墙压力和侧槽风机叶片表面压力

文摘

侧槽鼓风机的压力场的结果复杂,内部流动机制。而墙上已经有实验调查的压力分布,对旋转系统的压力,即。在叶片表面。在这项工作中,我们提出了一个测量实验装置叶片非定常表面压力在几个位置。获得的数据将被补充和相比另外测量墙侧槽的住房压力。微型压力传感器集成到叶轮。它被修改,以确保嵌装膜上的传感器,避免影响流场。遥测系统是用于从旋转系统数据的无线传输数据记录器。因此,我们展示了时间分辨的压力分布以及其锁相统计平均值。压力场的变化与压力差积分在透平机和旋转速度。由于高时间分辨率的测量数据,准确的空间定位至关重要的流动现象。 Low integral pressure differences show a nearly linear increase of the pressure in circumferential direction, while greater integral pressure differences evolve exponentially over the azimuth. The results confirm the circulatory flow theory. Different rotational speeds elicit a comparable behavior. The stripper is a dominant source for pressure fluctuations. Its individual geometric discontinuities are correlated to the flow field. Our results provide a deeper understanding of the flow phenomena in side channel blowers and the theory of pressure generation. Although the measurements were performed for only one type of side channel blower with a double-flow configuration and open blades, the energy transfer mechanism is the same for other modifications like single flow or closed blade versions.

1。介绍

侧槽风机关闭之间的差距古典透平机、轴向和径向的粉丝,和位移泵(1]。描述透平机的操作点,常用的两个基本参数:流量系数 基于叶尖转动速度吗和圆周方向的流体的平均速度和压力系数 基于具体多变的工作吗 。以尖端的速度比 的 数量和直径 的 ,侧槽鼓风机能够提供相对高的头,同时保持适度的流速。原因是一个复杂的内部三维流场。高度湍流流场消散,而大部分的能量传输(2]。因此,流体温度吸入口和出口之间的区别可以超过100 K的值(3]。因此,多变效率没有达到值高于 (2,3]。

流场是由叶轮对流体的动量传递。由于其简单的设计,流体粒子可以通过叶轮部分多次,因此,增加动量转移以及由此产生的压力。吸入口和出口由一个脱衣舞女。它形成一个几何收缩之间的差距最小的住房和旋转的叶轮,确保无接触充电成为操作。双侧侧槽鼓风机的示意图如图1。

侧槽中的周向流速度低于叶片间的液体的流动速度。因此,流体元素位于旋转区域是在积极的径向加速离心加速度。离开叶轮时,能量和动量传输的更快流体元素流体侧槽的越慢。因此,新的流体从侧面渠道吸入叶轮附近的中心。这个流理论称为循环流理论和广泛的讨论在文学4,5]。根据叶片通道的数量,压力增加而流体在圆周方向上移动。流动速度较低侧槽更减速导致的循环流体,因此,允许更多的叶片通道导致更高的压差。

基于这个基本行为,许多analytical-empirical进化模型。他们占动量转移和损失,并允许估计压力上升。早期的模型已经包括循环流的压力损失(5- - - - - -7]。Sixsmith和奥特曼8调查一个侧槽鼓风机叶片气动理论和实验的方式。在[9]脱模的影响缺口分析建模和实验数据验证了显示距离的差距有一个逆对效率的影响。在[10)进一步分析调查相关损失再生透平机显示,摩擦损失的原因通常效率低。Grabow和Suong11)利用分析模型显示在相关的依赖进口和出口桨叶角。进一步分析方法推导出在12- - - - - -15]。介绍了创新采用的分析模型在16)通过考虑流体的可压缩性。

另一个流理论,混合或湍流理论,指出动量转移由剪切诱导或湍流混合流体的侧槽和叶片间的液体17- - - - - -19]。叶轮被视为粗糙、移动墙,增加流体在其周边圆周速度。然而,这种方法不能解释高的头侧槽鼓风机能够交付。

比较两种理论一直在执行的20.]。结果表明,循环流理论优于混合或湍流理论解释的一代在侧槽鼓风机的压力。作者利用计算流体动力学(cfd)模拟的简化和直侧槽的人造动量项评估两个流理论的有效性。

数值模拟流场的侧槽鼓风机表明,建立了循环流(21- - - - - -23]。尽管数值模拟允许详细的见解流场,几个来源描述空间和时间压力场。

不同方面的详细审查。,operation, losses, and possible geometry and design optimizations is given in [24]。

在[2,3],Surek墙压力场的分析在八个不同的测量位置。他表明,压力面节流配置增加了体积流量的结果在一个较低的压力和温度较低进口地区。此外,他的测量显示非线性上升在圆周方向上的压力。时间分辨测量压力振荡的振幅和频率特征的通道。

没有国际出版物,实验检查叶片表面压力场的侧槽鼓风机下操作。只有Surek测量叶片表面压力(25,26]。在他第一次设置,Surek使用三个微型压力传感器安装到叶片上。第二个设置由四个压力传感器允许更高的空间分辨率。详细描述了遥测系统,他没有显示的集成传感器是如何实现的。从传感器提供的信息,似乎在叶片上,创建一个障碍和干扰流场。尽管如此,结果给一个洞察压力场的动态行为,特别是在脱衣舞娘。压缩冲击叶片段期间关闭和打开汽提塔地区被确定。几何描述的脱衣舞娘不是,一个可靠的链接到观察流效应是不可用的。

分析方法以及cfd模拟允许计算压力场的通道。为了实现的整体表示流体动力学的影响,验证前面的话题,压力场的实验数据是至关重要的。

本文地址的描述压力场在住房和侧槽鼓风机叶片表面。它链接的主要压力波动造成的几何不连续脱模详细描述。

2。材料和方法

这部分分为三个部分:描述水力特性的基本设置,即。,volume flow rate, integral pressure difference, and rotational speed and the setups for wall pressure measurements on the blade surface and on the side channel wall. The measurements were performed with a side channel blower that has an outer diameter of 356 mm. The impeller has 55 blades and an outer diameter of 340 mm. The blade width is 45.9 mm and the blade height is 40.6 mm. The side channel blower has a double-flow configuration, forward-skewed radial blades, and a constant side channel cross section.

2.1。基本的实验设置

的设置也可以用于声学测量,这不是这个工作的一部分,侧槽鼓风机(G)位于一个消声室如图2。压力损失的计算体积流率在喷嘴内径80毫米根据DIN EN ISO 5801 (a)。下游,球阀(B)是用于吸力面节流。管子直径是65毫米。在远处的2.2 (C) (E)侧槽鼓风机的背后,温度和静态压力相对于环境的压力测量。管之间的振动传输系统和侧槽鼓风机被灵活的软管(D)解耦。增量转动解码器(F)最大分辨率为0.09°是安装在电力驱动的轴。它仪表叶轮的旋转速度和方位位置。与250 kHz信号获得50 Hz转速。热废气被排放出室,以确保一个恒定的入口温度。用热电偶测量温度k型进口喷嘴的压力与两个差压传感器测量从塞特拉-类型D239牌汽车,一个范围的爸爸和其他的Pa。我们使用传感器与不同的范围,以确保适当的收购所有工作的压力损失点。一个连接的传感器连接到喷嘴;另一个是暴露于环境压力。

为了减少环境影响特性曲线,减少压差计算如下(27]: 大气压力的标准条件 ,进气温度 ,出口温度 ,相应的绝对静态压力和 ,标准条件的温度 ,特定的气体常数的空气 ,的多方指数 ,入口管截面 ,和体积流率在进口 。

的测量工作,50赫兹或60 Hz的转速和设置所需的压差。由于耗散效应,流体温度的升高和压力差略有下降。因此,节流阀调整以满足所需的操作点。这个迭代过程会一直重复,直到出口温度和操作点聚集。

2.2。叶片表面的压力

最大的挑战在执行测量旋转物体的电源和数据传输的传感器。我们使用遥测系统,它允许非接触式操作。图3显示了描述设置。定子天线周围旋转天线直接执行A / d转换。后者是安装在一个连接到电机轴的轴与爪耦合。确保轴的同轴度,遥测系统轴是由电机驱动的。侧槽住房被削减的中心孔修改爪耦合允许这种类型的设置。

作为压力传感器必须嵌装在叶片表面,小蛀牙被侵蚀到叶片,房子传感器。安装后,蛀牙,除了传感器膜,满是超薄,气钢板;参见图4。通过这种方式,我们保证流场不被任何修改。膜传感器的位置如图所示5。两个叶轮被用来检查更多的位置。叶轮安排1 (IA1)两边各有三个传感器上的叶片简化路径根据循环流理论。第二个叶轮安排(IA2)覆盖其余叶片的面积。两个叶轮都包括一个传感器参考位置(R)进行比较。这导致总数的13个不同的传感器的位置。传感器的高温线压力传感器Kulite le - 080最高校准温度为235°C的大小 。240千赫的固有频率是24倍感兴趣的最大频率。传感器在密封测量模式下工作,这意味着他们持有一个封装参考压强大约是环境压力。相邻叶片的电线穿过一个洞段,从那里他们安装在磨沿着叶轮中心通道。修改轴使电缆在轴承的安装。然后电缆出现通过转子爪耦合和联系了天线,如图3。

压力传感器获取的信号同步采样率为100千赫。这显然高采样率是必要的,以妥善解决压力变化的时间趋势在该地区的脱衣舞女。这些影响发生在叶片通过频率和36个样本,因此解决转速50赫兹。我们从国家仪器使用一座桥模块类型pxie - 4431,最大102.4 kHz的采样频率的收购。转换到频域进行使用功率谱密度(PSD)与汉宁窗和50%重叠。通过触发两个系统、遥测系统和所有其他传感器的数据采集系统,一个共同的基础保障。当执行测量时,侧槽温度达到收敛后风机停止运行。然后,抵消压力传感器由于温度和机械应力的测量。后来侧槽鼓风机设置回操作。这允许后校正测量压力值在操作。 The centrifugal acceleration induces a maximum worst case offset of approx. 1000 Pa into the measurement signals.

2.3。墙的压力

非定常壁压测量使用高温,圆柱直径2毫米微型压力传感器,类型Kulite xce - 080,在差模工作。这些传感器也被嵌装使用双重密封设置如图6。自然频率通常是400 kHz, 40倍感兴趣的最大频率。

十个传感器逐渐位于四个圆周位置(Pos 1 - 4),每一个像一个十字架形成;参见图7描述为“不稳定measurem。pos”。传感器的位置改变了,而操作点是固定的,侧槽鼓风机运行。剩下的测量从外部头寸密封使用flush-mount插头来避免任何流场的变化。

稳定壁压力,此外,使用64 -通道测量系统(压力系统DTC Initium)。64年的测量位置均匀分布在圆周和轴向方向如图7描述为“稳定measurem。pos”。系统的采样率是约。330赫兹。因此,它只允许为稳定的测量数据的分析。

2.4。限制

传感器在旋转系统暴露在温度变化和机械应力。效果都可以导致一个偏移量的测量,平均压力。这些问题已经被解决通过减少对被测信号的影响尽可能的纠正temperature-converged零传感器如上所述的转变。差异调整值的操作模式是可能的侧槽鼓风机必须停止的零点漂移测量。

此外,压力传感器集成到叶轮是离心加速度的影响,但这抵消不改变给定一个恒定的转速。几乎同时,传感器安装在一个圆周方向;,膜的方向,展示了最小灵敏度暴露产生的离心力。

此外,结果只显示离散点的压力和压力场的代表一个表面或wall-bound视图。因此,包括本地测量压力,例如,停滞的影响,不像一个压力场的三维表示遥远的侧槽表面。

使用了三种不同的测量系统,同步触发信号离线。因此,系统的时间抵消最低采样频率的范围,这是约。 。

3所示。结果与讨论

这部分分为三个部分。在第一部分,我们提出一些侧槽鼓风机的一般特征。第二部分包括分析叶片表面的压力,第三给详细的信息在墙上的侧槽内的压力。

3.1。特性曲线

侧槽风机特性几乎线性气动特性曲线;参见图8(一个)。测量操作点,流量在50米的范围³h⁻¹多达350³h⁻¹逆压力范围35000 Pa 1000 Pa。更高的头超过失速线为给定的旋转速度。风格的无量纲特征行为给出Cordier-Chart [1)在图8 (b)和表明侧槽机覆盖古典涡轮机之间的操作范围和位移泵。

在叶片表面压力测量和侧槽壁为给定的特性曲线。汽提塔的详细表示几何,这是至关重要的一个有意义的解释压力的趋势在下面几节中,提出了数字9和10。后者代表一个径向的脱衣舞女和包含重要的角的径向叶片段开始关闭。前持有两种不同的轴向视图的脱衣舞女突出轴向叶片的开始段关闭由于脱模的封面和房地产 。此外,封面有放松槽的吸力面脱模固有的光滑的液体放松,不可避免的造成的系统和流体运输从吸入端压力。槽始于 。这四个基本几何角度是指在叶片表面的压力趋势。

3.2。叶片表面的压力

叶片表面压力包含的信息压力上升的通道,在汽提塔压降,流体状态的变化。这些三个基本过程,描述了典型的侧槽鼓风机的行为。本文关注的是前两个过程。

在叶片表面压力时域信号图11分为吸入和叶片的压力面。操作点= 14000 Pa在50 Hz转速。其他操作点表现出类似的行为,只绘制这一趋势的时间。图表类似于典型的侧槽机中的压力上升。初的侧槽,通过吸入口在流体进入 °,压力生成初始化。螺旋流是不存在的,只有叶轮之间的剪切应力和流体导致能量转移并导致的压力略有增加。在第一个三分之一的侧槽( °),螺旋流几乎完全开发,导致陡峭上升的压力。叶轮的流体经历多个联系人,直到它到达侧槽。轴向脱模在封面的开始伴随着出口港口。脱衣舞娘开始在叶轮的内半径接近传感器IA2-PS-3并导致压力上升的流体由减少推侧槽部分。随着轴向入口桨叶截面减少,减少流体粒子进入叶轮。同时,流体粒子在径向叶片段被迫离开的方向。这减缓了压力的一代。叶片的径向关闭的开始部分和它的终结约。7°后,流体突然封闭中间两个叶片和脱模造成压力冲击,即。,突然崛起的地方压力由于突然的几何变化。流体的径向运动停止后,减少的压力冲击。从技术角度来看,移动刀片之间的间隙和静止的脱衣舞女必须是有限的。正在调查的侧槽鼓风机,之间毫米。叶片间的液体开始放松吸力面由于这个间隙。对小型压力差异,放松允许一个完整的吸入侧压力均衡。更高的压力差异,额外的放松槽被实现成封面的脱衣舞女。这个槽是从 ,增加了流动横截面,并且导致更快的调整压力。在吸入端,轻松的流体的惯性造成负面冲击的压力。然后,一代重启的压力。

流体的一部分总是沿脱模运输从压力面到吸力面由于机械施工。虽然这体积流量是恒定的,由叶片部分的体积和转速,运输质量取决于点和工作,因此,在流体密度。

叶片的压力面之间的差别(图(11日))和吸力面(图11 (b))可以主要被发现在较高的压力值在叶片段通过通道。此外,通过脱模时,压力冲击加倍振幅的吸力面叶片压力面。实际的工作 kPa,压力冲击对叶片的压力面相比3000年一系列Pa 1500 Pa的吸力面。

显示了压力分布sensor-averaged和锁相ensemble-averaged类型不同的工作分和旋转速度图12。的转速50 Hz, 1500,和1800年60 Hz的转速,时间是平均测量时间是30年代以来。操作逻辑上压力梯度的影响,但随着不同的趋势显示,梯度沿侧槽本身的变化。而低积分压力的差异 ,即9000 Pa在50 Hz转速,举行一个几乎恒定的压力梯度,越来越积分压力差导致额外的上升。所有测量抑制压降在180°,是由一个小肋侧槽的内壁。不同的旋转速度主要影响压力放松,即。,the decrease of the pressure due to expansion of the enclosed (blade segment) volume, in the area of the stripper. The higher the rotational speed, the less the time available to the fluid to relax to the suction side while being transported along the stripper. Hence, the pressure decrease up to the beginning of the relaxation groove slows down and the relaxation process through the relaxation groove intensifies. This results in higher flow speeds and accordingly in stronger oscillations at the suction side of the stripper beginning from °。总之,更快的几何变化在旋转叶片部分增加的压力波动和诱导较强的湍流流场。

的压力波动信号进行评估的标准偏差为每个旋转位置。图13持有相应的旋转速度的趋势。圆周方向的波动上升。增加积分压力差导致更高的波动。增加覆盖肋骨引发的波动在200°和解释了为什么这种现象不能确定积分更高压力差异(见图12)。波动的趋势也显示,位于固定位置沿着侧槽周期振荡发生,尤其是在的范围 °。对于不同周向位置,空间平均过程抑制振荡。进入汽提塔时,波动突然增加流场的干扰。在遗留,流体在叶片段是封闭的,因此,汇率的波动减少。最强大的压力场的变化引发的弛豫过程的吸力面脱模从 。在低压力差异,吸力面侧小幅波动为主,的压力波动对压力差异高于更强 。随着趋势证明,脱模压力波动的主要来源是侧槽鼓风机。

功率谱密度(PSD)图14为= 28000 Pa识别50 Hz的转速和其谐波主要频率成分信号的压力。叶轮安排1所示的光谱只是像其他传感器位置代表一个类似的行为。最高峰是均值偏移量在0 Hz的峰值转速紧随其后。直到大约谐波减少。3 kHz和消失在120分贝噪音楼开始,不断下降90 dB 10 kHz。影响转速的旋转系统,即。,on the blade surface, occur at the blade passing frequency in the stationary system, i.e., on the side channel housing. Other temporal effects than the blade segment passage through the circumferentially increasing pressure field cannot be identified.

3.3。墙的压力

在叶片表面压力的变化以及侧槽中的液体粒子的路径根据进口和出口之间的压力差,墙上的压力传感器暴露在一个几乎恒定的压力场受到轻微的波动。时均压力等高线的侧槽壁中描述的数据(15日),15 (c),15 (e)测量位置标记为白点。颜色范围为每个subfigure只是为了说明和变化;因此绝对等值线所提供的值。的规模在整个压力范围内抑制当地的压力变化的可视化领域,当地的圆周value-adjusted静压是绘制在右列相同的图。它是计算如下: 根据这个方程,当地的圆周平均值持有所有传感器在同一圆周位置同时从每个压力减去趋势 。

三个模范工作点的平均壁压力分布,如图15,证实了这些发现在叶片表面压力测量:圆周方向的压力梯度与压差的增加相关 。侧槽引起的双侧设置平面对称解几乎压力场和轴向位置4和5之间的轴面,即叶轮的中间。轻微的不对称发生的进口和出口附近外引起的轴向位置不对称的几何图形。轴向位置8在进口持有所有工作的最低压力值点,因为它是最靠近进气口。在同一圆周位置在6到8轴向位置,通常是增加的压力流体在这些方向扩展。这个问题被描述在当地意味着value-adjusted轮廓图。沿着侧槽,两个流类似。径向侧槽壁的压力、轴向位置3到6,循环流的影响,其径向轴向方向偏转。这种效应形成一个地方停滞区和上升的压力。出口附近的流体流覆盖被迫改变其方向的侧槽通过出口离开。这个几何限制引发当地的滞止压力侧槽( °)附近的轴向位置1。此外加剧了突然出现的脱衣舞女。相比之下,轴向位置6到8暴露于当地压降流体流动经过这些职位和诱发局部流速的崛起。不同的工作分和旋转速度字段创建类似的压力。

的时间趋势的一个流(轴向位置1 - 4)双侧配置在图提出了一个暂时的解决形式16的压差= 28000 Pa在四个不同的圆周位置。趋势代表三个叶片通道,即。,一个叶轮的旋转19.4°。叶轮的旋转引起的周期性波动测量压力,尤其是靠近进气口 °,循环流动尚未建立,叶片通道有一个明确的影响。对于其他三个圆周位置,随机波动的压力增加,随着流场变得越来越动荡的初始化的循环流动。径向侧槽壁的压力传感器(轴向位置4)受到最高的波动是暴露于循环流动的径向射流。从入口到出口,波动增加约。的四个因素之一。

尽管日益动荡,墙上压力场仍由期刊通过叶片如图所示的锁相ensemble-averaged墙压力图17。径向侧槽壁的周期性波动增加在圆周方向轴向侧槽(轴向位置1到3)仍然几乎不受影响。在进气口,波动的振幅200 Pa,上升到2500 Pa 4出口的轴向位置。周期性波动的崛起径向墙上可以解释为在圆周循环流动的发展()方向已经证明非常数的压力梯度。增加的能量转移,从叶轮流体诱导循环流动速度更大更多的叶片通道发生。这个循环流垂直于主在圆周方向流动。因此,滞止压力由于流偏转径向墙上增加。此外,振荡脉冲占空因数的圆周方向提升。这表明更多的流体循环通过叶片段意味着更好的使用叶片段截面的速度分布。随着循环质量流量的增加,更多的能量可以从叶轮流体传输。

空间解决壁压力波动标准偏差,如图所示18。这些确认四个等高线事实发现从之前的评估:首先,最高的压力波动振幅位于径向侧槽壁。其次,圆周方向的波动增加。第三,波动的振幅与压差 。第四,双侧配置诱发近对称流场除了面积接近进口和出口端口。

墙的PSD压力信号图19在叶片通过频率识别叶片通道( 赫兹)及其谐波作为主导峰光谱。给定的光谱为三个不同的轴向位置,即1、4和6,绘制四种不同周向位置。他们肯定波动以及随机噪声地板在圆周方向的压力场上升。除了高峰的倍数,增加宽带噪声的频率范围约。检测到400 Hz,特别是在50 Hz的转速。转速,刚体运动发生由于叶轮的不平衡。这引发压力振荡表面的刚体,即。,侧槽住房。轴向不稳定测量位置,位于最靠近叶轮上游和下游方向循环流的轴向位置1和4。他们暴露于噪声地板和更高的峰值高于那些坐落的位置远流向方向的循环流动,如轴向位置6。

4所示。结论

在这部作品中,侧槽的压力场分析了风机叶片表面非定常测量和侧槽壁。都设置了详细信息的时空行为流场。主要研究结果可以概括如下:(我)叶片段的压力场和侧槽壁功能类似的效果。这些效应在时间以及空间域一致。(2)圆周方向的压力梯度不是常数。特别是在高压力的差异,在圆周方向上梯度增加。(3)结合前发现,结果表明,内循环流场初始化在第一约。90°的通道。此外,循环流动的效率,通过叶轮对流体的动量传递,提高在圆周方向。因此,一个优化的进气口改善循环流的初始化,因此,压力上升。(iv)侧槽壁的压力场是由波动在叶片通过频率和叶片表面的转速。后者是由通过叶片段脱衣舞女,而前者是由径向射流的偏转的循环流径向侧槽壁。(v)压力波动的振幅与压差的积分 。(vi)不对称设置的进口和出口端口参照双侧配置力量流中的流体远离港口流动方向的突然变化。这反过来会导致高压汽提塔附近波动。相应地,对称设置的端口导致平滑偏转的液体对于双侧配置。(七)关闭的叶片段脱衣舞诱发压力冲击和吸入端上的开放导致额外的振荡由于大规模扩大流体的惯性。(八)压力放松开始后直接关闭叶片段完成。更高的转速通过小叶片之间的差距会导致更少的放松和脱衣舞女,因此,会导致更强的放松放松槽的开始。

侧槽鼓风机的压力场是复杂的,受到许多因素的影响。的几何适应更快的循环流的初始化提高了压力生成和透平机的特性曲线。

命名法

:	直径数
:	效率
:	角速度
:	压力系数
:	流量系数
:	轴向位置
:	方位;周向位置
:	提示速度比率
:	管道横截面积
:	圆周方向的流体的平均速度
:	多方指数
:	静态入口压力
:	静态的出口压力
:	所有轴向平均静压相对于环境的压力测量位置( )
:	平均静态压力相对于环境压力的位置
:	当地平均value-adjusted静态压力相对于环境的压力
:	标准条件下的大气压力
:	特定的气体常数的空气
:	入口温度
:	出口温度
:	大气温度的标准条件
:	转动速度
:	进口体积流量
:	具体多变的工作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认支持德国巴伐利亚和加德纳丹佛GmbH绿色工厂。此外,他们感谢直到海和亚历山大Lodermeyer。

引用

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