此压缩机系统可适当数值模拟的建模。

静态转子尖clearances-sometimes通常被称为“冷”clearances-do不代表操作,或“热”运行许可。一般来说,热增长,压力,和周向部队由于叶片旋转导致叶片的高速增长导致间隙高度的变化在不同的操作条件和不同的环境条件。机械触摸探针和受侵蚀的按摩棒提供低成本选择测量叶尖间隙在操作过程中容易实现,但这些方法仅测量最高的叶片(即。最小间隙)在整个测试活动(7),没有额外的信息获得由于操作条件或环境温度的变化。因此,非接触间隙测量系统,如光学探针,涡流传感器、电容式传感器,提供一个可选择的解决方案。光学探针可以容易失败,如果他们的视线被外国对象,因此电容传感器的崎岖的设计使他们的主要候选人燃气轮机应用程序(8]。

引入调频(FM)间隙电容探针测量系统,奇弗斯(9]和Barranger [3)早些时候提供替代光学测量系统。继续将这些组件提供了改进能力日益严酷的环境下高精度系统。概述的电容探针测量系统的发展是由Sheard [8]。

许多作者提出了建模方法的变化提示许可(例如,Agarwal et al。10),Kypuros和梅尔彻11董,et al。12])。然而,到目前为止,更大的兴趣已经给涡轮机、压缩机,而是由于已知的好处主动间隙控制(13和更重要的热影响。有限的研究关注于预测间隙建模的压缩机,东等人讨论间隙变化由于荷载条件以固定速度。具体来说,作者指出叶尖间隙的变化接近0.5%跨越整个压缩机后阶段的模拟。此外,模拟产生了虚假陈述的流量和效率相应许可的静态时,或冷,“组装配置实现的解决方案,而不是估计操作许可。

而董等的工作。12]为压缩机提供了一个重要的一步预测建模开发许可,缺乏公开文献中实验数据来支持这种模式,推进艺术的状态。因此,本文旨在填补这一空白的工作实验验证间隙的变化与操作条件,预测了盾et al。进一步讨论了环境对叶尖间隙的影响,进行和比较操作许可由电容探针测量系统和预测盾等提出的许可使用模型。给出了几个建议考虑在未来的测试活动以来实验叶尖间隙的研究也测量操作叶尖间隙中基本上没有在公开文献。

2。实验方法

这项研究是在普渡大学三级轴流压气机研究设施。广泛的实验压缩机性能数据已经收集了一个先进的叶尖间隙的研究实现三种不同的转子叶尖间隙高度。支持这个项目,最近设施升级注册一个电容叶尖间隙测量系统来测量压缩机的操作提示许可。

2.1。压缩机设备

普渡大学的三级轴流压气机研究设施图所示1。压缩机将无条件大气大沉降室。喇叭口指导空气变成长管和通过一个ASME-standard长篇文丘里流量计测量质量流量的地方。头锥指导空气进入50.8毫米constant-annulus高度(hub-to-tip比为0.8333)。空气压缩机出口,通过sliding-annulus油门,然后直接出一个滚动式收藏家那里的空气排出环境条件。压缩机驱动从后面由1044千瓦交流电动机和动力传动系统通过5:1增速齿轮箱促进纠正设计时速5000 rpm。电机驱动轴上的编码器和proportional-integral-derivative控制序列内维持压缩机的转速所需的设定值的0.01%。除了电机控制、光学激光转速表针对齿轮箱高速轴的创建一个晶体管—晶体管逻辑(TTL)信号作为once-per-revolution(超载比)引发了高频率响应数据采集系统。

三级轴流压气机特性6061铝外壳和双圆弧弧转子叶片节不锈钢制成。通过压缩机转子叶片数减少为36叶片转子1,33为转子叶片2,30叶片转子3。定子叶片都笼罩在这个设施许可没有中心。与翼型几何相关的附加信息可以在找到14]。压缩机机壳与紧公差加工创造最好的叶尖泄漏流测量的工具。具体来说,套管的内径是指定为609.6 mm + 0.025 /−0.000毫米在尺寸上,但是额外的几何公差包括最大整体跳动0.127毫米和0.051毫米的表面轮廓的形状。所有尺寸公差内被证实是使用坐标测量机(CMM)检查技术。除非另外注明,名义叶尖间隙对所有数据提出了1.524毫米,代表3.0%的环的高度。为参考,表1提供转子叶片的长宽比和相应的提示许可的函数两个叶尖间隙的平均叶片和弦配置这个文件中引用。

稳定的压力和温度测量在整个压缩机是所有操作的标准。这些数据包括七素径向分布的滞止压力和临界温度在进口和出口飞机的压缩机(位置0和9在图2),一个周向和轴向分布的静态压力轴向位置0到9,和一系列的表面贴装衣架式热电偶在压缩机外壳的外面。这些表面贴装热电偶是定位在飞机气动接口(AIP)(飞机0在图2),在每一个七叶排在124度周向位置的压缩机转子旋转的方向,如图3。过去的研究表明,一个表面温度测量是充分自圆周表面温度变化小于1°C。数据集要求级间流信息,七素耙子测量滞止压力和临界温度也在每个轴向位置插入标记1到8图2。精心设计的温度测量系统减少了计算的不确定性为所有频道,小于0.3°C的不确定性测量绝对压力小于或等于50 Pa。

2.2。电容探针系统

电容探针系统用于本研究CapaciSense 5系调频间隙测量系统由Pentair热管理。有9个频道,让三个探测器的实现三个压缩机转子。这三个探针是等距的压痕,120度,105度的位置,225度,345度测量的压缩机转子旋转的方向。这些位置也标记在图3。每个九探针是单独校准使用专门设计的校准磁盘代表转子叶片的尖端几何通过缩放技术证明的制造商。摩擦的探针都校准操作条件(0毫米间隙)最多5毫米间隙高度。

的电子产品连锁店调频叶尖间隙测量系统有几个关键组件。探针设计并建造了应用程序在这个特定的设施;三轴电缆是永久连接到探测器和电磁干扰提供了增强的拒绝。non-mineral-insulated电缆的使用限制了该系统的最高工作温度为260°C。振荡器驱动电缆振荡电压(名义上2 MHz)。随着叶片通过探头,测量电容调节驱动频率的振荡器。这个灯是感觉到由承运人,和调制解调器转换频率由于刀片将事件传递给一个直流电压。的直流电压与间隙高度通过单个通道校准。之间的比例测量电容、频率调制电压,叶尖间隙的关键调频叶尖间隙测量系统。

控制间隙测量系统的“控制和处理模块”(CPM)电脑。这些电脑利用一个Advantech pci - 1714 ul数据采集卡的采样速率高达10 MHz /频道,以及外部触发与TTL的超载比信号测速信号。给出了测量在这项研究中,所有的数据收集充分利用10 MHz抽样数据采集卡的功能。其他规格的电容探针测量系统给出了表2。

间隙的计算过程提供了一个blade-by-blade间隙电压输出计算峰对于典型的叶片脉冲输出信号(称为叶片传递信号(BPS))。作为一种替代方法,软件BPS的低通滤波器输出适用于创建一个直流电压输出信号的制造商是指“RMS”信号,虽然应该注意的是,低通滤波器机制并不代表真正的均方根计算过程。这个RMS信号作为代表所有叶片的叶尖间隙的平均测量通过一个特定的调查。一个单独执行校准为基点和RMS输出信号。所有数据在本研究使用数据的输出计算均方根计算过程,但比较均方根BPS结果的算术平均值(这里没有显示)同意。

3所示。不确定性分析

电容探针测量系统的制造商声称伞不确定性小于0.01毫米的测量系统。这个值是基于历史的比较与其他测量技术,包括激光测量和按摩棒,以及关注的设计、制造、和校准过程,以确保最小的不确定性。然而,没有正式的尚未进行不确定性分析来验证这一说法,代表更多的可重复性和可比性,不考虑不确定性来自电子组件。

其他作者表现的不确定性分析电容探针测量系统,包括Satish et al。15和穆勒等。16]。计算从Satish等人非常彻底的整体不确定性分析作为参考,但系统的制造商用于这项研究没有提供足够的信息来执行计算了Satish et al。穆勒等人的不确定性分析包括了数年前可比调频电容探针系统,因此被用作模型计算执行。表3概述的一些代表性的贡献组件电子电容探针系统的不确定性分析用于这项研究。使用这些组件,root-sum-squared (RSS)计算技术实现计算整个系统的不确定性。表3包括解调器和振荡器的温度系数,但这些组件并没有被认为是在不确定性分析有两个原因:(i)解调器操作在一个气候控制环境,减少热影响和(2)本文提出的数据收集在7°C的温度校准,在振荡器和对流冷却有助于减少由于温度升高造成的热影响。

电子系统最终是一个函数的不确定性的名义间隙测量探针自校准的标准偏差数据不同的反向间隙增加。通过计算代表不确定性在每个校准名义间隙,曲线代表计算系统的不确定性和名义间隙被创建为每个九探头,如图4(一)。因为probe-to-probe可变性在图4(一)小(小于0.005毫米)名义间隙的兴趣研究(小于2毫米),代表平均九个探测器和一个四阶多项式计算适合应用于这些数据,如图4 (b)。

进一步量化系统的错误,一个典型的压缩机建立可能包括测量静态在每个转子叶尖间隙的九个叶尖间隙探头位置使用千分尺、千分表,如Brossman所述17];这些测量与计算间隙的电容探针系统低速操作(200 rpm低速测量)是一个典型的极限压缩测量运动的开始。通过测量操作许可后立即启动和运转速度低,影响由于离心效应和热梯度可以被认为是微不足道的。

4所示。结果

4.1。转速

图5显示提示间隙测量压缩机运转速度的函数在一个典型的启动过程。这些结果表现为间隙变化对静态间隙值: 在图5压缩机是加速通过一系列离散机械速度让变速箱的油温箱增加到一个适当的水平。在这个过程中,叶尖间隙变化的影响由于速度明显增加。然而,叶尖间隙变化由于热影响最小,因为通过压缩机温升较低速度部分,和整体加速时间相对较小。因此,测量间隙图的变化5主要是由于转子的离心效应对转子叶片生长与提高操作速度。小例外是有点明显压缩机操作速度4500转以上,当测量间隙在固定的机械速度操作略有增加。在这些高速“高原”,小贡献由于通过压缩机第一次明显的温升。然而,由于压缩机运行在一个开放的油门条件(near-choke)在启动过程中,温度上升仍然很低。叶尖间隙的变化随着转速已经被其他作者记录了过去(8,9,16]。

4.2。加载条件

一旦已经达到一个稳定的操作速度,加载方向的压缩机可以增加摊位的sliding-annulus油门在出口处通过关闭机器。整个压缩机总压强比图所示6在四种纠正操作速度。在图6,提出了总压强作为归一化的函数入口纠正质量流率、归一化的入口纠正质量流率的统一表示名义载荷条件在最高效率点附近。每个数据点在图6代表一个圆周平均20叶片位置对测量探头为了消除变异由于定子后效果。每一个点在图6代表了大约一个小时的压缩机的操作时间。可以理解的是,通过压缩机温升负荷增加而增加。当这发生时,热影响开始产生更大的影响压缩机的外壳。具体来说,从打开油门位置近失速的操作条件的影响增加停滞在出口处温度上升的每个转子叶片行由于增加了流动的工作。

图7显示了测量提示许可的九个加载条件的100%修正speedline压缩机映射图6。在压缩机的整体性能的测量图在图6,操作间隙测量,但由于每个数据点在图6对应于大约一个小时的压缩机操作,有可能,任何观察趋势测量间隙与荷载条件受环境温度变化的影响。为了避免错误的结论由于这潜在的热影响,转子间隙如图7测量在同一加载条件对应于100%的修正speedline从图吗6。然而,在图的数据7收集与相邻点之间大约十分钟在一段时间内,当环境温度相对稳定(在2°C)。这一次允许机器足够达到热平衡不允许环境温度发生显著的变化。此外,图7提出了两个系列的间隙测量收集在不同的场合表示测量的重复性作为替代从图计算电子系统的不确定性4。除了少数例外,人物7显示测量0.01毫米或更好的重复性,在协议与报告的价值系统制造商。

叶尖间隙的变化与压缩机加载条件预测盾et al。12)使用一系列的模型方程间隙变化由于热和离心效果。许可使用这种计算模型预测使用收集的实验测量验证了通用电气(General Electric) E³ten-stage压缩机。为一个单独的11-stage压缩机、东等人预测,增加的荷载条件接近窒息近失速会影响大约0.1%的叶尖间隙跨转子4但转子10 0.4%(由于增加压缩机的温升在后面阶段)。

董提出的模型等。12]利用一系列六计算变形的贡献,每一个都可以使用独立的方程和计算相结合来计算整体间隙。具体地说,该模型计算叶片变形由于热膨胀和离心力,裹尸布变形由于热膨胀和压力,和盘变形由于热膨胀和离心力。六个贡献然后结合静态间隙装配间隙确定模型 其中下标,,分别代表着叶片,裹尸布和光盘。方程代表这六个变形的贡献已经使用相应的压力和温度数据应用于压缩机性能点呈现在图6同时与操作叶尖间隙测量的电容探针系统。

叶片和裹尸布变形的方程一样由董等建议。12]。然而,盘变形的方程由于热作用是简化,以适应信息可以从实验结果。具体来说,有足够的实验数据,允许计算圆盘的径向温度分布。结果,方程被简化的近似盘由恒温温度分布测量内径的流动路径。这个近似是基于两个主要的信息:(i)径向温度梯度盘预计将小的前面阶段的轴流压缩机和(2)integrated-bladed-rotor (blisk)普渡三级轴流压气机的设计并没有促进对流冷却空气路径。

使用一系列的停滞压力,停滞的温度,和静态压力在流路径结合温度测量的外套管,所需的六个组件东等人模型计算。在的情况下静态温度要求时,热力学方程程序REFPROP [18)是利用结合测量参数,使高精度方程来计算热力学性质的应用,包括任何相关湿度影响。具体来说,停滞是结合测量温度和压力测量静压在墙上(假设一个恒定的径向分布的静态压力由于常数环高度)来计算所需的静态温度。

结果比较实验数据与模型计算结果如图8和9纠正操作速度为100%和90%。在这种情况下,结果表现为不同的开放节流加载条件下,用下标不: 首先考虑的结果100%纠正speedline数据如图8之间的协议,有一个明显的缺乏测量间隙和规范化的预测许可进口纠正质量流率小于1。具体来说,从转子2图的结果8,近失速点(最低质量流率)显示了一个图中给出的不确定性差异近两倍4和至少五次在图所示的可重复性7。另一方面,90%的修正speedline数据图9展示优秀的预测和测量之间的许可协议。也存在类似的协议之间的预测和测量间隙的80%和68%修正speedlines(这里没有显示)。

提出的模型方程(1)表明,100% speedline纠正结果的差异可能来自一个overprediction叶片和/或磁盘增长或underprediction裹尸布。更仔细地考虑误差的来源,并给出了各个组件图10。从这个图中,贡献预测许可主要由热驱动增长,而产生间隙比压力大几个数量级的差异或离心组件。

4.3。环境温度影响

相对应的数据分析结果图8显示相当时间变化的环境温度(3°C)的存在为数据在低入口纠正质量流率。这些变化的温度存在整个数据收集时期由于环境条件的变化。当然,修正后的参数定义的操作点(转速、质量流率)适当地说明这些不同环境条件在整体性能,但平均数据被用来计算所需的温度中使用(2)不适当代表所需的参数。因此,调整进行了预测计算,利用温度的热组件(2)代表温度测量在同一时间作为测量间隙。图11显示整个差异调整不补救,但它更紧密地代表了测量值的测量的不确定性。没有调整的非热能的组件(2)由于他们的贡献相对较小的图所示10。

总是谨慎地考虑,以确保达到热平衡之前收集这些数据。然而,到目前为止提供的数据表明,间隙变化与加载条件还可以依赖于环境条件。图12相比,显示了该两种不同叶尖间隙情况下对应不同的环境条件。具体来说,3.0%间隙之前提供的数据是容易变化的环境温度低流速(如上所述),而1.5%的叶尖间隙结果收集在一段时间内,当环境温度几乎是常数,从而导致的间隙增长低流速。两种情况之间的名义叶尖间隙的变化构成了潜在的可变性来源,尤其是在温度方面,但这些数据收集期间类似的天气和以前的研究已经表明,通过压缩机温升是几乎相同的这两个叶尖间隙的病例。

进一步强调了环境温度对测量转子叶尖间隙的影响,图13显示的结果80%纠正speedline叶尖间隙的配置。这里需要注意的是,低转速减少了通过压缩机温升。较低温度上升导致间隙测量荷载条件不敏感。换句话说,相邻的操作点的测量和预测许可几乎是常数。

考虑到数据图13,一段恶劣天气迫使停止实验活动完成后的三分最低的流速,和数据收集过程恢复到第二天。如图13不连续的环境条件,在第三和第四个点之间的顺序增加流速引起了明显的不连续的转子叶尖间隙(测量和预测)。这个跳间隙约为0.06毫米,代表8%的操作叶尖间隙的变化1.5%的名义叶尖间隙(0.762毫米),并且由于环境温度的变化约15°C。虽然没有可观的性能参数的变化由于这种差异在这个压缩机转子叶尖间隙,这些结果表明,建议避免“停止和启动”当叶尖间隙比较相邻数据点之间的信息。

在这些情况下不同的环境温度和其他环境考虑,可能是大气成分的变化可能会影响介电性能足以斜电容效应,从而人为地引入测量间隙的变化。奇弗斯(9]分析了相对介电常数的介电材料(在这项研究中,空气)在几个温度和压力代表220 kN推力的燃气涡轮发动机。从这个分析,奇弗斯表明,增加压力和温度由于流过压缩机将影响空气的相对介电常数约0.05%相比,相同的属性在进口的机器。此外,巴克斯特(19)地址湿度对相对介电常数的影响的关注。增加了相对湿度从40%到90%在20°C(这里给出的数据代表平均水平)会影响相对介电常数,因此,测量电容的0.007%——数量级小于由于温度变化。从这些值,预计介电性能的变化没有显著影响测量间隙。

4.4。热平衡的考虑

这一点上,分析转子叶尖间隙的影响由于转速,负载条件,环境温度也被认为是。暗示了热平衡,但主要是在环境温度变化的框架将每天的时间。因此,相关的时间接近平衡的一个条件是基于测量间隙也被认为是显式上下文中的热平衡。压缩机操作在一个稳定的转速为2500 rpm,允许达到一个平衡状态确定测量热电偶和叶尖间隙测量。在这一点上,操作速度增加到5150 rpm(机械速度有关纠正100%转速根据环境条件)的线性速度每分钟1100转,和相应的响应测量间隙和裹尸布外径的温度被观察到。除了机械速度图14 (d),测量环境温度也证明验证测量温度和间隙的变化数据(14日)- - - - - -14 (c)不是由于环境温度的变化。这些间隙结果如图(14日)- - - - - -14 (c)作为一个不同的静态间隙值。

指图14后,立即速度的增加,测量间隙减小非线性的方式。在这个速度变化过程中,表面温度测量的外径压缩机裹尸布显示没有变化。我在这段时期(地区;大约2 - 3分钟),增加流温度存在,但有一个明确的间隙响应滞后由于热增长。在接下来的15分钟(区域2),然而,温度升高的外径测量压缩机裹尸布后可观察到的所有三个转子是一个渐近的趋势。在这同一时期,测量间隙也显示增加,但趋势三个转子略有不同。

在整个地区二世,间隙变化/转子1大约是线性的。相比之下,间隙变化对转子2和转子3表现出非线性部分,区域2 (a),延伸约最初的三分之一的地区。地区II (a)的非线性响应是后面的更直接的改变叶尖间隙流中由于温度上升(例如,贡献)。出于这个原因,区域2 (a)的间隙变化对转子3是更重要的比转子2,和相对较小的转子1导致nondiscernable地区气温上升2 (a)叶片排。区域2 (b),另一方面,主要是由于传热的贡献通过压缩机裹尸布导致热增长。

一旦温度测量外径的裹尸布接近一个渐近值,旋转速度是降低以同样的速度每分钟1100转的。可以预见的是,测量间隙显示急剧增加的趋势与转速降低间隙的贡献由于离心力回应与地区(地区III)。第二,第四热主导地区的减速之前更多的线性趋势三个转子。这一重要区别是与冷却过程实施减少速度通过压缩机温升降低,周围的空气压缩机的对流换热增加。结果,有一个不明显的分离四类热贡献。虽然有一个轻微的渐近的趋势的间隙变化区域4转子3,这一趋势更明显比第二区域叶片相同的行。

5。摘要和结论

操作叶尖间隙测量使用FM电容探针测量系统与普渡大学三级轴流压气机。由于大量的实验数据,此工具提供了一个独特的机会来研究叶尖间隙变化由于一些外部因素。特别是,叶尖间隙变化由于转速,加载条件下,环境温度,和热平衡已经解决。这项研究已经通过实验验证的可衡量的变化在叶尖间隙的存在几个加载条件和几种不同的压气机叶尖间隙高度。许多这些测量的变化超出了计算电子系统的不确定性,和几乎所有超出测量的可重复性。

这里给出的结果给操作带来一个非常现实的问题没有了之前的燃气涡轮发动机通过实验数据。先前的作者讨论了转子叶尖间隙的潜在变化和变化的荷载条件,但这改变间隙通常不是在计算模型中实现。这些测量叶尖间隙的变化与操作条件可能是比较重要的实验和计算性能。更重要的是,这些环境工况下测量间隙的变化也会导致可衡量的总总压比的变化超出测量的不确定性。

这些结果都集中在一台机器的产量相对较低的总温度比率。因此,热驱动间隙变化可以考虑小与大的多级压缩机相比。特别是,它已经表明,最大的间隙变化存在后温度上升是最大的阶段。对于典型的燃气轮机压气机的设计,这是叶片高度和相对的位置提示许可是最小的。因此,叶尖间隙的变化与操作条件和环境温度可能比有些人可能认为的更重要。

最终,这里给出的结果激励需要将叶尖间隙测量系统与压缩机测试设施希望准确地监控压缩机性能。实验数据收集在一天的不同时刻,不同时期的日历年,或在不同加载条件下可能导致重大变化的提示许可必须监控最好与计算工具。

命名法

佛罗里达州的:	前瞻性尾
:	操作提示净空高度
:	在打开油门操作叶尖间隙高度
:	静态叶尖间隙高度
:	由于叶片变形间隙的贡献
:	由于盘变形间隙的贡献
:	由于裹尸布变形间隙的贡献。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这种材料是基于工作支持下由NASA roa - 2010亚音速固定翼项目的全国步枪协会和部分由美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划下批准号dge - 1333468。作者感谢Reg莫顿提供技术信息的探针测量系统。作者还要感谢劳斯莱斯的许可发布这项工作。