Eksenel Kompresörlerin Performans Testi

Plato tarafından yeniden yayınlandı

İzleyiciler: 0

Performans testi, gelişmiş eksenel kompresörlerin tasarım ve geliştirme sürecinin önemli bir parçasıdır. Bunlar modern dünyada yaygın olarak kullanılmaktadır ve neredeyse her endüstride bulunabilir ve aeropropulsion turbofan motorları için çekirdek kompresörü ve ayrıca enerji üretimi için aeroderivative gaz türbini motorlarını içerir. Bunun bir örneği, Şekil 1 ve 2'de gösterilen, endüstriyel bir gaz türbini ve çok kademeli yüksek basınçlı çekirdek kompresöre sahip yüksek baypas oranlı bir turbofan motoru içeren türbin motorlarıdır. Bu makinelerin geliştirme süresi, verimli ve rekabetçi bir ürün haline gelmeden önce çok sayıda pahalı tasarla-yap-test yinelemesini gerektirebilir. Bu, kompresörün geliştirilmesi sırasında performans testleri sırasında alınan verilerin doğruluğuna büyük önem verir, çünkü alınan test verileri genellikle tasarım araçları içindeki kayıp modellerini sabitlemek için kullanılır. Modern eksenel kompresörler, gelişmiş sistem verimliliği için tipik olarak aşama başına yüksek aerodinamik yüklere sahiptir ve gerekli basınç oranını yüksek verimlilikle elde etmek için aşamaların hassas aerodinamik eşleşmesini gerektirir. İlk birkaç aşamadaki değişken geometrili giriş kılavuz kanatları ve statorlar, tipik olarak, yüksek verimliliği ve yeterli durma marjını korurken kabul edilebilir işlerlik sağlamak için gereklidir.

Şekil 1. Elektrik üretimi için endüstriyel gaz türbini. Kaynak

Şekil 2. Aeropropulsion için turbofan motoru. Kaynak

Eksenel Kompresörlerin Performans Testi

Eksenel kompresörlerin tümü, bir ürün olarak nihai başarıları için performans testinin hayati önem taşıdığı kapsamlı bir tasarım ve geliştirme aşamasından geçer. Bu yüksek güç yoğunluklu makinelerin geliştirme aşamasındaki performans testleri, tasarımın belirtilen gereksinimleri karşıladığından emin olabilir veya turbomakine içinde beklenen performansının altında kalan ve daha fazla geliştirme ve olası yeniden tasarım gerektirebilecek bir bileşeni tanımlayabilir. Performans testi, ünitenin yalnızca garanti edilen koşulu değil, belirtilen tüm koşulları karşılayabilmesini de sağlayabilir. Çok kademeli eksenel kompresörlerin aerodinamik performans testi, geliştirmenin ilk aşamalarında genellikle aşamalar halinde yapılır. Geliştirme test programı, bir deney tasarımı yaklaşımıyla planlanır ve yürütülür ve kompresörü tam olarak karakterize etmek için hava akışı ve şaft dönüş hızının değiştirilmesinin yanı sıra değişken geometri programını içerir. İlk aşamada kompresörün ön bloğu düzeltilmiş (referans) hava debisi, giriş basıncı, sıcaklık ve mil dönüş hızında inşa edilir ve test edilir. Enstrümantasyon, basınç, sıcaklık ve akış açılarının aralıklı dağılımlarını elde etmek için çıkışta geleneksel tırmıkların ve anketlerin kullanılmasını içerir. Aşamalı testler tipik olarak iki nedenden dolayı yapılır. İlk olarak, bu tip ünitelerin çekirdek kompresörleri yüksek güç yoğunluklu makinelerdir ve çok kademeli eksenel kompresörün tamamını tam geometrik ölçekte test etmek, tahrik ünitesinden çok büyük beygir gücü gerektirdiğinden genellikle engelleyicidir. Test tesisi tahrik motorunun veya türbinin güç sınırlamaları dahilinde kalmak için kompresörleri küçültülmüş bir geometrik ölçekte test etmek genellikle gelenekseldir. Ancak, küçük kanat geçişleri nedeniyle ölçeği küçültülmüş kompresörün doğru test verilerini elde etmek daha zordur. Ek olarak, küçültülmüş ölçekli bir model, çalışma boşluklarının korunmasını sağlamayabilir ve daha küçük bıçak ön ve arka kenar kalınlıkları da üretim açısından bir sorun olabilir. Geliştirmenin ilk aşamalarında ön ve arka kompresör bloklarını ayrı ayrı test etmenin ikinci nedeni, çok kademeli bir eksenel kompresörde ön bloğun gerçek performansının tasarım hedefinin gerisinde kalması ve genel performansın olumsuz olması olasılığıdır. etaplar arasındaki aerodinamik uyumsuzluk nedeniyle etkilenir. Bu şekilde, tasarımcılar, arka bloğun son kanatlarını üretme masrafına girmeden önce, rota ortasında bir düzeltme yapabilir ve ön veya arka blok kanatlarının tasarımını değiştirebilir.

Şekil 3. Bir türbin motorundan çok kademeli eksenel kompresör göbekli kompresörün CAD gösterimi.

Bu kompresör bileşenlerinin testi, hassas, kalibre edilmiş enstrümantasyon ve yüksek yanıtlı veri toplama sistemleri ile yapılır. Şekil 4, tipik olarak ayrı ayrı performans testine tabi tutulan ön ve arka blokların yanı sıra çekirdek kompresörün bir bilgisayar akış modelini göstermektedir.

Bileşen Akış Modeli — Şekil 4. Yüksek hızlı dönen test düzeneklerinde ayrı ayrı performans testi yapılan ön ve arka blokları gösteren bir çekirdek kompresörün bilgisayar akış modeli.

Anahtar Parametrelerin Ön Blok Kompresör Çıkış Profili.

Şekil 5, yüksek hızlı dönen çok kademeli bir eksenel kompresörün ön bloğunun yüksek düzeyde aletli bir test düzeneğini göstermektedir. Test enstrümantasyonu, giriş ve çıkış basınçlarının ve sıcaklıklarının geleneksel sabit ölçümlerini ve çıkış akış açısını ve ayrıca bu parametrelerin radyal dağılımlarını içerir.

Şekil 5. Eksenel kompresör test donanımı. Kaynak

Şekil 6, ön blok kompresörün çıkış düzleminde tırmıklar ve tarama probları tarafından ölçülen radyal profil verilerinin bir örneğini göstermektedir. Testten ölçülen değerler tipik olarak kompresörün bilgisayar akış modelinden elde edilen değerlerle karşılaştırılır. Arka blok kompresörün kanat tasarımını tamamlamadan önce, ön blok kompresörün çıkışındaki önemli aerodinamik parametrelerin ölçülen aralıklı gradyanlarını bilmek çok önemlidir. Doğru test verilerinin elde edilmesi, kompresör tasarımı ve akış analiz kodu içerisindeki kayıp modellerin kalibrasyonu için de önemlidir.

Şekil 6. Eksenel kompresör ön bloğunun çıkışındaki açıklıklı toplam basınç, sıcaklık ve mutlak akış açısının test verileri.

Ön bloğun test edilmesinden elde edilen basınç, sıcaklık ve akış açısı sonuçlarının aralıklı dağılımları, tasarım ve analiz kodlarının öngörücü doğruluğunu doğrulamak veya geliştirmek için kullanılır ve gerektiğinde ön bloktaki kanatları yeniden tasarlamak için kullanılabilir. performansını geliştirmek için. Arka blok kompresör kanatlarının tasarımı için tasarım çalışma koşulunda basınç, sıcaklık ve akış açılarının açıklık gradyanlarının doğru ölçümleri gereklidir.

Eksenel kompresörlerin geliştirme aşamasındaki performans testinin bir diğer temel amacı, motor çalışma hattı boyunca bir dizi akış hızı ve şaft dönüş hızı için en yüksek genel verimlilik düzeyi ile sonuçlanan optimum değişken geometri programını deneysel olarak belirlemektir. Giriş kılavuz kanadının ve değişken statorların sıfırlama açıları değiştirilir ve elde edilen aerodinamik performans, bir dizi sabit hız hattı için ölçülür. Bu veriler, tasarım dışı çalışma koşullarında tasarım ve akış analizi kodlarındaki kayıp ve sapma açısı modellerinin doğrulanması ve kalibrasyonu için özellikle önemlidir. Yüksek tepkili transdüserlerle ölçülen kararsız basınç verileri de durma, döner durma ve kompresör dalgalanmasının sınırlarını belirlemek için alınır. Bu aynı zamanda, orada uzun süre çalıştırılması kompresör test donanımı ve kompresör kanatları için zararlı olabileceğinden, tam kompresör dalgalanmasında çalışmayı önlemek için test donanımının sağlığını izlemek için de yapılır.

Kompresör Genel Karakteristik Performans Haritaları

Kompresörlerin genel performansı genellikle, örneğin Şekil 7'de gösterilen kompresör basınç oranı ve verimlilik haritaları gibi bir karakteristik harita ile temsil edilir. Karakteristik haritalar tipik olarak ölçülen test verilerinin akıştan elde edilen tahmin edilen simülasyon sonuçlarıyla karşılaştırmasını gösterir. makinenin modeli. Basınç oranı ve verimlilik haritaları, tipik olarak, standart basınç ve sıcaklık koşullarına atıfta bulunulan düzeltilmiş akış hızı ve düzeltilmiş şaft dönüş hızı açısından çizilir. Şekil 7'deki hız çizgileri, düzeltilmiş hızın tasarım düzeltilmiş hıza oranı cinsindendir. Arka kompresör bloğunun performans testi, ön bloğa benzer şekilde yapılır. Basınç ve sıcaklığın giriş koşulları ortam değerlerindedir, ancak arka bloğun ilk aşamasının düzeltilmiş hava akış hızı ve düzeltilmiş şaft dönüş hızı, tam motor sistemindeki ile aynı değerde olmalıdır.

Şekil 7. Bilgisayar modeli tahminleriyle basınç oranı ve verimlilik testi verilerinin karşılaştırılması. Kaynak

Bir eksenel kompresör testinin performansı, havanın bileşimini, yani havadaki bağıl nem yüzdesini dikkate almalıdır. Havanın akışkan özellikleri, su buharı içeriğinin yanı sıra yerel sıcaklıkla da değişir. Bu nedenle, ıslak havanın akışkan özellikleri büyük bir doğrulukla hesaplanmalı ve test verilerinin indirgemesi, nemli havanın gerçek akışkan özellikleri kullanılarak gerçekleştirilmelidir. Kompresörün verimi hesaplanırken bu önemli husus önemlidir. Akışkan özellikleri hesaplamalarının yanı sıra bu ölçümlerle ilişkili doğruluklar genellikle küçüktür, ancak her bir değişkendeki küçük hatalar, hesaplanan çıktıda daha büyük bir hatayla birleşebilir.

Çekirdek Motor Performans Testi

Geliştirme programının sonraki bölümlerinde, tam çekirdekli kompresör tipik olarak, yüksek basınçlı kompresör, yanma odası ve yüksek basınçlı türbin tertibatının birlikte performans testine tabi tutulduğu çekirdek motor alt sistemi konfigürasyonunda test edilir. Çekirdek motor testinin amacı, kompresör ve türbinin, bir alt sistem ortamında tasarım amaçlı performans seviyelerinde çalışmak için aerotermodinamik olarak uygun şekilde eşleştirildiğini doğrulamaktır. Çekirdek motor da benzer şekilde tipik olarak düzeltilmiş (referans) giriş basıncı, sıcaklık ve şaft dönüş hızında test edilir, çünkü giriş havası ortam koşullarındadır ve bir motorda olduğu gibi düşük basınçlı bir kompresörün arkasına gömülmez. Çekirdek motor testleri sırasında alınan aerodinamik performans verileri tipik olarak akış hızı, şaft dönüş hızı, bileşen toplam basıncı ve sıcaklık oranları ve yakıt akış hızıdır.

Yazarla Tanışın

Joseph Veras

Bu blog, bir Turbomakine Uzmanı olan Joseph Veres tarafından yazılmıştır. Ticari ve havacılık kompresör tasarımı, geliştirme testi ve kod geliştirme konularında 40 yılı aşkın deneyime sahiptir. 2004-2009 yılları arasında NASA'da Turbomachinery ve Isı Transferi şubesinin şefi olduğu Cleveland, Ohio, ABD'deki NASA Glenn Araştırma Merkezi'nden emekli oldu. NASA'da eksenel ve santrifüj kompresörler ve pompalar için tasarım ve analiz kodları geliştirdi. Kodlar, gelişmiş gaz türbini motor bileşenlerinin araştırma kompresör teçhizatlarından elde edilen performans testi sonuçlarına göre doğrulandı. Daha önce, petrol rafinerileri, gaz boru hattı güçlendiricileri ve doğal gaz reenjeksiyonları için endüstriyel çok kademeli santrifüj kompresörleri başarıyla tasarladığı ve test ettiği Dresser-Rand'daydı. 1984 – 1989 yılları arasında, küçük turbojet, turbofan ve turboşaft motorları için çok sayıda yüksek performanslı santrifüj kompresör tasarlayıp test ettiği gelişmiş tasarım ve geliştirme grubunda önemli bir rol oynayan Teledyne CAE Türbin Motorlarındaydı. Joseph, Amerikan Makine Mühendisleri Derneği'nin (ASME) ömür boyu üyesidir ve 33'ün üzerinde teknik konferans yayınının yazarlığını veya ortak yazarlığını yapmıştır.