Eksperymentalne i numeryczne badania nieustalonego przepływu w osiowym niskoobrotowym stopniu sprężającym

(1)

Andrzej WITKOWSKI, Michał STROZIK, Mirosław MAJKUT, Jacek ŻUKOWSKI

Instytut Maszyn i Urządzeń Energetycznych, Plitechnika Śląska

ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice imiue@rie5.ise.polsl.gliwice.pl

EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE BADANIA NIEUSTALONEGO PRZEPŁYWU W OSIOWYM NISKOOBROTOWYM STOPNIU SPRĘŻAJĄCYM

Streszczenie. Przedstawiono wyniki kompleksowych eksperymentalnych i numerycznych badań przepływu w osiowym niskoobrotowym stopniu sprężającym.

Analizę numeryczną przepływu trójwymiarowego lepkiego przeprowadzono wyko

rzystując program numerycznej symulacji przepływu TASC-FLOW. Skojarzenie tych analiz z wynikami badań eksperymentalnych, prowadzonych przy wykorzystaniu dwóch różnych, pracujących na całkowicie odmiennej zasadzie technik pom iaro

wych umożliwia z kolei weryfikację doświadczalną stosowanego kodu numerycznego i je g o doskonalenie.

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF THE UNSTEADY FLOW IN AXIAL FLOW LOW COMPRESSOR STAGE

Sum m ary. The paper reports a concerted application o f experimental (TSFP and LDA) and computational flu id dynamic (CFD) techniques fo r an investigation o f the low speed axial flo w compressor stage. The experimental result have been used as inlet boundary condition fo r CFD calculations as well as a basic fo r verification o f computational results. In the present state the CFD method supplied data giving a fa ir qualitative characterization o f flow phenomena developing in the rotor.

1. Wstęp

R ozpoznanie niestacjonarnych zjaw isk przepływ ow ych, w ystępujących zarów no w kanałach nieruchom ych, ja k i w irujących i osiow ych stopniach sprężających, szczególnie w obszarze niestabilnej części charakterystyki aerodynam icznej, m a kluczow e znaczenie dla zrozum ienia zarów no m echanizm u generow ania tzw. w irującego oderw ania, ja k i w następstw ie tego pom pow ania sprężarki.

(2)

254 Andrzej WITKOWSKI, Michał STROZIK, Mirosław MAJKUT, Jacek ŻUKOWSKI

M ożliw ości tego typu badań stw arza oprzyrządow anie osiow ego niskoobrotow ego stopnia sprężającego [1], (rys. 1) w dwa, pracujące na zupełnie odm iennej zasadzie, syste

m y pom iarow e [2]:

1- kontaktow y, z w ykorzystaniem term oanem om etrycznych sond pom iarow ych z trójrozdzieloną folią (TSFP) [3], [4],

2- bezkontaktow y, z w ykorzystaniem trójw ym iarow ego dopplerow skiego anem om etru laserow ego (LD A ) [5].

Skojarzenie w yników badań eksperym entalnych z w ynikam i analizy num erycznej pozw ala zarów no na ściślejsze ukierunkow anie badań oraz w eryfikację w yników analizy num erycznej przepływ u, prow adzonej z zastosow aniem różnych m odeli turbulencji.

Rys. 1. O siow y niskoobrotow y stopień sprężający Fig. 1. Low speed axial flow com pressor stage

2. M etody ek sp erym en taln e

2.1. Sondy termoanemometryczne z trójrozdzieloną folią (TSFP)

Sondy T SFP um ożliw iają pom iar chw ilowej prędkości i kierunku silnie burzliw ych przepływ ów dw uw ym iarow ych w przypadku, gdy odchylenie kierunku przepływ u od płaszczyzny prostopadłej do osi czujnika sondy nie przekracza 30°.

(3)

Rys. 2. Schem at blokow y system u pom iarow ego z zastosow aniem sond TSFP

Fig. 2. Schem atic set up diagram o f the m easuring m ultisam pling system w ith use o f TSFP

Z astosow anie dw óch rodzajów sond - z czujnikiem prostym i w ygiętym pod kątem 90° - pozw ala przeprow adzić niejednoczesny pom iar trójw ym iarow ego pola prędkości przepływ u m eto d ą próbkow ania cyklicznego. W zorcow anie sond oraz pom iary kontrolne p rzeprow adzono na zaprojektow anym i w ykonanym do tego celu stanow isku do w zorco

w ania sond, znajdującym się w Instytucie M aszyn i U rządzeń E nergetycznych P olitechniki Śląskiej [4]. Schem at blokow y próbkow ania cyklicznego przedstaw iony został na rys. 2.

2.2. Sondy LDA

Do pom iaru trójw ym iarow ego nieustalonego pola prędkości, zarów no w elem entach nieruchom ych, ja k i w irujących stopnia, zastosow ano kom pletny zestaw pom iarow y lase

row ego anem om etru dopplerow skiego firm y D A N T E C z laserem typu S pectra Physic Ar- gon-Jon, o m ocy 4 W [5]. W celu w ystarczająco silnych im pulsów św ietlnych zastosow ano posiew cząstek o średniej średnicy 0,6 do 1,1 pm. D la prow adzenia badań m etodą próbko

w ania cyklicznego zaadaptow ano elem enty bloku synchronizacji z układu próbkow ania sondam i term oanem om etrycznym i. Schem at blokow y przedstaw iono na rys. 3.

(4)

Rys. 3. Schem at blokow y system u pom iarow ego LDA

Fig. 3. Schem atic set up diagram o f the m ultisam pling m easuring system w ith use o f LD A

Św iatłow odow e sondy LDA zam ontow ane na urządzeniu traw ersującym um ożliw iają osiow y, obw odow y i prom ieniow y przesuw sondy oraz obrót w płaszczyźnie horyzontalnej.

Te trzy liniow e stopnie sw obody, w raz z obrotem , zapew niają usytuow anie sond z dokładnością ± 0,25 mm. LD A połączony je s t zdalnie św iatłow odem o długości 15 m z sondam i zainstalow anym i przed oknem pom iarow ym na korpusie stopnia sprężającego.

(5)

2.3. Proces pomiaru i przetwarzania danych

N a rysunku 4 przedstaw iono lo

kalizację punktów pom iarow ych w stopniu na w ybranej pow ierzchni obrotow ej. W celu zapew nienia pełne

go rozpoznania obrazu przepływ u w obszarze łopatek koła w irnikow ego, pom iar przeprow adza się w 1 0 1 osio

w ych przekrojach pom iarow ych, p o cząw szy od przekroju przed kołem w irnikow ym (1,35 osiow ego rzutu cięciw y profilu łopatki na średnim prom ieniu), a skończyw szy w odległo

ści równej 2,25 osiow ego rzutu cięciw y za kołem w irnikow ym . W celu określe

nia stopnia niejednorodności przepływ u w kierunku obw odow ym na w locie do , , . . koła w irnikow ego zapew niono zm ianę

Rys. 4. L okalizacia punktów pom iarow ych . .

, . w zaiem nego usytuow ania punktów

Fig. 4. M easurem ent locations , , , . ■, . , , .

& próbkow ania i łopatek kierow nicy

w lotow ej poprzez obrót pierścienia nośnego kierow nicy w lotow ej (rys. 1).

D la zw iększenia w iarygodności w yników pom iaru chw ilow ych w artości prędkości C| w procesie przetw arzania danych uw zględniono w pływ czasu przejścia cząstek przez objętość p om iarow ą z zależności [7]:

y c - ai J

c ' = V • ( 1)

L A ti

gdzie C , - prędkość pojedynczej cząstki oraz A - czas przejścia cząstki przez przestrzeń pom iarow ą. Po dokonaniu pom iaru w szystkich chw ilow ych w artości prędkości następuje uśrednienie grupow e w każdym oknie pom iarow ym zgodnie z zależnością:

c = - Y c 1 N ⁱ⁹ (2)

N t /

gdzie C - uśredniona grupow o prędkość, C; - prędkość chw ilow a, zm ierzona w poszczególnym oknie pom iarow ym koła w irnikow ego oraz N - całkow ita liczba pom ia

rów w każdym z okien pom iarow ych. N astępnie m ożem y obliczyć n iepoliczalną funkcję prędkości w każdym oknie pom iarow ym :

(6)

C ~ C ( 3 )

oraz odpow iednią w ariancję:

N

Z ( c , - c ) 2

( 4 )

N - l

która określa poziom niepoliczalnej niestacjonam ości w każdym oknie pom iarow ym [5].

C hw ilow a prędkość Cj m oże być zdekom ponow ana do postaci trójskładnikow ej:

C - prędkość uśredniona w czasie w edług (5), C - okresow a fluktuacja prędkości,

C - losow a fluktuacja prędkości.

U średnioną w czasie prędkość C uzyskujem y przez uśrednienie w szystkich uśred

nionych grupow o prędkości w każdym oknie pom iarow ym , gdzie NOK określa liczbę okien pom iarow ych w każdym kanale łopatkow ym :

3. N u m ery czn a analiza przepływ u

N um eryczna analiza przepływ u prow adzona je s t z w ykorzystaniem profesjonalnego program u obliczeniow ego T A SC -FL O W [6], rozw iązującego uśrednione w czasie układy rów nań N aviera-Stokesa, rozszerzone o rów nania opisujące dw a m odele turbulencji typu dw urów naniow ego oraz jed en typu RSM . Stw arza to m ożliw ość dośw iadczalnej w eryfika

cji w yboru najw łaściw szego m odelu turbulencji dla rozpatryw anego rodzaju przepływ u.

( 5 )

gdzie:

(

⁶

)

(7)

4. W yn ik i b ad ań eksp ery m en ta ln y ch i num erycznych

4.1. Porównanie wyników badań przepływu metodą próbkowania pola prędkości sondami TSFP i LDA

N a rysunku 5 przedstaw iono porów nanie linii konturow ych prędkości w zględnych na spływ ie z łopatek koła w irnikow ego, uzyskanych z próbkow ania pola prędkości sondam i term oanem om etrycznym i (TSFP) oraz laserow ym i (LD A ).

Rys. 5. Linie konturow e prędkości w zględnych, określone w w yniku pom iaru so n d ą TSFP a) i LDA b) na w ylocie z koła w irnikow ego

Fig. 5. R elative velocity contour plots dow nstream o f the rotor a)T SF P system results b) LDA system results

Ilościow e różnice rozkładu prędkości w zględnych w śladzie pozałopatkow ym oraz składow ej osiow ej turbulencji w w ybranym przekroju osiow ym (rys. 5) w ykazane są na rys. 6. Zarów no kształt śladu, ja k i w artości liczbow e prędkości i turbulencji, uzyskane za p o m o c ą obu system ów pom iarow ych, są bardzo do siebie zbliżone, przy zauw ażalnej ten

dencji do zaw yżania w yników uzyskanych za p o m o cą sond TSFP.

(8)

Zr= 1.44, y r = 0,50, Y = - 2 0 ° , (P = 0,401 ° T S F P * LDA

Rys. 6. P orów nanie rozkładów prędkości w zględnych W i turbulencji T z w śladzie pozałopatkow ym koła w irnikow ego, uzyskane z pom iaru so n d ą T SFP i LDA Fig. 6. R otor w ake velocity profiles and unresolved unsteadiness

W pływ w zględnego przem ieszczania się łopatek koła w irnikow ego (ŁK W ) i łopatek w lotow ej kierow nicy regulacyjnej (ŁW K R ) (efekt zegarow y) przedstaw iony został w po

staci rozkładu linii konturow ych prędkości w zględnych w kanałach m iędzyłopatkow ych koła w irnikow ego na rys. 7.

(9)

Rys. 7. W pływ efektu zegarow ego na pole prędkości w kanałach m iędzyłopatkow ych koła w irnikow ego:

y = -20°, <pT = 0,401, Y r = 0,50

Fig. 7. R elative velocity distributions in the rotor passages at the eight IGV rotor positions y = -20°, qjT = 0,401, Y r = 0,50

(10)

P orów nanie rysunków w ykazuje silny w pływ śladu pozałopatkow ego Ł W K R na po

le prędkości i tym sam ym na obciążenie aerodynam iczne ŁK W . W uzupełnieniu ilościow e porów nanie obw odow ych rozkładów prędkości w zględnych i osiowej składow ej turbulencji w w ybranym przekroju osiow ym przedstaw iono na

Rys. 8. O bw odow y rozkład prędkości w zględnych (a) i składow ych turbulencji (b) w kanale m iędzyłopatkow ym koła w irnikow ego: y = -20°, cpT = 0,401, Y r = 0,50

Fig. 8. C ircum ferential relative velocity (a) and unresolved unsteadiness (b) distributions in the rotor passages y = -20°, cpT = 0,401, Y r = 0,50

4.2. Porównanie wyników eksperymentalnych z symulacją numeryczną przepływu

N a rysunku 9 przedstaw ione zostały linie konturow e prędkości w zględnych, w yznaczone za pom ocą sond LDA oraz poprzez sym ulację n um eryczną z w ykorzystaniem program u kom pute

row ego T A SC -F L O W z w yborem m odelu turbulencji k - e.

(11)

a)

b)

Rys. 9. Porów nanie linii konturow ych prędkości w zględnych, w yznaczonych za pom ocą sym ulacji num erycznej (a) oraz pom iaru sondam i LD A (b): y = -20°, (pT = 0,401, Y r = 0,50

Fig. 9. R elative velocity contour plots a) num erical sim ulation results b) LDA m easurem ent results y = -20°, cpT = 0,401, Y r = 0,50

W yniki badań uzyskane z próbkow ania pola przepływ u so n d ą LDA posłużyły ja k o w arunki brzegow e do obliczeń num erycznych.

Istotnym problem em w rozpoznaniu w arunków pracy sprężarek je s t określenie m o

m entu inicjacji oderw ania przepływ u po stronie grzbietow ej łopatek, które w konsekw encji prow adzi do zjaw iska tzw . pom pow ania. S ym ulację tego procesu m ożna zaobserw ow ać na rys. 10, przy przechodzeniu pracy stopnia od punktu nom inalnego (A ) do

punktu p rze

gięcia charakterystyki pracy (B). K onfrontacja tego rodzaju obliczeń z w ynikam i badań eksperym entalnych stw arza m ożliw ość rozpoznania zjaw isk tow arzyszących przechodzeniu sprężarek do obszaru pracy niestabilnej.

(12)

W Um

Tl 1 .0 0 --- --- ----

0 90

---

...

0.00--- H — «--- *-

0.70 ... L - ... ...

c B

•

,

_{® * .}

A

•

'

0.00 0.10 0 2 0 0.30 0.40 <P OSO

Rys. 10. Proces oderw ania strug na grzbietow ej stronie profilu łopatki w m iarę w zrostu obciążenia aerodynam icznego

Fig. 10. Influence o f the aerodynam ic load on the separation processes on the upper side o f the blade

5. WNIOSKI KOŃCOWE

P rzeprow adzono w stępne kom pleksow e badania zjaw isk niestacjonarnych w przepływ ie w niskoobrotow ym osiow ym stopniu sprężającym , z w ykorzystaniem dw óch pracujących na odm iennej zasadzie technik pom iarow ych, skonfrontow anych z num eryczną sy m ulacją przepływ u z w ykorzystaniem kom puterow ego kodu obliczeniow ego TA SC FLO W . U zyskane w yniki w sk az u ją na m ożliw ość prow adzenia badań przepływ u w osio

w ym stopniu sprężającym na podstaw ie w zajem nie uzupełniających się analiz: dośw iad

czalnej i num erycznej. Szczególnie obiecujące są wyniki badań w obszarze niestabilnej części charakterystyki aerodynam icznej stopnia. U kierunkow ują one dalsze badania na rozpoznanie zjaw isk prow adzących do oderw ania w irującego i w konsekw encji do pom pa- żu.

B ib lio g r a f ia

1. W itkow ski A.S., C hm ielniak T.J., Strozik M .D., M irski M.: Facility for Turbulence and U nsteadiness M easurem ents B efore and B ehind an A xial C om pressor R otor B lade by M eans o f Periodic M ultisam pling w ith triple Split Fiber Probes. Proceedings o f the 1994 E ngineering System D esign A nalysis Conference. Vol. 8. - P art B. Design:

A nalysis, Synthesis and A pplications. A m erican Society o f M echanical Engineers, N ew Y ork 1994, 519-526.

(13)

2. W itkow ski A., C hm ielniak T., M ajkut M., Strozik M.: M easurem ent o f the U nsteady Flow F ield D ue to Inlet G uide V ane Interaction w ith the R otor in an A xial Flow Low S peed C om pressor Stage. 5th E uropean C onference on T urbom achinery, Fluid D ynam ics and T herm odynam ics. P raga 2003

3. Jorgensen F.E.: C haracteristics and C alibration o f a T riple Split P robe for R eversing Flow s. D ISA Inform ation, N o 27, 1982

4. W itkow ski A., Strozik M.: C harakterystyka pom iarow a sond term oanem om etrycznych z trójro zd zielo n ą folią. XV K rajow a K onferencja M echaniki Płynów . S treszczenia re

feratów . A ugustów 2002

5. W itkow ski A .S., C hm ielniak T.J., Strozik M .D., M ajkut M .M .: T hree D im ensional L aser D oppler A nem om etry to M easurem ents U nsteady Flow in a Low Speed Axial Flow C om pressor Stage. S em inar A rbeitsgem einschaft Turbom achinen. G dańsk- K rzeszna-G dynia 2001

6. A EA T echnology E ngineering Softw are Lim ited, W aterloo, O ntario, C anada. CFX- T A SC FL O W U ser D ocum entation V ersion 2.8, January 1999

7. G eorge W .K. L im itations to m easuring accuracy inherent in the laser-D oppler signal.

Proc. LD A Sym p., C openhagen, 1975