Testiranje delovanja aksialnih kompresorjev

Preizkušanje delovanja je ključni del procesa načrtovanja in razvoja naprednih aksialnih kompresorjev. Ti se pogosto uporabljajo v sodobnem svetu in jih je mogoče najti v skoraj vsaki industriji ter vključujejo jedrni kompresor za zračne pogonske turboventilatorske motorje, kot tudi zračne plinskoturbinske motorje za proizvodnjo električne energije. Primer tega sta turbinska motorja, prikazana na slikah 1 in 2, ki vključujeta industrijsko plinsko turbino in turboventilatorski motor z visokim obvodnim razmerjem z večstopenjskim visokotlačnim kompresorjem jedra. Razvojni čas teh strojev lahko vključuje številne drage iteracije načrtovanja-izdelave-testiranja, preden lahko postanejo učinkovit in konkurenčen izdelek. To pripisuje velik pomen točnosti podatkov, pridobljenih med preskusi delovanja med razvojem kompresorja, saj se pridobljeni testni podatki pogosto uporabljajo za zasidranje modelov izgub v orodjih za načrtovanje. Sodobni aksialni kompresorji imajo običajno visoke aerodinamične obremenitve na stopnjo za izboljšano učinkovitost sistema in zahtevajo natančno aerodinamično ujemanje stopenj za doseganje zahtevanega tlačnega razmerja z visoko učinkovitostjo. Vstopne vodilne lopatice in statorji s spremenljivo geometrijo v prvih nekaj stopnjah so običajno potrebni za zagotavljanje sprejemljivega delovanja ob ohranjanju visoke učinkovitosti in ustreznega zastoja.

Testiranje delovanja aksialnih kompresorjev

Vsi aksialni kompresorji so podvrženi temeljiti fazi načrtovanja in razvoja, v kateri je testiranje delovanja ključnega pomena za njihov končni uspeh kot izdelka. Preizkušanje delovanja med razvojno fazo teh strojev z visoko gostoto moči lahko zagotovi, da zasnova izpolnjuje določene zahteve, ali lahko prepozna komponento v turbostroju, ki ne dosega pričakovane zmogljivosti, in lahko zahteva nadaljnji razvoj in morebitno preoblikovanje. Preizkušanje delovanja lahko tudi zagotovi, da lahko enota izpolnjuje vse navedene pogoje in ne le zajamčenega stanja. Preskušanje aerodinamičnih zmogljivosti večstopenjskih aksialnih kompresorjev v zgodnjem delu razvoja se pogosto izvaja v fazah. Program razvojnega testiranja je načrtovan in izveden s pristopom načrtovanja poskusov in vključuje spreminjanje pretoka zraka in vrtilne hitrosti gredi ter urnik spremenljive geometrije, da se v celoti karakterizira kompresor. V prvi fazi se izdela in testira sprednji blok kompresorja pri popravljenem (referenčnem) pretoku zraka, vstopnem tlaku, temperaturi in hitrosti vrtenja gredi. Instrumenti vključujejo uporabo tradicionalnih grabljev in meritev na izhodu, da se pridobi razponska porazdelitev tlaka, temperature in kotov pretoka. Testiranje v fazah se običajno izvaja iz dveh razlogov. Prvič, jedrni kompresorji teh tipov enot so stroji z visoko gostoto moči in testiranje celotnega večstopenjskega aksialnega kompresorja v celotnem geometrijskem merilu je običajno previsoko, saj zahtevajo ogromno konjskih moči od pogonske enote. Pogosto je običajno, da kompresorje testiramo v zmanjšanem geometrijskem merilu, da ostanemo znotraj omejitev moči pogonskega motorja ali turbine preskusne naprave. Vendar pa je zaradi majhnih prehodov lopatic težje pridobiti natančne preskusne podatke zmanjšanega kompresorja. Poleg tega model v pomanjšanem merilu morda ne bo omogočil ohranjanja razdalj med tekom, manjša debelina vodilnega in zadnjega roba rezila pa je lahko tudi težava z vidika proizvodnje. Drugi razlog za ločeno preizkušanje prednjega in zadnjega kompresorskega bloka v zgodnjih fazah razvoja je možnost, da pri večstopenjskem aksialnem kompresorju dejanska zmogljivost prednjega bloka ne bo dosegla zastavljenega cilja, splošna zmogljivost pa bo negativno vplivala posledica aerodinamičnega neskladja med stopnjami. Na ta način lahko oblikovalci izvedejo vmesni popravek in prilagodijo zasnovo sprednjih ali zadnjih lopatic, preden se zavežejo k izdelavi končnih lamel zadnjega bloka.

Testiranje teh komponent kompresorja poteka z natančnimi, umerjenimi instrumenti in visokoodzivnimi sistemi za zajemanje podatkov. Slika 4 ponazarja računalniški tokovni model osrednjega kompresorja ter sprednjega in zadnjega bloka, katerih zmogljivost se običajno testira ločeno.

Izstopni profil ključnih parametrov kompresorja sprednjega bloka.

Slika 5 ponazarja visoko instrumentalno preskuševalno napravo sprednjega bloka visokohitrostnega vrtljivega večstopenjskega aksialnega kompresorja. Preskusna oprema vključuje tradicionalne enakomerne meritve vstopnih in izstopnih tlakov in temperatur ter kota izstopnega toka, kot tudi radialne porazdelitve teh parametrov.

Slika 6 prikazuje primer radialnih profilnih podatkov, izmerjenih z grabljami in merilnimi sondami, na izstopni ravnini kompresorja sprednjega bloka. Izmerjene vrednosti iz preskusa se običajno primerjajo z vrednostmi, pridobljenimi iz računalniškega modela pretoka kompresorja. Poznavanje izmerjenih razponskih gradientov ključnih aerodinamičnih parametrov na izhodu iz kompresorja sprednjega bloka je ključnega pomena pred dokončanjem zasnove lopatic kompresorja zadnjega bloka. Pridobivanje natančnih preskusnih podatkov je pomembno tudi za kalibracijo modelov izgub znotraj zasnove kompresorja in kode analize pretoka.

Rezultati razponske porazdelitve tlaka, temperature in kota pretoka, dobljeni s preskušanjem sprednjega bloka, se uporabljajo za validacijo ali izboljšanje napovedne natančnosti konstrukcijskih in analitičnih kod, ki se lahko po potrebi uporabijo za preoblikovanje lopatic v sprednjem bloku, da izboljšati njegovo delovanje. Za načrtovanje lopatic kompresorja zadnjega bloka so potrebne natančne meritve razponskih gradientov tlaka, temperature in kotov pretoka pri konstrukcijskih delovnih pogojih.

Drug ključni cilj testiranja delovanja med razvojno fazo aksialnih kompresorjev je eksperimentalno določiti optimalen razpored spremenljive geometrije, ki ima za posledico najvišjo raven skupne učinkovitosti za razpon stopenj pretoka in hitrosti vrtenja gredi vzdolž delovne linije motorja. Kot ponastavitve vstopnih vodilnih lopatic in spremenljivih statorjev se spreminja, posledična aerodinamična zmogljivost pa se meri za vrsto linij s konstantno hitrostjo. Te podatke je še posebej pomembno pridobiti za validacijo in kalibracijo modelov izgube in kota odstopanja v kodah za načrtovanje in analizo pretoka pri pogojih delovanja, ki niso projektirani. Podatki o nestalnem tlaku, izmerjeni z visokoodzivnimi pretvorniki, se prav tako vzamejo za določitev meja zastoja, zastoja pri vrtenju in sunka kompresorja. To se naredi tudi za spremljanje zdravja preskusne naprave, da bi se izognili delovanju pri polni napetosti kompresorja, saj lahko dolgotrajno delovanje tam škoduje preskusni napravi za kompresor in lopaticam kompresorja.

Zemljevidi delovanja splošnih značilnosti kompresorja

Celotno delovanje kompresorjev je običajno predstavljeno s karakterističnim zemljevidom, kot je na primer tlačno razmerje kompresorja in zemljevidi učinkovitosti, prikazani na slikah 7. Karakteristični zemljevidi običajno prikazujejo primerjavo izmerjenih preskusnih podatkov s predvidenimi rezultati simulacije, pridobljenimi iz pretoka model stroja. Zemljevidi razmerja tlaka in učinkovitosti so običajno izrisani glede na popravljen pretok in popravljeno hitrost vrtenja gredi, ki se nanašata na standardne pogoje tlaka in temperature. Črte hitrosti na sliki 7 so glede na razmerje med popravljeno hitrostjo in konstrukcijsko popravljeno hitrostjo. Preizkušanje delovanja zadnjega kompresorskega bloka se izvede na podoben način kot sprednji blok. Vhodni pogoji tlaka in temperature so pri vrednostih okolja, vendar morata biti popravljena stopnja pretoka zraka in popravljena hitrost vrtenja gredi prve stopnje zadnjega bloka enake vrednosti kot v celotnem sistemu motorja.

Izvedba preskusa aksialnega kompresorja mora upoštevati sestavo zraka, to je odstotek relativne vlažnosti zraka. Lastnosti tekočine v zraku se spreminjajo z lokalno temperaturo, pa tudi z vsebnostjo vodne pare. Zato je treba lastnosti tekočine mokrega zraka izračunati z veliko natančnostjo, redukcijo preskusnih podatkov pa izvesti z uporabo dejanskih lastnosti tekočine zraka z vlago. Ta ključni dejavnik je pomemben pri izračunu učinkovitosti kompresorja. Natančnosti, povezane s temi meritvami, kot tudi izračuni lastnosti tekočine so pogosto majhne, ​​vendar se lahko majhne napake v vsaki spremenljivki združijo v večjo napako v izračunanem rezultatu.

Testiranje delovanja osnovnega motorja

V kasnejših delih razvojnega programa se kompresor s polnim jedrom običajno testira v konfiguraciji podsistema jedrnega motorja, kjer se skupaj preskuša delovanje visokotlačnega kompresorja, zgorevalne komore in sklopa visokotlačne turbine. Namen preskusa osrednjega motorja je preveriti, ali sta kompresor in turbina pravilno aerotermodinamično usklajena, da lahko delujeta na ravni zmogljivosti v okolju podsistema. Jedro motorja se prav tako običajno preskuša pri popravljenem (referenčnem) vstopnem tlaku, temperaturi in vrtilni hitrosti gredi, saj je vstopni zrak v pogojih okolja in ni zakopan za nizkotlačnim kompresorjem, kot bi bil v motorju. Podatki o aerodinamični zmogljivosti, vzeti med preskusi osrednjega motorja, so običajno stopnja pretoka, hitrost vrtenja gredi, razmerje med skupnim tlakom in temperaturo komponent ter stopnja pretoka goriva.

Spoznajte avtorja

Ta blog je napisal Joseph Veres, strokovnjak za turbostroje. Ima več kot 40 let izkušenj pri oblikovanju komercialnih in vesoljskih kompresorjev, razvojnem testiranju in razvoju kode. Upokojil se je v NASA Glenn Research Center v Clevelandu, Ohio, ZDA, kjer je bil med letoma 2004 in 2009 vodja oddelka za turbostroje in prenos toplote pri Nasi. Pri Nasi je razvil kode za načrtovanje in analizo za aksialne in centrifugalne kompresorje in črpalke. Kode so bile potrjene na podlagi rezultatov preskusa zmogljivosti iz raziskovalnih kompresorskih naprav komponent naprednih plinskoturbinskih motorjev. Pred tem je bil pri Dresser-Randu, kjer je uspešno zasnoval in preizkusil industrijske večstopenjske centrifugalne kompresorje za rafinerije nafte, plinovodne pospeševalnike in ponovno vbrizgavanje zemeljskega plina. Od leta 1984 do 1989 je delal pri podjetju Teledyne CAE Turbine Engines, kjer je igral ključno vlogo v skupini za napredno načrtovanje in razvoj, kjer je oblikoval in testiral številne visoko zmogljive centrifugalne kompresorje za majhne turboreaktivne, turboventilatorske in turbogredne motorje. Joseph je vseživljenjski član Ameriškega združenja strojnih inženirjev (ASME) in je avtor ali soavtor več kot 33 publikacij o tehničnih konferencah.

Reference:

1. https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1243/0954410971532758?journalCode=piga
2. https://www.ihi.co.jp/var/ezwebin_site/storage/original/application/2b9fb4333c5a3718efbac1c4c99ad3e4.pdf
3. https://assets-turbomachinerymag-com.s3.amazonaws.com/uploads/2018/09/ge-turbine.jpg
4. https://www.calspan.com/services/aerospace-test-equipment-design-fab/turbomachinery-test-rigs/
5. https://www.semanticscholar.org/paper/Computational-Assessment-of-a-3-Stage-Axial-Which-Kulkarni-Beach/87053c6f42a939e45e807734e7ef5f539b31fee9

Vir: https://blog.softinway.com/performance-testing-of-axial-compressors/