Διερεύνηση χαρακτηριστικών λειτουργίας και παραμετρική μελέτη διάταξης δοκιμών αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών

Abstract

Η διπλωματική αυτή εργασία αποτελεί συνέχεια και συμπλήρωση άλλων διπλωματικών εργασιών. Προηγήθηκαν οι διπλωματικές εργασίες των φίλων και συναδέλφων Χ. Αμπάτη και Γ. Κατσίκη οι οποίες περιλαμβάνουν την σχεδίαση και κατασκευή της εγκατάστασης δοκιμών αντίρροπα στρεφόμενων πτερωτών του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών, την εγκατάσταση της μετρητικής αλυσίδας, την σχεδίαση και κατασκευή των επιμέρους συνιστωσών, τη θέση της διάταξης σε λειτουργία και τη διενέργεια παραμετρικής μελέτης της βαθμίδας συναρτήσει των γωνιών κλίσης των πτερυγίων και του λόγου στροφών των δύο πτερωτών. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τον υπολογισμό του σφάλματος των μετρήσεων, τη διερεύνηση κάποιων χαρακτηριστικών λειτουργίας της βαθμίδας, την ολοκλήρωση της παραμετρικής μελέτης με τη διερεύνηση της επίδρασης της αξονικής απόστασης των δυο πτερωτών στις επιδόσεις της βαθμίδας και την σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τα δεδομένα που παράγει για το φαινόμενο ο υπολογιστικός κώδικας BLADE του εργαστηρίου. Ο υπολογισμός του σφάλματος των μετρήσεων επετεύχθη μέσω της κατάρτισης κώδικα Fortran και κατέδειξε τη μεγάλη ακρίβεια της μετρητικής αλυσίδας. Οι προκαταρκτικές μετρήσεις διερεύνησης και βελτίωσης χαρακτηριστικών λειτουργιάς αφορούν: 1. την επαναληψημότητα των μετρήσεων, την ικανότητα δηλαδή της εγκατάστασης να αναπαράγει συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων αυτών ήταν άκρως ικανοποιητικά και κατέδειξαν την υγιή λειτουργία τόσο της διάταξης όσο και της μετρητικής αλυσίδας. 2. την επίδραση του αριθμού των ακτινικών θέσεων μέτρησης ανα σάρωση στην ακρίβεια των αποτελεσμάτων. Απεδείχθη ότι η μετάβαση σε σύστημα μετρήσεων 12 σημείων έναντι 26 δεν επηρεάζει την ακρίβεια των αποτελεσμάτων και εξοικονομήθηκε σημαντικός χρόνος από τη διαδικασια των μετρήσεων της παραμετρικής μελέτης. 3. την διερεύνηση της ανωμαλίας της ροής στο hub του πτερυγίου του πρώτου ρότορα και την προσπάθεια εξάλειψής της. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι το πρόβλημα δεν έγκειται στις οπές του δίσκου φορέα αλλά στη γεωμετρία του πτερυγίου. 4. την διερεύνηση της περιφερειακής ανομοιομορφίας του καναλιού ροής. Μεταφέρθηκε ο σωλήνας πίεσης που βρίσκεται ανάμεσα στις δυο πτερωτές (θέση 2) σε συμμετρικό ως προς τον κατακόρυφο άξονα σημείο του καναλιού ροής. Οι μετρήσεις έδειξαν ύπαρξη ελαφράς ανομοιομορφίας της ροής κυρίως στις περιφερειακές θέσεις και βελτιωμένα αποτελέσματα στη νέα θέση. Για τις υπόλοιπες μετρήσεις ο σωλήνας πίεσης της παρέμεινε στο νέο σημείο. 5. την μέτρηση της καταναλισκόμενης ισχύος για τον προσδιορισμό του βαθμού απόδοσης των πτερωτών. Μη σταθερή κατανάλωση ισχύος του κινητήρα σε λειτουργία απόντων των πτερωτών επιφέρει σημαντικό σφάλμα στον υπολογισμό των απωλειών και κατ’ επέκταση στον βαθμό απόδοσης. Ωστόσο η χρήση της μεθόδου αυτής υπέδειξε τα επίπεδα στα οποία κυμαίνεται ο βαθμός απόδοσης κάποιων προβληματικών μετρήσεων. Τα δεδομένα του πρώτου ρότορα από την παραμετρική μελέτη έχουν αρχειοθετηθεί για περεταίρω χρήση. Η παραμετρική μελέτη που ακολούθησε αποτελείται από μετρήσεις 8 διαφορετικών set στροφών, 5 για λόγο στροφών Ru=1 και 3 για λόγο στροφών Ru=1.5. Διερευνήθηκαν 3 αξονικές αποστάσεις των πτερωτών, μίας μιάμισης και δύο χορδών. Όλες οι μετρήσεις έγιναν για σταθερές γωνίες κλίσεις των πτερυγίων, 30 μοίρες στα πτερύγια του πρώτου ρότορα και 43 στα πτερύγια του δεύτερου. Αρχικώς επιβεβαιώθηκαν τα αποτελέσματα προηγούμενων εργασιών καθώς παρατηρήθηκε μετατόπιση των χαρακτηριστικών σε μεγαλύτερες παροχές και ελαφρώς αυξημένους λόγους πίεσης με την αύξηση του λόγου στροφών (ταχύτερη περιστροφή της δεύτερης πτερωτής) και η τάση εξάρτησης της χαρακτηριστικής του δεύτερου ρότορα από το λόγο στροφών σε αντίθεση με αυτή του πρώτου. Στις μετρήσεις χαμηλών στροφών δεν παρατηρήθηκε κάποια διαφορά στις χαρακτηριστικές με αλλαγή του αξονικού διακένου σε κανέναν από του δύο ρότορες. Σε κάποιες μετρήσεις υψηλών στροφών παρουσιάστηκαν βελτιώσεις άλλοτε στον πρώτο και άλλοτε στον δεύτερο ρότορα με μετακίνηση της χαρακτηριστικής σε μεγαλύτερους λόγους πίεσης. Σε ένα μεγαλύτερο εύρος μετρήσεων υψηλών στροφών, μειούμενου του αξονικού διάκενου, διαπιστώσαμε την τάση αύξησης του εύρους λειτουργίας της δεύτερης πτερωτής με μετατόπιση του σημείου αποκόλλησης Φstall σε μικρότερους συντελεστές παροχής. Ως αναφορά στην σύγκριση των πειραματικών δεδομένων με τα αποτελέσματα του κώδικα BLADE, καταρτίστηκαν σχέσεις προσαρμογής των αποτελεσμάτων του δεύτερου ρότορα όπου παρουσιάζονταν απόκλιση καθώς επίσης και σχέσεις παραγωγής χαρτών λειτουργίας της δεύτερης πτερωτής για διάφορους λόγους στροφών χρησιμοποιώντας μόνο τα δεδομένα για λόγο στροφών ίσο με μονάδα.

This diploma thesis continues and completes the previous diploma theses. The two previously concluded theses form G. Katsikis and C. Abatis included the design and construction of the contra rotating compressor test rig, the installation of the measuring equipment, the design and construction of additional components, the initiation of operation of the test rig and a preliminary parametric study, whose parameters were the stagger angles and the speed ratio of the rotors. This diploma thesis contains the calculation of error included in the measurements, the investigation of specific operational characteristics of the test rig and the final stage of the parametric study whose objective is to determine the effect of the axial distance of the two rotors to the operational qualities of the contra rotating stage. The calculation of error included in the measurements was achieved through the development of a FORTRAN code. The results proved that the test rig and the measuring equipment operate with exquisite precision. The preliminary measurements included the following operational characteristics investigations: 1. the repeatability of the measurements which translates as capability of the test rig to reproduce desired operation conditions. The results were well within the healthy operation margin deeming the operation of the rig, as well as of the measuring equipment, trustworthy. 2. the effect of the number of the radial measuring points per scan of the flow channel. The results proved that transition from the previously used 26-measurments-per-scan practice to a 12-measurments-per-scan system does not affect the accuracy of the results and does not add error to the integrated values. This transition allowed for great time saving during the parametric study. 3. the investigation of the reasons for the disturbed flow near the hub of the first rotor’s blades and the attempt to diminish it. Results concluded that the cause of the disturbance of the flow is not the exposed cavities on the surface of the disk on which the blades are mounted, and the problem is rather caused by the geometry of the blade. 4. the investigation of peripherally uneven flow. The probe carriage between the two rotors was moved to a symmetrical to the vertical axis location. The measurements at the new location suggest the presence of a mild differentiation of the flow at the peripheral points near the shroud with the new position delivering slightly better results. The probe remained at the new position for the rest of the measurements. 5. The measurement of the power consumption in order to calculate the efficiency of the rotors. Unstable power consumption in operation without the two rotors mounted on the axes, resulted in significant error at the calculation of the power losses. This error would be further transferred with the calculation of the efficiency. Nonetheless, this method of calculating the efficiency proved useful in problematic measurements, by calculating the margin within which the efficiency would be. The data of the power consumption measurements have been filed for further use. The parametric study consists of measurements at 8 speed sets, 5 at a speed ratio of Ru=1 and 3 at speed ratio of Ru=1.5. For each speed set, the measurement was done at three different axial distance values: one, one and a half & two blade chord lengths. During the parametric study the stagger angles of the blades where constantly set to 30 degrees for the first rotor and 43 for the second rotor. The first observations made confirmed the results of previous parametric studies which claimed a shift of the characteristic curves towards bigger mass flow and pressure ratio values when the rotors speed increased. Also for the vast majority of the measurements, the characteristic curve of 1st rotor remains inalterable; independent of 2nd rotors’ RPM. In contrast, the characteristic curve of 2nd rotor depends mainly on rotors RPM ratio. When operating in low rotation speeds the characteristic curves of the two rotors did not present any alteration to the changes in the axial distance of the rotors. In some high speed measurements though, we observed increased performance either of the first or of the second rotor and shift of the characteristic curve to higher pressure ratios. In a number of high speed measurements we observed a trend for wider operation margin of the second rotor when the rotors axial distance was decreased. As far as the comparison of experimental data with the code-generated data is concerned, a set of adjusting equations was compiled to eliminate the deviation of the data of the second rotor. Another set of equations was compiled in order to create maps of the second rotor at various speed ratios using the only the map at speed ratio equal to one.