口译的跨声速空气动力学叶轮从静态压力测量

文摘

探讨跨声速空气动力学的叶轮使用静态压力测量。叶轮高速,high-pressure-ratio轮用于小型燃气涡轮发动机。实验在单级离心压缩机设备压缩机普渡大学研究实验室。数据从窒息near-surge在四个不同的修正获得速度(Nc)从80%到100%的设计速度,涵盖亚音速和超音速入口条件。叶轮流场的细节讨论了使用数据获得稳定和时间分辨测量静压沿叶轮裹尸布。流场比较在不同加载条件下,从亚音速到超音速进气道的条件。叶轮性能强烈依赖于诱导物,大多数相对扩散发生的地方。更有效地诱导物扩散流进口尖相对马赫数接近团结,在其他马赫数和性能降低。冲击波新兴上游的叶轮前沿观察从90%到100%修正速度,他们朝着叶轮后缘随着入口提示相对马赫数的增加。没有激波诱导物中纠正速度80%。 However, a high-loss region near the inducer throat was observed at 80% corrected speed resulting in a lower impeller efficiency at subsonic inlet conditions.

1。介绍

High-pressure-ratio离心式压缩机已广泛应用于涡轮增压器和涡轮轴发动机由于其体积小,效率高,操作范围宽。现代涡轮增压器和涡轮轴发动机不断推动边界的压力比和流量。电缆外径的尺寸限制导致更大的旋转速度和结果在跨声速流条件下压缩机入口。叶轮与亚音速流动入口条件相比,在跨声速流叶轮是由于冲击波的存在更复杂。相信,在跨音速离心压缩机,额外损失可能是由于相互作用产生冲击波和叶片表面边界层/叶尖间隙流。调查由罗杰斯和Sapiro [1]显示叶轮最高效率下降(PE)和叶轮进口裹尸布相对马赫数的增加,这促使一些调查在跨声速叶轮。

离心叶轮内部的流动和跨声速进气条件下研究了Senoo et al。2)与静压测量沿叶轮裹尸布,后来由Hayami et al。3)在诱导物与速度测量使用laser-2-focus测速仪(L2FV)。在亚音速流条件下,叶轮在低流率,并观察流动分离。然而,流动分离仅限于半开的区域之间的诱导物前缘(LE)和喉咙。因此,它允许一个稳定运行范围没有叶轮效率的恶化。在超音速入口条件,结果显示两个冲击波在诱导物:一个脱体激波前主叶片勒和其他流道表面的压力。此外,最高的多变效率观察叶轮附近的条件停滞,表明冲击波不严重恶化叶轮的性能。

Krain et al。4,5)内的流场进行了详细测量跨声速后掠角叶轮首先使用L2FV后来使用三分量激光多普勒测速仪(LDV)。诱导物相对马赫数为1.3。结果表明,第一个裹尸布附近的流动不稳定性发生的诱导物由于激波在叶尖泄漏涡的干扰。叶尖泄漏流扩展在整个通道向叶轮出口流动,和流型叶轮出口似乎由后形成的漏流。

茨城县et al。6- - - - - -8)和Marconcini et al。9,10]研究了跨音速涡轮增压器叶轮内流场设计和非设计工况条件。double-splitter设计的叶轮特性。叶轮的相对马赫数前缘小费约1.3,一样的情况下研究了Krain et al。4,5),结果显示类似的流动模式。低速区域首次观察到裹尸布/吸力面附近区域诱导物由于激波之间的交互和叶尖泄漏流。这种交互提高总压力损失的诱导物。在叶轮出口处,叶尖泄漏涡形成的低速区域流场控制。

Higashimori et al。11)进行了详细的流测量一个叶轮相对马赫数1.6的诱导物,和CFD模拟也进行比较。的研究主要是集中在诱导物流,并在四遍历测量飞机。结果表明,斜激波形成前缘的诱导物的流动进入叶轮,和一段冲击出现在诱导物的喉咙。逆流附近的裹尸布的诱导物存在,因为冲击波和叶尖泄漏流之间的相互作用。Buffaz和Trebinjac12]研究了流动诱导物的跨音速离心压缩机用LDV测量速度和时间分辨测量静压沿叶轮裹尸布在诱导物部分。这是得出结论,从阻塞流型的变化增加主要是由于叶尖泄漏流的变化。

总之,在跨声速流叶轮由于冲击波的存在更为复杂;逆流的裹尸布附近诱导物可能出现由于冲击波的存在;叶尖泄漏流起着更重要的作用在叶轮和叶轮出口的;流不稳定可能会进一步上游喉咙的诱导物由于冲击波和叶尖泄漏流之间的交互。

2。这篇论文的范围

跨声速叶轮上有冲突的结果由于有限的叶轮几何图形的先前的研究。例如,结果Senoo et al。2]表明,激波之间的相互作用的影响和叶尖泄漏流在半开的区域内的叶轮附近的LE。然而,结果Krain et al。4,5和茨城县等。6- - - - - -8)显示一个扩展的影响激波和叶尖泄漏流之间的相互作用在叶轮出口。

本文详细分析使用数据获得跨声速叶轮的空气动力学稳定和时间分辨测量静压沿叶轮裹尸布。叶轮高速,high-pressure-ratio轮用于aerogas涡轮发动机。结果有助于理解在跨声速空气动力学的叶轮和叶轮空气动力学的研究丰富数据库的开放的文学。

3所示。设备和仪器

本研究在单级离心压缩机上执行(船舶卫生控制措施证书)设施的APU-style进口压缩机普渡大学研究实验室。设施包括一个1400马力的AC电动机,30.46:1比例变速箱,排气静压箱和霍尼韦尔实验压缩机。船舶卫生控制措施证书机构的细节被卢等记录。13]。图1显示了横截面的压缩机和性能测量的位置。整个阶段包括一个入口住房、开式叶轮,叶片扩压器,一个弯曲,deswirl。17主叶片叶轮特性和17分流叶片。压缩机性能计算的基础上,总压和总在压缩机进口和deswirl出口温度测量,显示在图1。压缩机的设计操作速度大约是45000 rpm,整个舞台和总压强比是6.5。

图2显示了沿着叶轮压力仪表裹尸布。静压沿叶轮水龙头是等距的裹尸布从勒后缘(TE) 10经向的位置。此外,10快速响应压力传感器安装在叶轮从叶轮LE和弦到40%经向的位置。

使用Scanivalve压力模块的静态压力测量的精度高、高速数据采集系统是用于获得快速响应传感器的信号。快速响应的模拟毫伏信号压力传感器放大使用精密过滤器卡28118。放大了的信号,然后使用国家仪器的数字化模型6358。由于叶片通过频率的25 KHz在设计速度,1 MHz用于数字化的采样率不稳定压力测量。这给超过1300数据点转子革命,和,因此,它提供了很好的空间分辨率在时域,使被捕获的详细叶轮中的流动特性。

实验数据被从窒息获得near-surge速度四个不同的修正(Nc)从80%到100%的设计速度。恒定轴向相对于叶轮出口导流器间隙5.1%小费叶片高度维持在整个测试。impeller-diffuser匹配流血流被关闭,一个常数1%背面流血流相对于压缩机进气流量保持整个测试。

4所示。结果和讨论

压缩机叶轮性能的稳定性能结果和详细分析使用稳定、时间分辨静压测量。稳定的性能特点是总压强比,总比、温度和效率。整个压缩机级性能的计算从area-averaged入口和出口条件测量车站0和4。叶轮的性能评估使用area-averaged入口条件以车站站2 0和叶轮出口条件,在静压测量是可用的。叶轮出口的总温度被认为是一样的,测量deswirl退出(站4)基于绝热假设。叶轮出口总压力来源于测量总deswirl出口温度,进气质量流量,area-averaged静压测量叶轮后边缘使用连续性和涡轮机欧拉方程(14]。压缩机纠正条件(速度和质量流率)15[]和效率16)计算使用潮湿的空气从REPROP[检索的属性17]。本节中给出结果规范化使用操作条件在设计点。压缩机进气压力测量使用高精度2.5 psid模块不确定性不足0.12%。使用100 psid压缩机出口压力测量模块与不确定性不到满刻度的0.05%。这使一个不确定性总压强小于0.2%的比率从80%降至100%的修正速度。质量流率是衡量使用校准喇叭口与不确定性不足0.5%。

图3显示了标准化的总压和标准化的质量流率修正。结果为叶轮和整个阶段从80%到100%的修正速度。最高效率(PE)条件由固体绿色符号表示。低加载(LL)条件是由固体蓝色符号。阻塞条件显示为固体红色符号。的配色方案是一致的数据4- - - - - -8。不管总压比的变化对整个压缩机阶段相对于加载条件的变化,总压强比率为叶轮保持非常常数沿阻塞线由于阻流扩散器。

图4显示了叶轮的性能和整个压缩机级的等熵效率。整个舞台相比,叶轮运行更有效地在整个操作范围从near-surge窒息。叶轮效率没有明显的恶化在阻塞线载荷减小。事实上,在亚音速入口条件从80%到95%修正速度,叶轮效率随负荷降低。在设计速度与超音速进气条件下,叶轮效率的趋势线的趋势对整个压缩机阶段,他们都增加从阻塞状态。

图5显示了叶轮效率与进口相对马赫数。入口提示相对马赫数主要由进气质量流量和预旋角。在超音速进气条件下,叶轮效率下降和进口尖相对马赫数的增加,还有大约下降了0.9分效率从95%到100%的速度修正。这一趋势同意观察从罗杰斯18]。然而,在亚音速进气条件下,叶轮最高效率增加随着入口提示相对马赫数的增加,有一个3.5分提高叶轮效率从80%到90%的修正速度。

图6显示了入口之间的关系相对马赫数和叶轮进口安装角。结果显示一个相当之间的线性相关提示在叶轮进口相对马赫数和发病率从80%到100%的修正速度。发病率角尖相对马赫数的增加而增加,这是关于一个叶轮安装角7.5度变化从80%到100%的修正速度。

此外,相对马赫数是评估的详细分布稳定和时间分辨测量静压沿叶轮裹尸布在每个操作条件。图7显示的静压力分布和等熵相对马赫数沿叶轮裹尸布从勒TE纠正速度100%。静态压力由area-averaged规范化总压强测量站0。等熵相对马赫数沿叶轮裹尸布来源于rothalpy守恒方程和等熵流假设[3,8]。它是计算如下: 在哪里代表rothalpy在叶轮进口,是静态的焓,切向速度,声速。结果在三个不同的加载条件从窒息到最高效率(如数据显示3和4提出了)。入口相对马赫数为1.15。入口提示获得相对马赫数从叶轮LE静压和总压和总温度测量站0,假设通过入口住房等熵流。

纠正速度100%,大多数的静态压力上升(近81%)是实现在膝盖和出口导流器由于离心效应,只有约19%的静态压力上升的诱导物。相比之下,86%以上的相对扩散发生在诱导物。因为所有的损失发生在相对扩散过程,诱导物强烈影响叶轮效率。此外,静态压力分布的形状的变化从窒息到最高效率很小。相比之下,等熵相对马赫数的分布偏离在叶轮前缘开始。相对马赫数分布会和PE条件匹配的膝盖和出口导流器,但他们属于不同的诱导物,导致叶轮效率的差异。

静压分布和等熵相对马赫数沿叶轮裹尸布在亚音速入口条件如图8使用数据修正速度80%。进口尖相对马赫数大约是0.82,在三个不同的加载条件和结果从窒息到体育。规范化的静压分布是相似的从窒息到最高效率。纠正速度80%,约12%的静态压力上升达到诱导物,这是7分相比,在100%的修正速度低。这表明更多的损失叶轮速度80%纠正。大约65%的相对扩散发生在诱导物,这是21分低于价值100%的修正速度。纠正在80%和100%的速度,大多数扩散实现在诱导物,而多数静态压力上升发生在膝盖和出口导流器。这再一次强调了绩效的相对扩散效率作为设计质量的指标,因为它消除了偏见使用静态压力的上升,这主要是通过离心效应来实现。

图9显示的静压力分布和等熵马赫数相对速度PE条件从80%修正至100%修正速度。入口提示相对马赫数涵盖了亚音速和超音速流动的条件。相对马赫数由值归一化前缘。规范化的静压分布从90%到100%的修正速度同意在诱导物,但它们偏离从径向转变的开始。然而,勒的静压分布的差异开始纠正速度80%,少69%静压诱导物的增加。因此,有更多的损失修正速度和生成的诱导物的80%,因此,降低叶轮效率(通过3.6点,如图5)。相同的结论是从相对等熵马赫数分布从80%到100%的修正速度。此外,大多数的损失发生在附近区域诱导物的喉咙。

此外,时间分辨静压沿叶片弦透露更多处理诱导物的流动特性。使用数据从500年转子静态压力ensemble-averaged革命。图10显示静态压力和相对马赫数的轮廓在裹尸布表面在最高效率状态。静压是规范化的入口总压测量压缩机入口,和相对马赫数来自静态压力和压缩机进气条件假设等熵流。

主叶片的存在由大表示梯度之间的吸力面表面(PS)和压力(SS)。相比之下,分流叶片的存在明显但不明显,表明在mid-passage静压等值线的不连续。赤字在静态压力对应等熵相对马赫数增加,反之亦然。此外,两个轮廓显示在每个叶片通道非常可重复流的特性与可变性由于叶片间的差异可以忽略不计。因此,轮廓为单个叶片通道中使用数字11- - - - - -14。单个叶片通道得到的轮廓passage-averaging ensemble-averaged属性在整个环。

轮廓的等熵相对马赫数来自时间分辨静压测量速度100%修正从窒息到最高效率条件如图11。等熵相对马赫数计算使用(1)。在100%的修正速度进口条件是超音速。存在明显梯度马赫数pitchwise方向,附近的高马赫数SS和低马赫数PS附近。在SS流相比,在PS流扩散更好,PS附近马赫数较低,适用于主要和分流叶片。激波诱导物的喉咙附近观察到在所有三个加载条件下,和他们的位置草图所示。激波的位置是由等值线与等熵相对马赫数等于单位。冲击波压力表面形式叶轮附近的LE,进而延伸到叶片通道。激波的位置变化与加载条件:它走向窒息的叶轮前缘最高效率的进口马赫数相对减少。此外,相应的归一化轮廓静压100%修正速度图所示12。在所有三个加载条件下,存在一个低压区半开的地区在吸力面附近。这是因为高速流激波上游,如草图所示。诱导物的轮廓得到倾斜的入口处,因为激波的存在及其相关的交互,与轮廓线平行于冲击波的轨迹。

图13显示轮廓的等熵相对马赫数窒息为亚音速最高效率在80%的修正速度进口条件。相对马赫数梯度方向pitchwise相比要小得多,在100%的修正速度。轮廓线不倾斜,但平行于叶轮前缘。然而,有一个高马赫数区观察诱导物的喉咙附近区域所有三个加载条件。高马赫数代表一个赤字静压和额外的损失。high-loss地区源于吸力面和延伸向压力面。这个high-loss区域的面积,如草图所示,随着载荷增加从窒息到最高效率。它涵盖了60%沥青窒息,在最高效率达到表面的压力。这个high-loss区域附近的存在诱导物的喉咙解释了叶轮的效率低80%的修正速度。此外,增加区域从窒息high-loss地区最高效率解释了叶轮效率下降的加载整个压缩机级增加。 Despite the growth of this high-loss region with increased loading, it is limited to the rear portions of the impeller throat, which agrees with observations from Senoo et al. [2]。

图14显示了等熵的轮廓在最高效率相对马赫数条件下从90%到100%的速度修正。入口条件在所有三个加载条件下,超声波和冲击波在诱导物,见草图。计算亚音速90%的修正速度进口条件的稳定测量被低估了。这是由于稳定的测量,不包括学生之间的压力梯度和PS。有强烈的压力梯度PS与叶轮附近低静压SS党卫军。这种潜在的领域重新分配的流和进入叶轮的眼睛流高SS附近的相对速度和低PS附近的相对速度,呈现一个跨声速90%修正速度进口条件。然而,相对速度来自于稳定的时均压力测量代表的意思是相对速度,在较低的相对速度的价值在PS和更高的相对速度在党卫军。在目前的研究中,计算亚音速入口条件修正速度90%。此外,激波位置诱导物密切相关进口相对马赫数。随着入口提示马赫数的增加,冲击波下游移动。

5。结论

本文详细分析使用数据获得跨声速叶轮的空气动力学稳定和时间分辨测量静压沿叶轮裹尸布。叶轮高速,high-pressure-ratio轮用于aerogas涡轮发动机。实验进行了单级离心压缩机(船舶卫生控制措施证书)在压缩机普渡大学研究实验室。数据从窒息near-surge在四个不同的修正获得速度(数控),从80%到100%的设计速度,涵盖亚音速和超音速入口条件。通过使用参数等熵相对马赫数源自裹尸布静压测量,相对扩散与激波的位置特征。的信息提供了一个测量叶轮内部的流动。

在叶轮内,等熵相对马赫数沿叶轮裹尸布表明大多数扩散实现在亚音速和超音速进气道的诱导物的条件。入口时更有效地诱导物扩散流技巧相对马赫数接近统一速度修正90%和95%,和它变得不那么高效进口尖相对马赫数离开团结在80%和100%的修正速度,特别是在亚音速区。

新兴附近的LE冲击波的压力表面观察从90%到100%的修正速度与快速响应压力测量。激波的位置变化相对于进口马赫数。它向叶轮出口入口相对马赫数的增加。激波诱导物的喉咙附近的修正速度100%,略向上游移动叶轮勒和装载的增加从窒息到最高效率。虽然没有冲击的亚音速条件修正速度80%,从而适应高丢包率的地区在诱导物的喉咙。它源于吸力面和扩大向压力面随着载荷的增加从窒息PE。

静压测量了沿叶轮裹尸布在评估叶轮性能至关重要。然而,从稳定相对马赫数计算静压测量被低估了,因为压力梯度从压力面到吸力面叶片通道。亚音速进口价值的小费相对马赫数获得稳定的静态压力测量并不能保证shock-free流的诱导物。稳定的静态压力测量相比,时间分辨压力为描述叶轮流动提供了更多的信息。他们可以用来识别high-loss地区和激波的位置。

命名法

:	声速
:	焓
:	Rothalpy
:	马赫数
:	压力
:	叶片速度。

下标

isen:	属性源自等熵的假设
rel:	属性相对坐标系的坐标
:	静态属性
:	停滞的属性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究由霍尼韦尔,Inc .,这支持最感激地承认。作者也希望感谢霍尼韦尔批准发布这项工作。另外提供的指导和建议达雷尔詹姆斯先生和霍尼韦尔的拉克什斯利瓦斯塔瓦博士对这个项目非常有价值。援助从赫伯特·哈里森和阿米莉亚布鲁克斯在普渡压缩机研究实验室数据采集也非常感激。

引用

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