Metoda pomiaru turbulencji i zjawisk nieustalonych w stopniu wentylatora osiowego

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 118

1993 Nr kol. 1221

Andrzej WITKOWSKI, Tadeusz CHMIELNIAK, Michał STROZIK

Instytut M aszyn i U rządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej Marek MIRSKI

Raciborska F ab ryka Kotłów “RAFAKO”, Racibórz

METODA POM IARU TU R BU LEN C JI I ZJAWISK NIEUSTALONYCH W ST O PN IU WENTYLATORA OSIOWEGO

S tr e sz c z e n ie . Przedstaw iono oprzyrządow anie, m etodę pom iaru turbulencji oraz nieustalonych zjaw isk przepływowych w osiowym sto

pniu w entylatorow ym . Stanow isko wyposażone je s t zarówno w cen tral

nie sterow ane sondy aerodynam iczne, ja k i term oanem om etryczne. Do b ad ań ch arak tery sty k turbulencji opracowano wielopróbkowy, zsyn

chronizowany z kątow ym położeniem koła wirnikowego system pom ia

rowy z w ykorzystaniem sondy term oanem om etrycznej z trójdzielną fo

lią.

Przedstaw iono w stępne wyniki b ad ań przepływ u nieustalonego w w ybranym punkcie przekroju wlotowego koła wirnikowego stopnia mo

delowego w en tylatora osiowego.

A METHOD OF T U RBULENCE AND U N ST E A D IN E SS M EASUREM ENTS IN A N AXIAL FA N S STAGE

Sum m ary. The in stru m e n ta tio n and m ethod of m easu rin g the turbulence and u nstead in ess phenom enous in a axial fans stage h as been presented. The stan d is equipped in d a ta tran sm issio n system for tra n sfe rrin g and processing signals from as well as a five hole and trip le -s p lit fiber probes. For experim ental investigations of turbulence characteristics a periodic m ultisam pling m easu rin g system s has been developed w ith th e use of a trip le -sp lite probe. Prelim inary experim ental resu lts of investigations of flow u n ste a d in ess in choiced point behind a rotor of a axial fans stage h as been presented.

(2)

276 Andrzej Witkowski, Tadeusz Chmielniak, Michał Strozik, Marek Mirski

EINE METHODE ZUR M ESSUNG D E R TURBULENZ U N D

D E R INSTATIONÄREN VORGÄNGE IN AXIALVENTILATORSTUFE Z u sam m en fassu n g. Die M eßeinrichtungen u n d die M ethode zur M essung der T urbulenz u n d in sta tio n ä re r Ström ungsvorgänge in der A xialventilatorstufe w urden dargestellt. Der P rü fsta n d ist m it zentral gesteuerten aerodynam ischen u n d term oanem om etrischen Sonden ausgerüstet. F ü r die U ntersu ch u n g von T u rb u len zcharakteristik en ein, synchronisierter m it der Position des Rotors, M eßsystem mit therm oanem om etrischer Sonde b earb eitet w urde. Es w urden die erste U n tersu ch u n g serg eb n isse d er in sta tio n ä re n S trö m u n g im auserw ählten P unkte des A u strittsq u e rsc h n ittes des Rotors des Modell - A xialventilators gegeben.

1. W STĘP

Sprawność nowoczesnych stopni sprężających w znacznym stopniu deter

m inow ana je s t poprzez w ystępowanie w tórnych przepływów oraz narastanie profilowych i pierścieniowych [1] w arstw przyściennych.

N iekorzystne oddziaływanie tych zjaw isk n a ch arakterystykę aerodynami

czną, wytrzym ałościową i akustyczną stopnia w entylatorow ego potęgowane je s t poprzez w zajem ne oddziaływanie stacjonarnych i w irujących wieńców łopatkowych i w ynikającą z tego nieustaloność przepływu. Istotn e znaczenie w generow aniu nieustalonych zjaw isk w przepływie m a przecinanie przez wieńce łopatkowe śladów pozałopatkowych i w tórnych wirów spływających z poprzedzającego wieńca. Szczegółowe rozpoznanie ch arak tery sty k śladów pozałopatkowych, rozprzestrzeniania się tych śladów w przestrzen i pomiędzy wieńcem łopatkowym koła wirnikowego i kierownicy tylnej, ja k również w kan ałach międzyłopatkowych kierownicy tylnej, w w ybranych pu n k tach cha

rak tery sty k i aerodynamicznej, n a drodze eksperym entalnej je s t niezbędne również w procesie doskonalenia i weryfikacji program ów trójwymiarowej analizy i procedur projektowych m aszyn przepływowych. Z przedstawionych przesłanek w ynikła konieczność opracow ania u rządzenia umożliwiającego po

m iar trójwymiarowego, nieustalonego pola przepływ u w w ybranych przekro

jac h kontrolnych osiowego stopnia sprężającego [2]. U rządzenie zapewnia okresowe, zsynchronizowane z kątow ym położeniem koła wirnikowego, prób

kowanie pola przepływu z w ykorzystaniem sondy term oanem om etrycznej z trójdzielną folią [3],

(3)

(4)

-sioo ro

Rys. 2.2. Stanowisko badawcze Fig. 2.2. Test stand

>

CL N CD

TT

^ 1

o Q-

N ¡2

■ N 03 O

* 1

ćn

(5)

Metoda pomiaru turbulencji i zjawisk nieustalonych. 279

2. STO PIEŃ MODELOWY

Układ przepływowy modelowego osiowego stopnia wentylatorowego (rys. 2.1) składa się z pierścieniowej części wlotowej, koła wirnikowego, łopa

tek kierownicy tylnej oraz krzywoliniowego dyfuzora pierścieniowego. Z asad

niczym elem entem stopnia modelowego je s t koło wirnikow e o średnicy zewnę

trznej 1000 mm podwieszone na wale i połączone z urządzeniem do przenosze

nia impulsów ciśnieniowych z u k ład u w irującego do u k ład u stalago, z uszczel

nieniem wodnym.

Stopień modelowy podłączony je s t po stronie ssan ia do rurociągu pom iaro

wego (rys. 2.2). Podstawowym i elem entam i stanow iska pom iarowego są: ru ro ciąg pom iarowy z wym ienionymi wlotam i lem niskatow ym i do pom iaru n a tę żenia przepływ u oraz silnik elektryczny p rąd u stałego o mocy 30 kW z ciągłą tyrystorow ą regulacją liczby obrotów, zabudow any w kołysce umożliwiającej pomiar m om entu obrotowego.

3. SYSTEM POMIAROWY PRÓBKOWANIA CYKLICZNEGO

Do b a d ań zjaw isk nieustalonych w osiowym stopniu w entylatorow ym oraz burzliwości przepływ u opracow any został system pom iarowy umożliwiający okresowe, zsynchronizow ane z położeniem łopatek koła wirnikowego, próbko

wanie pola prędkości. System te n zapew nia proces inicjow ania, pobierania i przetw arzania impulsów pom iarowych z sondy do m inikom putera. Schem at blokowy system u pomiarowego przedstaw iony został n a ry su n k u 3.1. Główne elem enty system u to: blok pomiarowy, blok synchronizacji, blok przetw arza

n ia danych.

3.1. B lo k p o m ia r o w y

W bloku pomiarowym zastosow ana je s t sonda term oanem om etryczna typu 55R92 z trójdzielną w a rstw ą (rys. 3.2) [3], [4]. Sonda m a trz y pola pomiarowe przesunięte względem siebie o 120° i um ożliwia pom iar silnie burzliwych przepływów dwuwymiarowych, a tak że trójwym iarowych w przypadku, gdy odchylenie k ieru n k u przepływ u od płaszczyzny prostopadłej do osi sondy nie przekracza ± 30°. Prędkość gazu Cx,3 stanow i funkcję sum y kw adratów napięć m ierzonych w poszczególnych segm entach sondy. Każde z pól pomiarowych sondy współpracuje z m ostkiem anem om etrycznym . Sygnały wyjściowe poda-

(6)

Rys. 3.1. Schemat blokowy systemu próbkowania cyklicznego Fig. 3.1. Schematic set up diagram of th e multisampling m easuring system

280 Andrzej Witkowski, TadeuszChmielniak,Michał Strozik, Marek Mirski

(7)

Rys. 3.2. Sonda termoanemometryczna z trójdzielną w arstw ą Fig. 3.2. Outline of Triple-Split Probe

wane s ą n a wejściu to ru pomiarowego m odułu składającego się z przetw orni

ka analogowo-cyfrowego, m u ltiplek sera analogowego oraz wzm acniaczy prób

kujących typu Sam ple & Hołd. M aksym alna częstotliwość próbkow ania syg

nału analogowego wynosi 100.000 Hz n a jed en k anał. Pozw ala to n a równo

czesny pom iar w trzech k an ałach pom iarowych term o an em o m etru z m inim al

nym okresem 31,5 ps.

(8)

3.2. B lo k sy n c h r o n iza c ji

Zadaniem bloku synchronizacji je s t w ytworzenie impulsów wyzwalających przetw arzanie A/C, w chwili czasowej odpowiadającej określonem u, wybrane

m u przez mierzącego, kątow em u położeniu koła wirnikowego. Przetwornik optoelektryczny generuje N (3600) impulsów n a obrót w ału dających rozdziel

czość kątow ą 0,1°.

3.3. B lo k p r z e tw a rz a n ia d a n y ch

Sterow anie procesem próbkow ania cyklicznego oraz zbieranie i przetwa

rzanie danych pomiarowych odbywa się przy zastosow aniu kom putera typu IBM PC/AT z procesorem 386 DX 40 MHz i pam ięcią 8 MB RAM (8 x IM SIMM).

4. BADANIA W STĘPNE

4.1. W arunki te c h n ic z n e p o m ia ru

System pomiarowy przetestow any został po usytuow aniu sondy termo- anem om etrycznej z trójdzielną folią za kołem wirnikowym, n a średnim pro

m ieniu (r = 390 mm), w odległości 50 mm za ty ln ą kraw ędzią łopatek. W ana

lizowanej serii pomiarowej wykorzystano sondę z czujnikiem prostym , co umożliwiło wyznaczenie jedynie składowej osiowej i obwodowej prędkości bezwzględnej. Przy liczbie obrotów n = 1000 obr/m in czas przejścia strugi o szerokości podziałki koła wirnikowego odpowiadającej 22,5°kątow ym wyniósł odpowiednio 3,75 ms. Zaprogram ow any czas p rzetw arzan ia jednej próbki składającej się trzech równoczesnych sygnałów napięciowych E lt E 2, E 3 wyno

sił 40 ps. Przy przyjętej liczbie próbek w jednej sekwencji pomiarowej przypa

dającej n a jeden obrót, czas niezbędny n a powtórzenie kolejnych sekwencji wyniósł 70 ms. Umożliwia to pobieranie kolejnych sekwencji pomiarowych co każdy obrót przy _ 857 obr/min oraz co drugi obrót przy _ 1714 obr/min. Sto próbek wektorów prędkości odpowiadających trz y stu im pulsom napięciowym zajm uje 1,8 kB pamięci, co przy 7 MB dysponowanej pam ięci w irtualnej um ożliwia pobieranie około 3800 sekwencji pomiarowych.

Stosownie do przedstaw ionych uw arunkow ań technicznych przeprowadzo

no w stępne próbkowanie pola przepływu przy 1000 obr/min, dla dwóch wersji

(9)

Metoda pomiaru turbulencji i zjawisk nieustalonych.. 283

szerokości stru g i n a wylocie z koła wirnikowego. W pierwszej w ersji pobierano 100 próbek co drugi obrót koła wirnikowego w czasie 4 m s, co odpowiadało 24°

mierzonym n a obwodzie koła wirnikowego i o 1,5° przekraczało podziałkę kątową łopatek.

W drugim przypadku zwiększono okres p rzetw arzan ia próbek dw ukrotnie, co umożliwiło zebranie 100 próbek n a obwodzie koła wirnikowego obejmujące

go dwa k an ały międzyłopatkowe. W obu przypadkach zebrano po 1000 se

kwencji pomiarowych, czyli 100.000 próbek, które następ n ie zostały przetwo

rzone przy zastosow aniu m etody grupowego u śre d n ia n ia [5], [6], [7].

Uzyskane prędkości chwilowe w ykorzystyw ane są n a stę p n ie do obliczeń wielkości charakterystycznych turbulencji:

- uśredniona grupowo prędkość w danym punkcie próbkow ania

gdzie:

M - liczba punktów próbkow ania p rzypadająca n a dany obrót - jed n a sekwencja pomiarowa;

- uśredn io n a wartość k ą ta kierunkow ego prędkości bezwzględnej C2:

(4.1)

gdzie:

N - określa liczbę obrotów,

i - n u m er p u n k tu próbkow ania w k ieru n k u obwodowym, n - kolejny n u m er obrotu,

C(i,n) - chwilowa w artość prędkości;

- w ektor średniej prędkości okresow ej:

M N

(4.2)

N

(4.3)

(10)

- składowe prędkości bezwzględnej zgodnie z rysunkiem 4 .1:

składow a osiowa

^ " z z i . n ^ 2 i . n C O S OC 2 i (n ( 4 . 4 )

- składow a obwodowa

^ 2 i 5 i , n = & 2 i,n s i n CC 2 i >n ( 4 . 5 )

- prędkość przepływu względnego

^ 2 i , n = ^ C " 2 z i , n + { U — C 2 i 3 , i , n ) ^ ( 4 . 6 )

Rys. 4.1. Trójkąt prędkości na wylocie koła wirnikowego Fig. 4.1. Rotor outlet velocity triangles

(11)

- k ą t kierunkow y prędkości względnej

P

_2i,n= arc tg U ^{T T} --- O'2zi,n

- funkcje korelacyjne prędkości

( c z,iin- c z,i)2 N •n = 1

N

iV-n = 1

ć s

4

i

< C w , - a /

n = 1

N

Cz Ć0>i= 1 ^ CZii)(Ca>i,n - C ^ ) n = 1

N

( c z>i,n - c z>i)(c r>iin- c r,i) n = 1

N

i = i I cc Ai,„ - c ,,ix c r>i>n - e r,i) w = l

gdzie:

Cz, C^, Cr - pulsacje prędkości.

I n t e n s y w n o ś ć t u r b u l e n c j i :

Tz>i = — - tu rbu len cja w k ieru n k u osiowym

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(12)

286 Andrzej Witkowski, Tadeusz Chmielniak, M ichał Strozik, Marek Mirski

7 V = —-=^ — - turbulencja w kieru n k u obwodowym (4.15)

'I W i

T r i = —~ — - turbulencja w k ieru n k u promieniowym (4.16)

N a rysunkach 4.2 i 4.3 przedstaw iono wyniki u śre d n ia n ia grupowego pręd

kości bezwzględnej C, k ą ta a oraz Cz i obwodowej składowej prędkości.

W obszarze śladu pozałopatkowego w ystępuje defekt składowej osiowej pręd

kości bezwzględnej i towarzyszące m u m aksim um składowej obwodowej pręd

kości. W ynika to z trójkątów prędkości n a wylocie z koła wirnikowego (rys. 4.1). Rysunek 4.2 w skazuje również n a silne zróżnicowanie k ą ta a w k ieru n k u obwodowym.

Rys. 4.2. Uśredniony grupowo rozkład prędkości bezwzględnej oraz k ąta kierunkowego Fig. 4.2. Ensemble averanged absolute flow velocity C and angle a at the exit of the impeller

(13)

27.0C SŚ26.5C i u

26.OC 25.5C 25.OC

i? IdegJ Rys. 4.3. Uśredniony grupowo rozkład składowej osiowej i obwodowej prędkości Fig. 4.3. Ensemble averaged tangential £,} and axial Cz velocity of absolute flow at exit of

the impeller

Szczególnie interesujących inform acji dostarcza an aliza przepływu we względnym układzie współrzędnych (rys. 4.4). O bszar gwałtownego spadku prędkości względnej W' stanow i ślad pozałopatkowy, którego lew a kraw ędź określa efekt oddziaływ ania strony wklęsłej łopatki, n a to m ia st praw a stro na efekt oddziaływania strony wypukłej. W szczególności opierając się n a ry su n k u 4.4, oszacować m ożna grubość profilowej w arstw y przyściennej n a spływie z łopatki oraz k ą t stru g i P, co m a istotne znaczenie z p u n k tu w idzenia dosko

n alen ia obliczeń aerodynam icznych wirujących palisad łopatkowych.

W dalszej kolejności przedstaw iono ch arakterystyczne wielkości tu rb u le n cji. N a rysunkach 4.5 i 4.6 w ykreślone zostały rozkłady n aprężeń Reynoldo-

(14)

Rys. 4.4. Ślad pozałopatkowy w przepływie względnym

Fig. 4.4. Ensemble averaged relative velocity W and air angle ¡3 at exit of the impeller

wskich. E ksperym entalne badanie tych naprężeń m a isto tn e znaczenie dla uzupełnienia informacji niezbędnych w analizie tu rbulentnego przepływu lep

kiego i do rozw iązania rów nań pierścieniowej w arstw y przyściennej w osio

wych stopniach sprężających [2],

Rozkład dwu składowych intensyw ności turbulencji w przepływie bez

względnym zdefiniowanym rów naniam i (4.14) i (4.15) przedstaw iony jest na ry su n k u 4.7. Intensyw ność turbulencji w śladzie w skazuje n a to, że obszar wzajemnego oddziaływania profilowych w arstw przyściennych narastających po stronie wklęsłej i grzbietowej łopatki stanow i ośrodek o wysokiej aktywno

ści generow ania niestacjonarności przepływu.

(15)

Rys. 4.5. Rozkłady naprężeń Reynoldowskich C? i Ć£

Fig. 4.5. Reynolds stresses c£ and C£ distribution at exit of the impeller

5. WNIOSKI KOŃCOWE

Przedstaw ione stanow isko stw arza szerokie możliwości prow adzenia b a

d ań szeregu nie rozpoznanych do końca zjaw isk w ystępujących w trójw ym ia

rowym, tu rb u len tn y m przepływie w osiowym stopniu sprężającym . Szczegól

n ie obiecujący je s t opracow any i spraw dzony w niniejszej pracy system perio

dycznego wielopróbkowego sondow ania pola prędkości.

Przeprowadzone w stępnie b ad an ia w skazują n a możliwość w yznaczania rozkładu intensyw ności turbulencji i n ap rężeń Reynoldowskich w wybranych przekrojach przestrzen i międzywieńcowych stopnia ze szczególnym uwzględ-

(16)

Rys. 4.6. Rozkłady naprężeń Reynoldowskich Cz Co Fig. 4.6. Reynolds stresses Cz Co distributions a t exit of the impeller

nieniem przem ieszczania się wirów w obszarze nadłopatkow ym , przepływów w tórnych w pobliżu p iasty oraz rozpoznanie ch arak tery sty k turbulencji w śladzie pozałopatkowym.

Znajomość tych zjaw isk m a istotne znaczenie praktyczne z uwagi n a ich bezpośredni wpływ n a spraw ność pracy, własności akustyczne oraz warunki wytrzymałościowe u kładu łopatkowego stopnia wentylatorowego.

(17)

Tz[^ ]

Fig. 4.7. Turbulence distributions Tz, Tt, at exit of the impeller

LITERATURA

[1] W itkowski A.: A New Conception of T heoretical and E xperim ental Inve

stigations of Losses in Axial Com pressor Im peller. Proc. of th e N in th Conference on Fluid M achinery, B udapest 1991 r.

[2] W itkowski A., Strozik M., M irski M.: Stanow isko do ba d ań term oanem o- m etrycznych trójwymiarowego, tu rb u len tn ego przepływ u za kołem w ir

nikowym osiowego stopnia sprężającego m etodą periodycznego, zsyn

chronizowanego z liczbą obrotów próbkow ania. Zeszyty Naukowe Polite

chniki Łódzkiej. CMP zeszyt 103, Łódź 1993 r.

[3] Jorg en sen F. E.: C haracteristics an d C alibration of a Triple Split Probe for Reversing Flows. DISA Inform ation No 27, 1982 r.

(18)

[4] M ateriały inform acyjne firm y DANTEC: Triple Split F iber Probes.

[5] B endat I. S., Piersol A. G.: Random D ata A nalysis and M easurem ent Procedures, pp. 425-483 Wiley, New York 1986 r.

[6] Evans R. L.: Turbulence and U nsteadiness M easurem ents Downstream of a Moving Blade Row. ASME Jo u rn a l of E ngineering for Power, vol. 97, J a n u a ry 1975 r., pp. 131-137.

[7] B inder A., Schroeder H., H ourm ouziadis J.: T urbulence M easurem ents in a M ultistage L ow -Pressure Turbines. ASME J o u rn a l of Turbomachi

nery, vol. I l l , April 1989 r., pp. 153-161.

A b s tr a c t

Due to progress in d a ta reduction techniques, a full digital operating m easuring technique based on trip le split probe was b u ilt up in order to determ ine th e un stead y flow field dow nstream of rotors, by nonrotating statio n ary fixed probe. A nem om eter o u tp uts a t a point relativ e to impeller blades channel are sam pled periodically w ith reference to pulses from optical increm ental sh aft encoders connected directly w ith sh aft of im peller. The advantage of th is technique th a n others is th a t relativ e positions of the sam pling points are strictly fixed and ind ependent from fluctuation of the ro tatin g speed during spatial resolution and allows m easurem ents without restrictions in th e flow angle i. e. th e probes are well suited for reversing flow and eddy structu res. So th is probe h as alw ays optim um positions w ith respect to every p articu lar for situatio n and m u st’n t to be revolved durin g the m easurem ents. As all th e sam pling points on th e sam e circum ference are scanned in every revolution, it is possibly to save notably th e m easuring time, th u s to prev ent a considerable change in th e th re e sensor probe oving to contam ination. It should be stressed also th a t probe is more robust and less sensitive to contam ination th a n w ire probes. The research axial flow compressor stage as described in th is pap er h a s provisions am ong other things, for carrying out th e following m easurem ents:

1. Rotor blade static pressure

2. U pstream and dow nstream flow field of th e rotor

3. T ran sp ort of rotor w akes in th e blade row spacing and sta to r passage 4. The unsteady flow associated w ith rotor s ta to r interaction.