Calculation methods for volute parameters used in the conceptual design of radial and axial-centrifugal compressors

• Autorzy: Antas Stanisław

Identyfikatory

DOI

10.7862/rm.2024.15

Warianty tytułu

PL

Metody obliczeniowe parametrów spirali stosowane w projektowaniu koncepcyjnym sprężarek promieniowych i osiowo-odśrodkowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In many designs of a single-stage radial and axial-centrifugal compressors of the turboprop and turboshaft aviation engines, a properly formed collector placed after a vaneless or vaned radial diffuser, is used to decrease velocity and to increase static pressure of an air stream. The spiral diffuser is one of the main diffuser types. A volute is a channel with a different form of transverse sections that gradually expands in the direction of rotor rotation and includes preceding diffuser with a cylindrical inlet hole. Its geometrical parameters should be properly selected to ensure the correct operation of the scroll. This paper presents two main methods of calculation of geometrical parameters of the spiral diffuser: free vortex design (constant angular momentum principle) and constant mean velocity design. Mentioned methods (recommended for use in the conceptual design of a compressor) are based on energy equation - steady flow energy equation, equation of continuity, first law of thermodynamics, Euler’s moment of momentum equation, gas dynamics functions and definitions used in theory of turbomachinery. A detailed analysis of geometrical parameters of different types of collectors were conducted. This paper also provides a review of experimental research results of total pressure loss coefficient in the volute and proposed method of determining air stream parameters at volute outlet.

PL

W wielu projektach jednostopniowych sprężarek promieniowych i osiowo-odśrodkowych silników lotniczych turbośmigłowych i turbowałowych, odpowiednio uformowany kolektor umieszczony za bezłopatkowym lub łopatkowym dyfuzorem promieniowym, jest stosowany do zmniejszenia prędkości i zwiększenia ciśnienia statycznego strumienia powietrza. Dyfuzor spiralny jest jednym z głównych typów dyfuzorów. Spirala to kanał o zmiennym przekroju poprzecznym, który stopniowo rozszerza się w kierunku obrotu wirnika i obejmuje poprzedzający go dyfuzor z cylindrycznym otworem wlotowym. Jego parametry geometryczne powinny być odpowiednio dobrane, tak aby zapewnić prawidłową pracę spirali. W artykule przedstawiono dwie główne metody obliczania parametrów geometrycznych dyfuzora spiralnego: projektowanie swobodnego wiru (zasada stałego momentu pędu) i projektowanie według stałej średniej prędkości. Wymienione metody (zalecane do stosowania w projektowaniu koncepcyjnym sprężarki) opierają się na równaniu energii - równaniu energii przepływu ustalonego, równaniu ciągłości, pierwszej zasadzie termodynamiki, równaniu momentu pędu Eulera, funkcjach dynamiki gazów i definicjach stosowanych w teorii maszyn wirnikowych. Przeprowadzono szczegółową analizę parametrów geometrycznych różnych typów kolektorów. W artykule przedstawiono również przegląd wyników badań eksperymentalnych współczynnika strat ciśnienia całkowitego w spirali oraz zaproponowano metodę określania parametrów strumienia powietrza na wylocie spirali.

Słowa kluczowe

EN

turbine engine; compressor; collector

PL

silnik turbinowy; sprężarka; kolektor

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Advances in Mechanical and Materials Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 41, nr 1
• Strony: 161--181
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Antas Stanisław

• Faculty of Mechanical Engineering and Aeronautics, Rzeszów University of Technology

• https://orcid.org/0000-0001-6241-7061

Bibliografia

• 1. Abdurasziłow, S. A. et al. (1974). Pumps and compressors. Niedra (in Russian).
• 2. Antas, S. (2014). Pipe diffuser for radial and axial-centrifugal compressor. International Journal of Turbo & Jet-Engines, 31(1), 29-36. https://doi.org/10.1515/tjj-2013-0031
• 3. Antas, S. (2019). Exhaust system for radial and axial-centrifugal compressos with pipe diffuser. International Journal of Turbo & Jet-Engines, 36(3), 297-304. https://doi.org/10.1515/tjj-2016-0068
• 4. Antas, S. (2023). Theory of turbomachines for aviation turbine engines. Publishing House of Rzeszów University of Technology (in Polish).
• 5. Aungier, R. H. (2000). Centrifugal compressors. ASME Press.
• 6. Balje, O. E. (1981). Turbomachines. A guide to design selection and theory. Wiley-Interscience.
• 7. Baloni, B. D., & Channiwala, S. A. (2013). Design and analysis of volute casing: A review. In Proceedings of ASME Turbo Expo 2012: Turbine Technical Conference and Exposition, paper no. GT 2012-68056 (pp. 657-664). https://doi.org/10.1115/GT2012-68056
• 8. Baloni, B. D., Channiwala, S. A., & Mayavanshi, V. K. (2012). Pressure recovery and loss coefficient variations in the two different centrifugal blower volute designs. Applied Energy, 90, 335-343. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.02.016
• 9. Biełousov, A. N., Musatkin, N. F., & Radko, W. M. (2003). Theory and calculations of aircraft turbo-machines. Samarski Gosudarstvenni Aerokosmiceski Institut (in Russian).
• 10. Cumpsty, N. A. (1989). Compressor aerodynamics. Longman Scientifics and Technical.
• 11. Dmitriewskij, W. I. (1960). Gasdynamics calculations and design of radial compressor stage. Technical report No. 137. CIAM (in Russian).
• 12. Eckert, B. (1959). Axial and radial compressors. Application, theory, calculation. PWT (in Polish).
• 13. Hariharan, C., & Govardhan, M. (2015). Effect of inlet clearance on the aerodynamic performance of centrifugal blower. International Journal of Turbo & Jet-Engines, 33, 215-228. https://doi.org/10.1515/tjj-2015-0026
• 14. Heinrich, M., & Schwarze, R. (2016). Genetic algorithm optimization of the volute shape of a centrifugal compressor. International Journal of Rotating Machinery, Article 4849025. https://doi.org/10.1155/2016/4849025
• 15. Hottois, R., Châtel, A., & Verstraete, T. (2023). Adjoint-based design optimization of a volute for a radial compressor. International Journal of Turbomachinery Propulsion and Power, 8(4), Article 41. https://doi.org/10.3390/ijtpp8040041
• 16. Japikse, D. (1990). Centrifugal compressor design and performance. Concepts ETI Inc. Norwich, Vermont, Course held at Borsing GmbH Berlin.
• 17. Japikse, D. (1996). Centrifugal compressor design and performance. Concepts ETI Inc.
• 18. Kholscevnikov, K. V. (1970). Theory and calculations of aircraft turbo-machines. Masinostrostrojenije (in Russian).
• 19. Pan, D., Whitfield, A., & Wilson, M. (1999). Design considerations for the volutes of centrifugal fans and compressors. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 213(4), 401-410. https://doi.org/10.1243/0954406991522356
• 20. Podobuiev, J. S., & Selezniev, K. P. (1957) Theory and calculations of axial and radial compressors. Maszgiz (in Russian).
• 21. Reunanen, A. (2001). Experimental and numerical analysis of different volutes in a centrifugal compressor [D.Sc. Thesis, Lappeemranta University of Technology].
• 22. Ris, W. F. (1951). Radial compressors. Maszgiz (in Russian).
• 23. Tuliszka, E. (1976). Compressors, blowers and fans. WNT (in Polish).
• 24. Van den Braembusshe, R. A., & Hände B. M. (1990). Experimental and theoretical study of the swirling flow in centrifugal compressor volutes. Journal of Turbomachinery, 112(1), 38-43. https://doi.org/10.1115/1.2927418
• 25. Walczak, J. (1999). Radial compressors and fans. Theory, an investigations and optimization of compressor stage. Publishing House of Poznan Society of Friends for Sciences (in Polish).
• 26. Wen, X., Mao, Y., Yang, X., & Qi, D. (2016). Design method for the volute profile of a squirrel cage fan with space limitation. Journal of Turbomachinery, 138(8), Article 081001. https://doi.org/10.1115/1.4032537
• 27. Witkowski, A. (2004). Rotary compressors. Theory, design, exploitation. Publishing House of Silesian University of Technology (in Polish).
• 28. Yahya, S. M. (2012). Turbines compressors and fans (4th Ed.). Tata McGraw Hill Education Private Limited.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2026).