Σχεδιασμός και κατασκευή συνιστωσών, θέση σε λειτουργία και μετρήσεις σε διάταξη δοκιμών αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών

Abstract

Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής εργασίας, η υπάρχουσα διάταξη δοκιμών αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών (C-R) που είχε σχεδιασθεί και κατασκευαστεί στα πλαίσια προηγούμενης διπλωματικής εργασίας, συμπληρώνεται με επιπλέον συνιστώσες και τροποποιήσεις, μετρητικό εξοπλισμό, τίθεται σε λειτουργία και μέσω των πρώτων μετρήσεων που εκπονούνται, πιστοποιείται η δυνατότητα επιτυχούς εκτέλεσης πειραμάτων, και διαπιστώνονται οι ιδιαιτερότητες της διάταξης. Μια αρχική παραμετρική μελέτη δίνει την πρώτη εικόνα του πεδίου ροής και των επιδόσεων μιας βαθμίδας συμπιεστή αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών. Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από πολυεστέρα-υαλούφασμα ο συγκλίνων αγωγός εισόδου (Bellmouth) και το χείλος εξόδου του διαχύτη. Η κατασκευή του καλουπιού του χείλους εξόδου επετεύχθη με το σχεδιασμό και κατασκευή ενός βραχίονα 2-βαθμών ελευθερίας για τη διαμόρφωση σωμάτων εκ περιστροφής από φελιζόλ. Ο έλεγχος των ηλεκτροκινητήρων της διάταξης από το δωμάτιο ελέγχου επετεύχθη με το σχεδιασμό και κατασκευή των αντίστοιχων τηλεχειριστηρίων. Η τροποποίηση των πτερυγίων για ρύθμιση του ακτινικού διακένου, ο έλεγχος αζυγοσταθμίας των πτερωτών, ο έλεγχος ακτινικής ταλάντωσης των πτερυγίων, η τάνυση των ιμάντων κίνησης, η ευθυγράμμιση των ατράκτων και των τροχαλιών, και ο υπολογισμός της προέντασης των κοχλιοσυνδέσεων στις περιστρεφόμενες συνιστώσες της διάταξης, αποτέλεσαν τις διαδικασίες που εξασφαλίζουν την ομαλή και ασφαλή λειτουργία, αλλά και που πρέπει να επιβλέπονται προσεκτικά κατά την εποπτεία και συντήρηση της διάταξης. Η ανάγκη για δυνατότητα εύρεσης των γωνιών μετάλλου καθ’ ύψος των πτερυγίων, αλλά και ο μελλοντικό υπολογισμός της ροής του C-R με λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (CFD), οδήγησε στη ψηφιοποίηση της γεωμετρίας των πτερυγίων, η οποία έγινε μέσω ψηφιοποίησης των αεροτομών σε διάφορες θέσεις καθ’ ύψος των πτερυγίων και την ανάπτυξη υπολογιστικού κώδικα σε Fortran. Μετά την ολοκλήρωση της διάταξης, πραγματοποιήθηκε η εγκατάσταση του μετρητικού εξοπλισμού, ο οποίος περιλαμβάνει 1ον) μεταλλάκτες πίεσης που συνδέονται οπές στο κέλυφος για μέτρηση στατικών πιέσεων, καθώς και με σωλήνες πίεσης τριών και πέντε οπών για μέτρηση της πίεσης και ταχύτητας ανάντι και κατάντι κάθε πτερωτής, 2ον) αισθητήρες προσέγγισης για μέτρηση των στροφών των πτερωτών, καθώς και επιταχυνσιόμετρα για μέτρηση των κραδασμών. Για όλα τα παραπάνω όργανα, διεξήχθη η βαθμονόμησή τους και ο υπολογισμός των σφαλμάτων τους. Η σύνδεση των οργάνων σε κάρτα ψηφιοαναλογικής μετατροπής (ADC) και η ταυτόχρονη λήψη και επίβλεψη των μετρήσεων με χρήση λογισμικού πρόσκτησης δεδομένων του Ε.Θ.Σ., δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της πειραματικής διαδικασίας από το δωμάτιο ελέγχου της εγκατάστασης. Με δεδομένα πλέον τα μεγέθη μέτρησης από τους αισθητήρες, αναπτύχθηκε κώδικας σε Fortran για τον υπολογισμό των μεγεθών της ροής. Επίσης, αναπτύχθηκε κώδικας σε VBA για την άμεση παρουσίαση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων υπό μορφή διαγραμμάτων ακτινικής διανομής των μεγεθών της ροής και των συνολικών επιδόσεων του κάθε ρότορα αλλά και όλου του συμπιεστή. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η διεξαγωγή των εξής μετρήσεων : 1ον) Δοκιμάσθηκαν διάφοροι συνδυασμοί χρήσης ή μη αγωγού εισόδου (bellmouth), εξομαλυντή ροής (honeycomb) και φίλτρου. Επελέγη η χρήση honeycomb στη μεγάλη διάμετρο του bellmouth, καθώς έδωσε τα πιο ομοιόμορφα προφίλ ταχύτητας, γωνίας και πίεσης. 2ον) Διεξήχθη μια πρώτη παραμετρική μελέτη του C-R με παραμέτρους το λόγο στροφών των πτερωτών και τις γωνίες κλίσης (stagger) των πτερυγίων τους. Τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης έδειξαν αύξηση του περιθωρίου λειτουργίας σε υψηλούς λόγους πίεσης με μείωση των γωνιών κλίσης των πτερυγίων. Παράλληλα, με την αύξηση των στροφών των πτερωτών παρατηρήθηκε μετατόπιση των χαρακτηριστικών του 1ου και 2ου ρότορα και όλου του συμπιεστή προς μεγαλύτερες παροχές και λόγους πίεσης. Επίσης, η χαρακτηριστική του 1ου ρότορα παραμένει αναλλοίωτη ανεξαρτήτως των στροφών του 2ου για σταθερή γεωμετρία. Αντίθετα, η χαρακτηριστική του 2ου ρότορα εξαρτάται κυρίως από το λόγο στροφών.

In this diploma thesis, the existing contra rotating blade rows test rig (C-R) that had been designed and developed in a previous diploma thesis, is supplemented with additional components, modifications and experimental equipment. After the first operation, the first measurements were accomplished and the capability of successful implementation of experiments is certified. An initial parametric analysis shows the first picture of the flow field and the performance of a contra rotating compressor stage. Specifically, the bellmouth and the transition duct were designed and constructed using fibreglass. The transition ducts mold construction was achieved through the design and construction of a 2-d.o.f. arm, which is capable to shape foam bodies. The control of electric motors of the rig was achieved through the design and construction of the corresponding remote controls. The modification of the blades for tip clearance regulation, the inspection of rotors unbalance, the inspection of radial oscillation of blades, the motors belt tension, the alignment of shafts and pulleys, and the calculation of bolts preload assembled on rotating components of the rig, constituted the processes that ensure the smooth and safe operation of the rig, but also these that should be inspected carefully at the monitoring and maintenance of the rig. The need of knowledge of blades metal angles, but also the future calculation of flow of C-R with a CFD software, led to the digitisation of blades geometry, which succeeded through digitisation of their aerofoils and later through a code which programmed in Fortran. Afterwards, it has been accomplished the installation of experimental equipment which includes: 1st) pressure transducers that are connected to the duct for static pressures measurement, as well as to 3 and 5-hole probes for radial distribution of pressure and velocity measurements, upstream and downstream each rotor, 2nd) proximity sensors for measurement of rotors RPM, as well as accelerometers for vibration measurements. For all the above sensors, calibration and error analysis was carried out. The connection of sensors in a ADC card and the use of a data acquisition program designed from L.T.T. N.T.U.A., made possible the control of experimental process from the control room. Additional, a FORTRAN code was developed which calculates the flow quantities using the measurement data. Also, a VBA code was developed for the direct presentation of results of measurements under form of charts of radial distribution of flow quantities, and performance characteristic curves of each rotor and compressor. Finally, the following measurements were accomplished: 1st) several combinations of use or not of bellmouth, honeycomb and filter were tested. We decided to use honeycomb in the big diameter of bellmouth, because this case provides the most uniform radial distribution of velocity, flow angle and pressure. 2nd) a first parametric analysis of C-R was carried out. The parameters were the blades stagger angles and the RPM of the rotors. The results of parametric analysis showed an increase of compressors operation margin to higher pressure ratios by reduction of blade stagger angles. A shift to higher pressure ratios and mass flow is determined by increasing rotors speed, both for rotors and the whole compressor. Also, the characteristic curve of 1st rotor remains inalterable, independent of 2nd rotors RPM for constant stagger angles. In contrast, the characteristic curve of 2nd rotor depends mainly on rotors RPM ratio.