Πειραματική υποστήριξη σχεδιασμού συνιστωσών αεριοστροβίλων

Abstract

The present work is aiming to investigate experimentally how to support compressor and turbine design. For this reason design practices related to the stable operation of compressors and turbines and to the unstable operation of compressors are studied. The adopted methodology follows two main directions. Specifically: • It is experimentally investigated how real operating conditions may affect the operation of a compressor or a turbine. • In particular for the case of compressors the use of active flow control aiming to extend the compressor stable operating range is investigated experimentally. This can lead to increased performance and reduction of volume and weight. The most notable novel conclusions reached during the present work are the following: • An effective way to take into consideration non uniformities of the flow at the compressor inlet is by applying the concept of parallel compressors. The compressor wheel may be designed through and optimization process taking into account the inlet flow field at all peripheral positions. Subsequently, an asymmetric diffuser can be designed, for optimal operation at the nominal operating point. The optimization of both components can be performed on the meridional plane. By following this technique compressor stages can be optimally adapted to existing industrial facilities. • It is established that the extension of the compressor stable operating range is directly related to the injected air momentum. Assuming the compressor operating point on the verge of the unstable operating range it is found that this point is moving towards lower mass flow rate under the influence of injection. By expressing this displacement as a percentage of the compressor mass flow rate at that operating point without the influence of air injection and correlating it with the ratio between injected and free stream momentum a very strong correlation is established. • It is demonstrated that judging by energy requirements using more injection nozzles is advantageous. • Detailed flow field measurements under the influence of injection provide reveal its effects diffusion factor redistribution and stable operation maintenance for higher values of the diffusion factor. • A novel method for measuring turbine efficiency when heat transfer between the turbine and the environment is significant is established. • The design construction and commissioning of an experimental facility for testing turbochargers is described.

Στην παρούσα διατριβή στόχος είναι η υποστήριξη του σχεδιασμού συμπιεστών και στροβίλων μέσω της πειραματικής οδού. Για το σκοπό αυτό μελετώνται σχεδιαστικές πρακτικές που αφορούν στην περιοχή ευσταθούς λειτουργίας συμπιεστών και στροβίλων και στην περιοχή ασταθούς λειτουργίας συμπιεστών. Η μεθοδολογία που επιλέχθηκε ακολουθεί δύο οδούς. Συγκεκριμένα: • Μελετάται η επίδραση της ανομοιομορφίας ροής εισόδου στη λειτουργία συμπιεστή και στροβίλου σχεδιασμένων με την παραδοχή ομοιόμορφης εισόδου. • Ειδικά στην περίπτωση του συμπιεστή διερευνάται η δυνατότητα εφαρμογής ενεργού έλεγχου της ροής ώστε να επιτευχθεί επέκταση της περιοχής ευσταθούς λειτουργίας του η οποία μπορεί να οδηγήσει σε βελτιωμένες επιδόσεις και μείωση του όγκου και του βάρους του. Τα κυριότερα πρωτότυπα συμπεράσματα μπορούν να συνοψισθούν στα παρακάτω: • Ένας αποδοτικός τρόπος για να ληφθούν υπόψη ανομοιομορφίες της ροής στην είσοδο συμπιεστών είναι η εφαρμογή του σκεπτικού των «παράλληλων συμπιεστών». Με βάση τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής η πτερωτή μπορεί να προκύψει από μια διαδικασία βελτιστοποίησης που θα λαμβάνει υπόψη το πεδίο ροής της εισόδου σε όλες τις περιφερειακές θέσεις ενώ ο διάχυτης μπορεί να σχεδιαστεί ασύμμετρος επιτρέποντας βέλτιστη λειτουργία για ένα σημείο σχεδιασμού. Η βελτιστοποίηση μπορεί να γίνει κατά το σχεδιασμό στο μεσημβρινό επίπεδο. Με την τεχνική που προτείνεται μπορούν να σχεδιαστούν βαθμίδες συμπιεστή προσαρμοσμένες στα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της ροής μιας βιομηχανικής εγκατάστασης. • Η επέκταση της περιοχής ευσταθούς λειτουργίας συμπιεστή συσχετίζεται ευθέως με την ορμή του αέρα που εγχύεται. Η μετατόπιση του σημείου εισόδου σε ασταθή λειτουργία κατά τον άξονα της παροχής εκφρασμένη ως ποσοστό της παροχής εισόδου σε ασταθή λειτουργία χωρίς την εφαρμογή έγχυσης είναι συνάρτηση του λόγου της συνολικής ορμής του αέρα που εγχύεται προς την ορμή του κυρίου ρεύματος αέρα εισόδου της βαθμίδας. • Από ενεργειακή άποψη η χρήση περισσοτέρων ακροφυσίων είναι πλεονεκτική. • Λεπτομερείς μετρήσεις του πεδίου ροής με εφαρμογή συνεχούς έγχυσης αέρα αποκαλύπτουν την επίδραση της αναδιανομής της φόρτισης των πτερυγίων και διατήρηση της ευσταθούς λειτουργίας για μεγαλύτερες τιμές της φόρτισης των πτερυγίων. • Αναπτύσσεται μέθοδος προσδιορισμού του βαθμού απόδοσης στροβίλου όταν υπάρχει εναλλαγή θερμότητας με τον περιβάλλοντα χώρο. • Περιγράφεται ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η πιστοποίηση πρωτότυπης πειραματικής εγκατάστασης για τη δοκιμή υπερπληρωτών.