Badania niestatecznej pracy jednostopniowej sprężarki promieniowej

Kryłłowicz, W.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Badania niestatecznej pracy jednostopniowej sprężarki promieniowej

Autorzy

Kryłłowicz W.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Investigations of instable operation of the single-stage radial compressor

Języki publikacji

Abstrakty

Zjawisko pracy niestatecznej sprężarek, zarówno promieniowych jak i osiowych, objawiające się cyklicznymi pulsacjami ciśnienia oraz przepływu stwarza znaczne zagrożenie dla pewności ruchu maszyn i związanych z nimi instalacji. Ponadto ogranicza ono w istotny sposób zakres regulacji sprężarki, pogarszając jej wskaźniki ekonomiczne. Dotyczy to zwłaszcza sprężarek procesowych tj. stosowanych w dziedzinie chemii. Ze względu na swoje znaczenie, przebieg pracy niestatecznej był przedmiotem wielu badań, koncentrujących się wokół dwu podstawowych zagadnień: - poznania mechanizmu przejścia ze stanu pracy statecznej do niestatecznej i roli odgrywanej przez oderwanie wirujące, - opracowanie metod rozszerzenia użytecznego zakresu pracy instalacji sprężarkowej. Przegląd dostępnego piśmiennictwa pozwala zauważyć, że obecnie (2001) o wiele lepiej poznana jest fizyka pracy niestatecznej sprężarek osiowych niż promieniowych. Podstawowym celem niniejszej pracy jest eksperymentalna analiza pracy niestatecznej jednostopniowej sprężarki promieniowej pracującej w warunkach zmiennego zawirowania na wlocie (zarówno współbieżnego jak i przeciwbieżnego). Analiza dotyczy stopnia sprężarkowego wyposażonego zamiennie w dwa różne [ rodzaje dyfuzora: bezłopatkowy oraz ułopatkowany o zmiennym kącie ustawienia. Badania przebiegu pompowania przeprowadzono na stoisku jednostopniowej sprężarki promieniowej typu przekładniowego o sprężu nominalnym ∏ = 1,52. Sprężarka pracowała w obiegu otwartym. Oprzyrządowanie pomiarowe do rejestracji zmiennych w czasie przebiegów ciśnień obejmowało cztery przetworniki zabudowane w ściankach kanału przepływowego (mierzono zmienność ciśnień statycznych). Pomiarów dokonywano w cyklu półautomatycznym, tj. zmieniano ręcznie punkt pracy maszyny i rejestrowano automatycznie przebiegi wielkości mierzonych. Bezpośrednimi efektami badań są mapy zjawisk niestacjonarnych, obejmujące obszary recyrkulacji wlotowej i tzw. pompowania miękkiego i twardego dla różnych położeń kierownicy wlotowej. Mapy takie sporządzono zarówno dla wersji sprężarki z dyfuzorem bezłopatkowym jak i ułopatkowanym. Przeprowadzona dyskusja wyników pozwoliła na wyciągnięcie wniosku, że położenie granicy obszaru niestatecznego jest uzależnione od warunków napływu na krawędź natarcia koła wirnikowego, tj. od wartości i znaku zawirowania wlotowego. Udowodniono, że drogą obliczeń numerycznych można z dużą dokładnością ustalić moment utworzenia się strefy recyrkulacji wlotowej, czyli określić potencjalne zagrożenie pompowaniem. Analiza falkowa przebiegu ciśnień pozwoliła na potwierdzenie znanej z piśmiennictwa hipotezy, że warunkiem koniecznym przejścia ze stanu pompowania miękkiego do pompowania twardego jest zaistnienie oderwania wirującego w kole wirnikowym. Dokonano analizy zmian siły osiowej dla różnych zawirowań wstępnych oraz (po raz pierwszy w literaturze przedmiotu) opisano mechanizm pracy łożyskowania sprężarki przekładniowej znajdującej się w stanie pompowania miękkiego i następnie twardego. Praca zakończona jest wnioskami dotyczącymi konieczności zweryfikowania konstrukcji nastawnych kierownic wlotowych pod kątem uzyskania możliwie równomiernego pola prędkości przed wlotem do koła wirnikowego w całym zakresie zawirowań wstępnych. Praca wytycza również kierunki dalszych badań dotyczących stateczności dyfuzora oraz technik pomiarowych. Elementy oprogramowania używanego w trakcie badań mogą znaleźć bezpośrednie zastosowanie do analizy pracy niestatecznej rzeczywistych instalacji sprężarkowych.

The phenomenon of instable operation of both radial and axial compressors, which is manifested by periodic pressure and flow fluctuations, constitutes a serious threat to reliable operation of machines and installations they are included into. Moreover, it reduces a control range of the compressor in a significant way, thus deteriorating its economic effects. This refers especially to process compressors, i.e. those used in chemical industry. Owing to their significance, unsteady operation characteristics have been the object of extensive research that has been focused on two main issues: - investigations of the transition mechanism from steady to unsteady operation and the role played by rotating stall, - development of methods for extension of a useful operating range of the compressor system. A survey of the available literature allows one to notice that nowadays (2001) the physics of unsteady operation of axial compressors is by far better investigated than of radial compressors. The present study is aimed mainly at the experimental analysis of unsteady operation of a single-stage radial compressor operating under variable inlet prewhirl (both positive swirl and counterswirl). The analysis concerns the compressor stage equipped interchangeably with two different types of the diffuser: vaneless and vaned with an adjustable stagger angle. The investigations of surge characteristics were carried out on the test stand of the single-stage radial gear compressor with the pressure ratio at the design point ∏= 1.52. The compressor worked in an open loop configuration. The measurement instrumentation for recording time-variable pressures comprised four transducers mounted in the flow path walls (static pressure variability was measured). The measurements were made in a semi-automatic cycle, i.e. the machine working point was changed manually, whereas the quantities measured were recorded automatically. Maps of nonstationary phenomena, comprising an inlet recirculation region and mild and deep surge regions for various positions of the inlet guide vane, are the direct results of these investigations. The maps were made both for the compressor equipped with a vaneless diffuser and with a vaned one. The conducted analysis of the results allows one to draw a conclusion that the position of the unsteady region boundary depends on the inlet conditions on the leading edge of the impeller, i.e. on the value and sign of the inlet prewhirl. It has been proved that it is possible to identify the moment of generation of the inlet recirculation region, that is to say, to determine a potential thread of surge, through numerical computations with a high accuracy. The wavelet analysis of pressure oscillations has confirmed the known from literature hypothesis that an occurrence of rotating stall in the impeller constitutes the necessary condition for the transition from mild to deep surge. The changes in the axial force (thrust) for various initial prewhirls have been analysed and (for the first time in the literature devoted to the topic) the mechanism of bearing system operation of the gear compressor under mild and then deep surge conditions has been described. The study finishes with conclusions referring to necessity of verification of the adjustable inlet guide vane design in order to obtain a possibly steady velocity field downstream the impeller inlet in the whole range of initial prewhirls. The study also marks out the directions for further investigations of steady operation of the diffuser and measurement techniques. The elements of the software used during the investigations can be applied directly in the analysis of unsteady operation of actual compressor systems.

Słowa kluczowe

jednostopniowa sprężarka promieniowa niestateczna praca

single stage radial compressor instable operation

Wydawca

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej

Czasopismo

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

Rocznik

2001

Tom

Z. 300

Strony

3--93

Opis fizyczny

Bibliogr. 81 poz.

Twórcy

autor

Kryłłowicz W.

Instytut Maszyn Przepływowych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka

Bibliografia

[1] Bammert K.: „Strömungskanäle zum Kalibrieren von Druck-, Temperatur-, und Geschwindingkeitssonden”, Konstruktion, Heft 7, str. 245-259, 1973
[2] Beelte H., Oppermann C.: „Untersuchungen zum Einfluss von Drallreglern mit abwinkelbaren Vorleitschaufeln für das Betriebsverhalten von Radialventilatoren”, VDI Berichte Nr 1249, str. 318-396, 1996
[3] Biba J., Kryłłowicz W., Klonowicz W.: „Development of Integrated Packages for Simulation and Visualisation of Complex Flowś’, Workpackage 5, „Application of the codes for simulation of the flow in turbomachineś’, Raport końcowy programu UE Copernicus - CP 94-1490, Łódź 1998
[4] Bons J.P.: „Dynamie Surge Behaviour of a Centrifugal Pumping System”, ASME Paper No 94-GT-150,1994
[5] Breugelmans F.A.E.: „Peroration and Fluid Recirculation in the Suction Pipe of Centrifugal Pumps", Proceedings of the 11th Annual Turbomachinery Symposium, Texas A/M University, str. 165-180,1982
[6] Brass S,. Stark U.: „Theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Entwicklung neuer Profile mit mechanischen Klappen“, VDI Berichte Nr 1109, str 223-239, 1994
[7] Chen J., Hasemann H., Li Shi, Rautenberg M.: „Stall Inception Behaviour in a Centrifugal Compressor”, ASME Paper No 94-GT-159, 1994
[8] Chen Y.N., Seidel U.: „Experimental Investigation of the Flow Field of Deep Rotating Stall in A Centrifugal Compressor”, ASME Paper No 94-GT-160, 1994
[9] Chen Y.N., Seidel U.: „Mild Multi-Cell Stall in Turbocompressors", VDI Berichte Nr 1186, str. 357-367, 1995
[10] Chodkiewicz R., Sobczak K., Kazimierski Z., Kryłłowicz W.; „Numeryczne badania zjawisk związanych z niestateczną pracą jednostopniowej sprężarki promieniowej za pomocą programu TASC-Flow", cz. i i II, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 117, str. 145-160, Łódź 2000
[11] Ciepłucha J.: „Automatyczna korekta charakterystyki statycznej przetwornika ciśnienia", Metrologia i Systemy Pomiarowe, Nr 6,1990
[12] Cumpsty N. A.: „Compressor aerodynamieś’, Longman Press, 1989
[13] Cyrus V., Sprinc M.: „Nonsteady Flows in Centrifugal Compressor Stage with Low Flow Coefficient”, VDI Berichte Nr 1186, str. 389-404,1995
[14] Dalbert P., Gyarmathy G.: „Flow Phenomena in a Vaned Diffuser of a Centrifugal Stage”, ASME Paper No 93-GT-53, 1993
[15] Eckardt D.: „Detailed Flow Investigations within a High-Speed Centrifugal Compressor Impeller”, Trans, of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 98, str. 390-402, 1976
[16] Eckert B., Schnell E.: Axial- und Radial Kompressoren", Springer Verlag, 1961
[17] Emmons H.W., Pearson C.E., Grant H.P.: „Compressor Surge and Stall Propagation", Trans, of ASME, Vol. 79, str. 455-469, 1955
[18] Ffowcs Williams J.E., Huanf X.Y.: „Active Stabilisation of Compressor Surge”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 204, str. 245-262,1995
[19] Ffowcs Williams J.E., HarperM.F.L., Allwright D.J.: „Active Stabilisation of Compressor Instability and Surge in a Working Engine", ASME Paper No 92- GT-88, 1992
[20] Fink D.A., Cumpsty N.A., Greitzer E.M.: „Surge Dynamics in a Free-Spool Centrifugal Compressor System”, ASME Paper No 91-GT-93,1991
[21] Flandrin P.: „Time-Frequency / Time-Scale Analysis, Academic Press, San Diego-London 1999
[22] Fortuna S.: „Charakterystyki wentylatorów promieniowych z nieciąglościami na krzywych spiętrzenia”, Materiały konferencyjne „Wentylatory przemysłowe”, str. 79-90, Gliwice-Zakopane 1997
[23] Fortuna S.: „Pompaż w promieniowym wentylatorze ssącym", Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Z. 91, Gliwice 1985
[24] Fraser W.H., „Recirculation in Centrifugal Pumps”, World Pumps, 1982
[25] Garbatowski W.: "Investigation on Medium Pulsation Effect on Operation of a Turbocompressor and Attempted Description of Pumping Phenomenon in the Turbo-Machines”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 94, str. 171-181, Łódź 1987
[26] Gersdorff K., Grasman K.: „Flugmotoren und Strahltriebwerke“, Bernard & Graefe Verlag, Bonn 1995
[27] Gottschalk M.: „Investigations on the Stability of the Characteristic of Radial Flow Fans”, Proceedings of the Fourth Conference on Fluid Machinery. Akademiai Kiado, str. 459-471, Budapest 1972
[28] Gravdahl J. T.: „Modeling and Control of Surge and Rotating Stall in Compressor, Dysertacja, Uniwersytet Trondheim, Norwegia 1998
[29] Greitzer E.M.: „The Stability of Pumping Systems - The Freeman Scholar Lecture", Trans, of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol.103, str. 193-242
[30] Grünagel E.: „Pulsierende Förderung bei Pumpenrädern über den Umfang”, Ing.-Archive, Band 7,1936
[31] Gundlach W.: „Poglądowa analiza współpracy sprężarki i odbiornika", Archiwum Budowy Maszyn, tom II, Z. 4, str. 395-407,1995
[32] Gyarmathy G.: „On the change of impeller flow non-uniformities with flow rate in a centrifugal compressor", C/423/054/Mech. E., str. 143-154, 1991
[33] Hagel R.: „Miernictwo dynamiczne", WNT Warszawa 1975
[34] Hanausek P.: „Sprężarka 1.11.76”, Prace IMP PŁ, Łódź 1991
[35] Horodko L.: „Reprezentacja czasowo-częstotliwościowa sygnału za pomocą falek Morletä', X Sympozjum Modelowanie i symulacja Systemów Pomiarowych, Krynica 2000
[36] Horodko L., Kryłłowicz W.: „Zastosowanie ciągłej transformaty falkowej do analizy sygnałów niestacjonarnych", materiały XXII Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów, tom 2, str. 287-292, Rzeszów/Jawor 2000
[37] Horodko L., Kryłłowicz W.: „Próba identyfikacji zjawiska oderwania wirującego w kanale sprężarki za pomocą analizy falkowej sygnału ciśnienia”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 117, str. 207-214, Łódź 2000
[38] Horvath R.: „Der Pumpvorgang von Verdichtern und Kreiselpumpen als nichtlineare Schwingung”, Dysertacja, Ecole Polyt. Lozanna 1976
[39] Huntziker R., Gyarmathy G.: „The Operational Stability of a Centrifugal Compressor and its Dependence on the Characteristics of the Subcomponents”, ASME Paper No 93-GT-284, 1993
[40] Jackson Ch.: „How to Prevent Turbomachinery Thrust Failures, Hydrocarbon Processing, str. 73-77,1975
[41] Jansen W.: „Rotating Stall in Radial Vaneless DiffuseT, Trans, of the ASME, Journal of Basic Engineering, Vol. 86, str. 750-758, 1969
[42] Japikse D., Pampreen R.: „Centrifugal Compressor Design and Performance”, Concepts ETI, Vermont, USA, wyd. 11-te, 1990
[43] Jędryszek J.: „Zjawiska niestacjonarne w maszynach przepływowych - modelowanie pompażu”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 103, str. 347-358, Łódź 1993
[44] Jin D., Hasemann H., Haupt U., Rautenberg M.: The Flow and Rotation Characteristics of a Centrifugal Compressor During Surge”, ASME Paper No 94-GT-154, 1994
[45] Jungowski W.M., Weiss M.H., Price G.R.: „Pressure Oscillation Occurring in a Centrifugal Compressor System With and Without Passive and Active Surge Control”, Journal of Turbomachinery, Vol. 118, str. 29-40,1996
[46] Justen F.: „Experimentelle Untersuchung instationären Strömungsvorgänge im beschaufeiten Diffusor variabler Geometrie einer hochbelasteten Radialverdichterstufe”, Dys., RWTH Aachen 1993
[47] Kämmer N.: „Untersuchung der Strömung durch eine Radialverdichterstufe im Bereich der Ablösegrenze”, Dysertacja, TU Hannover 1989
[48] Kassens I., Beinecke D., Rautenberg M.: „Abtastung der Strömung hinter einem regelbaren Vorleitrad eines Radialverdichters", VDI Berichte Nr 1208, str. 77-89, 1995
[49] Kassens I., Rautenberg M.: „Flow Measurements behind the Inlet Guide Vane of a Centrifugal Compressor, ASME Paper No 98-GT-86,1998
[50] Kryłłowicz W.: „Udoskonalenie metody wyznaczania charakterystyk sprężarek promieniowych i jej weryfikacja eksperymentalna na przykładzie sprężarek jedno- i wielostopniowych’’, Praca niepublikowana IMP PŁ, Nr Archiwum IMP-1241, Łódź 1993
[51] Kryłłowicz W.: Kompleksowe badania sprężarek z nastawnymi dyfuzorami i kierownicami, zintegrowanych z przekładnią", Raport końcowy PB KBN Nr 0024/S6/93/04, Łódź 1995
[52] Kryłłowicz W., Horodko L., Hanausek P.: „Surge Investigations in a Radial Single-Stage Blower with Adjustable Inlet Guide Vanes", VDI Berichte Nr 1249, str. 413-424, 1996
[53] Kryłłowicz W., Hanausek P.: „Wpływ zawirowania wlotowego na przebieg pompowania sprężarki promieniowej z nastawnym dyfuzorem ułopatkowanym”, Materiały konferencyjne „Przepływowe Maszyny Wirnikowe”, str. 239-246, Rzeszów 1998
[54] Kryłłowicz W.: „Zagadnienie niestatecznej pracy sprężarek promieniowych", Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, z. 113, str. 77-91,1998
[55] Kryłłowicz W., Hanausek P., Janczak S.: Analysis of Variability of the Axial Force in the Single-Stage Radial Compressor Operating under Prewhirl Conditions”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 115, str. 235-240, Łódź 1999
[56] Kryłłowicz W., Hanausek P.: „Verlauf des Pumpvorganges in einem Radialgebläse mit verstellbarem beschaufeiten Diffusor und Vorleitrad’, (w druku), VDI Berichte Nr 1591, str. 237-248
[57] Lennemann E., Howard J.: „Unsteady Flow Phenomena in Rotating Centrifugal Impeller Passaged', Trans, of the ASME, Journal of Engineering for Power, Vol. 92, str. 65-72, 1971
[58] Poensgen Ch.: „Experimentelle Untersuchungen der Strömung in einer Unterschall-Axialverdichterstufe bei hoher Drosselung und im Rotating Stall”, Dysertacja doktorska, RWTH Aachen, Institut für Strahlantriebe und Turboarbeitsmaschinen, Aachen 1991
[59] Pampreen R.: „Compressor Surge and Stall”, Concepts ETI, Vermont, USA 1993
[60] Poniży B., Bryła A.: „Experimental Investigations of a Stall in Compressor Runnig in a Turboshaft Engine”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z. 94, str. 161-169, Łódź 1987
[61] Potapczyk A.: „Pomiar temperatury całkowitej w turbulentnej strukturze gazu”, Praca niepublikowana IMP PŁ, Nr Archiwum IMP-518
[62] „Przepływy nieciągłe w obszarach pompażu wentylatorów promieniowych”, Praca zbiorowa, CPBR 11.2, cel 162, plan nr 4 - 1396-86,1987
[63] Rauhut H.: „Berechnung des Pumpverhaltens von Verdichteranlagen nach Horvath und mit einem Anlagendynamikprogramm”, VDI Berichte Nr 1208, str. 271-291, 1995
[64] Ribaud Y.: „Experimental Aerodynamic Analysis Relative to Three High Pressure Ratio Centrifugal Compressors”, ASME Paper No 87-GT-153, 1987
[65] Ribi B., Gyarmathy G.: „Impeller Rotating Stall as a Trigger for the Transition from Mild to Deep Surge in a Subsonic Centrifugal Compressor", ASME Paper No 93-GT-234, 1993
[66] Ribi B., Gyarmathy G.: „Strömungsphänomene und deren Interaktion in einem Radialverdichtersystem", VDI Berichte Nr 1109, str. 665-680,1994
[67] Ribi B., Gyarmathy G.: „The Behaviour of a Centrifugal Compressor Stage during Mild Surge", VDI Berichte Nr 1186, str. 341-356,1995
[68] Rodgers C.: „Impeller Stalling as Influenced by Diffusion Limitations”, Trans, of the ASME, Journal Fluids Engineering, Vol. 99, str. 84-97, 1997
[69] Rodgers C.: „Centrifugal Compressors Inlet Guide Vanes for Increased Surge Margin”, ASME PAPER, Nr 90-GT-158, 1990
[70] Simon H., Wallman T., Mönk T.: „Improvements in Performance Characteristics of Single-Stage and Multistage Centrifugal Compressors by Simultaneous Adjustments of Inlet Guide Vanes and Diffuser Vanes”, ASME - Gas Turbine Conference, Dusseldorf 1986, Paper No 86-GT-127 oraz Trans, of the ASME, Journal of Turbomachinery, Vol. 109, 1987
[71] Swain E.: “The Design of Variable Inlet Guide Vane Assemblies for Low Pressure Ratio Compressors”, VDI Berichte Nr 1249, str. 397-408,1996
[72] Sweldens W.: „Wavelets: What Next?’, Proc. IEEE 84(4) str. 680-685, 1996
[73] Szewalski R.: „Dynamiczna teoria zjawiska pompowania w sprężarkach wirnikowych", Archiwum Budowy Maszyn, tom I, Z. 1, str. 375-388,1969
[74] Torrence Ch., Compo G.P.: ,A practical Guide to Wavelet Analysis”, Bulletin of the American Meteorogical Society, Vol. 79, No. 1, str. 61-78
[75] Toyama K., Runstadler P.W., Dean R.C. Jr.: ,An Experimental Study of Surge in Centrifugal Compressors”, Trans, of the ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 99, str. 115-131,1997
[76] Tuliszka E.: „Sprężarki, dmuchawy, wentylatory”, WNT, Warszawa 1976
[77] Walbaum M., Riess W.: „The Influence of Guide Vane Setting on the Initiation of Rotating Stall in Multi-Stage Axial Compressors", VDI Berichte Nr 1425, str. 177-187, 1988
[78] Walczak J.: „Metoda obliczania przepływu czynnika nieściśliwego w równoleglotarczowym dyfuzorze", Dysertacja, Politechnika Poznańska, 1997
[79] Walczak J., Kitzinger J., Grudziński M.: „Co-operating of Collector with Vaneless Diffuser and with Adjustable Vaned Diffuser", Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Nr 46, str. 95-101, 1996
[80] Wawszczak W.: „Przeliczanie charakterystycznych stanów sprężarki z nastawialnym dyfuzorem łopatkowym”, Zeszyty Naukowe Politechniki Łódzkiej, seria CMP, Z.91, Łódź 1985
[81] Whitfield A., Abdullah A.H.: „The Performance of a Centrifugal Compressor With High Inlet Prewhirl”, Trans, of the ASME, Journal of Turbomachinery, Vol. 120, str. 487-493, 1998

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-LOD6-0018-0032