Zvýšení stability chodu odstředivého kompresoru

Extension of centrifugal compressor operational stability

dissertation

cs

Odstředivé kompresory s vysokým stlačením jsou používány v malých leteckých turbínových motorech a turbodmychadlech. Při vysokých otáčkách ale mají úzký rozsah stabilní práce a běžně používané kompresory s dozadu zahnutými lopatkami nejsou schopny požadovaný rozsah stabilní práce zajistit. Za účelem jeho rozšíření jsou používána některá antipumpážní opatření jako vnitřní obtokový kanál (OK, IRC), umístěný ve vstupu do kompresoru. Disertační práce je zaměřena na výzkum vlivu OK na provozní parametry odstředivého kompresoru. Nejprve byly různé geometrie OK zkoumány s využitím CFD výpočetních metod na zjednodušených modelech. Geometrie, jež dávala nejlepší výsledky z pohledu průtoku a ztrát v obtokovém kanále byla použita pro zkoušky na modelovém zařízení. Následně ta samá geometrie byla zkoušena na reálném kompresoru v experimentálním turbínovém motoru za účelem ověření vlivu na charakteristiku kompresoru – stlačení a účinnost. Současně byly prováděny 3D CFD analýzy OK s modelem oběžného kola kompresoru a výsledky porovnány s výsledky experimentu na modelu a kompresoru. Navíc bylo, s využitím tříotvorové tlakové sondy, provedeno měření proudového pole za výstupní štěrbinou z OK a porovnáno s průběhy rychlostí získanými z numerických simulací.

Odstředivé kompresory s vysokým stlačením jsou používány v malých leteckých turbínových motorech a turbodmychadlech. Při vysokých otáčkách ale mají úzký rozsah stabilní práce a běžně používané kompresory s dozadu zahnutými lopatkami nejsou schopny požadovaný rozsah stabilní práce zajistit. Za účelem jeho rozšíření jsou používána některá antipumpážní opatření jako vnitřní obtokový kanál (OK, IRC), umístěný ve vstupu do kompresoru. Disertační práce je zaměřena na výzkum vlivu OK na provozní parametry odstředivého kompresoru. Nejprve byly různé geometrie OK zkoumány s využitím CFD výpočetních metod na zjednodušených modelech. Geometrie, jež dávala nejlepší výsledky z pohledu průtoku a ztrát v obtokovém kanále byla použita pro zkoušky na modelovém zařízení. Následně ta samá geometrie byla zkoušena na reálném kompresoru v experimentálním turbínovém motoru za účelem ověření vlivu na charakteristiku kompresoru – stlačení a účinnost. Současně byly prováděny 3D CFD analýzy OK s modelem oběžného kola kompresoru a výsledky porovnány s výsledky experimentu na modelu a kompresoru. Navíc bylo, s využitím tříotvorové tlakové sondy, provedeno měření proudového pole za výstupní štěrbinou z OK a porovnáno s průběhy rychlostí získanými z numerických simulací.

Centrifugal compressors with high pressure ratio are widely used in small aircraft turbine engines and turbocharges. At high rotational speeds they have narrow stable operating region and commonly used impellers with back swept blades are not able to ensure requested stability. In order to achieve wider stable operating region, some other anti-surge measures can be used, such as an Internal Recirculation Channel (IRC) located in compressor impeller inlet. This thesis deals with an investigation of IRC influence on centrifugal compressor operational parameters. As a first, the various recirculation channel geometry was studied by using of CFD analysis on simplified computational models. Those geometry, which indicated best results in terms of mass flow and looses in channel were used for testing on a model test device. Subsequently the same geometry was tested on real centrifugal compressor in experimental turbine engine to verify influence of IRC on compressor performance map – pressure ratio and efficiency. Simultaneously the CFD analyses of IRC with a 3D model of compressor impeller were performed and results compared with those gained from measurement on model and compressor. In addition the measurement of flow field downstream the recirculation channel outlet slot with using 3-hole pressure probe was performed and compared with flow velocity profiles evaluated from numerical simulations.

odstředivý kompresor, obtokový kanál, stabilita, rychlostní profily, experimenty, CFD simulace

centrifugal compressor, recirculation channel, stability, velocity profiles, experiment, CFD simulation

09.05.2016

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Letecký úsatv

Brno

1–145

145