Application of the wavelet transform of pressure signals for detecting and analyzing rotating stall inception in axial flow low speed compressor stage

• Autorzy: Ziach M. , Majkut M. , Witkowski A.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie transformaty falkowej do analizy sygnałów ciśnienia w obszarze pojawienia się wirującego oderwania w osiowym niskoobrotowym stopniu sprężającym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a research program carried out to improve understanding of the fluid dynamics mechanisms that lead to rotating stall in the axial flow low speed compressor stage. The stalling behavior of this compressor stage was studied by measuring unsteady casing pressure by means of a circumferentially and axially spaced array of high frequency pressure transducers. Another probe used was a disc static pressure probe, with the pressure transducer, for in-flow and out-flow measurements along the blade span. It was expected that understanding of the fluid dynamics will facilitate at least two important tasks. The first was to accurately predict of when and how a particular compressor would stall. The second was to control, delay, or eventually suppress the rotating stall and surge. In consequence, one could extend the useful operating range of the axial compressor. Another motivation for the research was to compare the results from the three applied analysis techniques by using a single stall inception event. The first one was a simple visual inspection of the traces, which brought about a very satisfactory effect. The second one was application of spatial Fourier decomposition to the analysis of stall inception data, and the third method of analysis consisted in application of wavelet filtering in order to better understand the physical mechanisms which lead to rotating stall. It was shown that each of these techniques would provide different information about compressor stall behavior, and each method had unique advantages and limitations.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań mających na celu wyjaśnienie zjawisk przepływowych towarzyszących pojawieniu się wirującego oderwania w osiowym niskoobrotowym stopniu sprężającym. Zjawiska niestacjonarne w stopniu sprężającym były badane poprzez próbkowanie pola ciśnień wysokoczęstotliwościowymi przetwornikami ciśnienia, zamontowanymi w osłonie zewnętrznej koła wirnikowego, w kierunku obwodowym na wlocie i w osi kanału międzyłopatkowego, oraz talerzykową sondą ciśnienia statycznego, wzdłuż wysokości łopatek wirnika. Badania te mają na celu rozpoznanie zjawisk przepływowych sygnalizujących pojawienie się wirującego oderwania i następnie pompowania oraz znalezienie sposobów umożliwiających przeciwdziałanie tym zjawiskom i ewentualne rozszerzenie roboczej charakterystyki pracy stopnia sprężającego. Do analizy zjawisk niestacjonarnych zastosowano trzy metody: metodę bezpośredniej analizy zarejestrowanych doświadczalnie pulsacji ciśnienia, metodę transformaty Fouriera oraz metodę transformaty falkowej, która umożliwia analizę sygnałów niestacjonarnych również w domenie czasowo-częstotliwościowej. Porównano wyniki analizy przeprowadzonej tymi trzema metodami i określono ich przydatność i ograniczenia.

Słowa kluczowe

EN

axial compressor stage; stall inception; rotating stall; disturbances; Fourier analysis; wavelet analysis

PL

osiowy stopień sprężający; oderwanie; oderwanie wirujące; zakłócenia; analiza Fouriera; analiza falkowa

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. LVIII, nr 1
• Strony: 61--77
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Ziach M.

autor

Majkut M.

autor

Witkowski A.

• Silesian University of Technology, 44-100 Gliwice, Konarskiego 18 Str., Poland,

Bibliografia

• [1] Cameron J. D.: Stall inception in a high-speed axial compressor, Ph. D. dissertation, Aerospace and Mechanical Engineering, Notre Dame Indiana, Jan. 2007, pp. 1-132.
• [2] Day I.J.: Stall inception in axial flow compressors, ASME J. of Turbomachinery, 115, 1993, pp. 1-9.
• [3] Inoue M., Kuroumaru M., Iwamoto T., Ando Y.: Detection of a rotating stall precursor in isolated axial flow compressor rotors, Journal of Turbomachinery, vol. 113, April 1991, pp. 281-289.
• [4] Inoue M., Kuroumaru M., Ando Y.: Pressure fluctuation on casing wall of isolated axial compressor rotors at low flow rate, J. of Turbomachinery, v. 115, 1993, pp. 20-27.
• [5] Inoue M., Kuroumaru M., Yoshida S., Furukawa M.: Short and length-scale disturbances leading to rotating stall in an axial compressor stage with different stator/rotor gaps, Trans. of the ASME , vol. 124, July 2002, pp. 376-384.
• [6] Inoue M., Kuroumaru M., Yoshida S., Minami T., Yamada K., Furukawa M.: Effect of tip clearance on stall evolution process in a low-speed axial compressor stage, Proc. of ASME Turbo Expo 2004, Vienna, Austria.
• [7] Kim K.H., Shin Y.H., Kang C.S.: The measurements of unsteady flow field in an axial flow fan under stalled condition, Proc. of the International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo, pp. 1-5.
• [8] Lepicovsky J., Braunscheidel E.P.: Measurement of flow pattern within a rotating stall cell in an axial compressor, NASA/TM-2006-214270, June 2006.
• [9] Levy Y., Pismenny J.: The number and speed of stall cells during rotating stall, Proc. of ASME Turbo Expo 2003, June 16-19, 2003, Atlanta.
• [10] Levy Y., Pismenny J., Schrapp H., Stark U., Saathoff H.: Pressure field at the tip of rotor blades before and during rotating stall, Proc. of the 7th European Conference on turbomachinery Fluid Dynamics and Thermodynamics, 5-9 March 2007, Athens, Greece.
• [11] Maerz J., Hah C., Neise W.: An experimental and numerical investigation into the mechanisms of rotating instability, ASME J. of Turbomachinery, 2002, 124, pp. 367-375.
• [12] Nishioka T., Kuroda S., Kozu T.: Influence of Rotor Stagger Rotating Stall inception in an Axial-flow Fan, Proc. of ASME Turbo Expo 2003, June 16-19, 2003, Atlanta.
• [13] Nobuyuki T., Masahiro K., Yutaka O., Eisuke O., Tomofumi N., Yuki T.: Early stall warning technique for axial flow compressors, ASME Paper GT2004-53292.
• [14] Witkowski A., Chmielniak T., Strozik M., Mirski M.: Facility for turbulence and unsteadiness measurements behind an axial compressor rotor blade by means periodic multisampling with triple split fiber probes, Proc. of the Second Biennial European Joint Conference on Engineering System Design and Analysis, London, July 4-7, 1994.
• [15] Witkowski A., Majkut M.: Experimental investigation if inlet guide vane-rotor interaction in a low speed axial flow compressor stage, The Archives of Mechanical Engineering, Number 1, 2006.
• [16] Witkowski A., Strozik M., Majkut M., Żukowski J.: Comprehensive Computational and Experimenal Methods of Investigations of the Unsteady Flow in an Axial Flow Low Speed Compressor Stage, 1-th edn. The Silesian University of Technology, 2007, pp. 1-212.
• [17] Witkowski A., Ziach M., Majkut M., Strozik M.: Experimetal Investigations of the Flow Phenomena in the Rotor Blades of the Axial Flow Low Speed Compressor Stage at the Unstable Part of the Overall Performance Characteristic, The Archives of Mechanical Engineering, Vol. LV, Number 4, 2008, pp. 313-330.