Study of Aero-Thermodynamic and Aero-Acoustic Aspects of Centrifugal Compressors

Abstract

 Kraven på effektivitet och stabilitet för centrifugalkompressorer i tunga lastbilar ökar på grund av stränga, vetenskapligt baserade utsläppsmål för skadliga emissioner och den stigande kostnaden för alternativa bränslen som grön vätgas. Dessutom innebär de senaste faserna av EU:s akustiklagstiftning ytterligare utmaningar för konstruktörer som vill hantera tonbrus, särskilt bladfrekvenssignaturer (BPF), i centrifugalkompressorer. Nuvarande metoder för att karakterisera prestanda och BPF-ljud utförs huvudsakligen på stegnivå (fläns-till-fläns), vilket ger begränsad insikt för turbomaskinkonstruktörer och aeroakustiker som vill förbättra eller förnya kompressordesigner. Följaktligen finns det ett behov av att förstå aerodynamisk prestanda och aeroakustiskt beteende på komponentnivå för att underlätta optimal komponentmatchning i linje med tvärvetenskapliga krav. 

Även om prestanda på komponentnivå för centrifugalkompressorer har utforskats i litteraturen, är sådana studier vanligtvis begränsade till en enda designpunkt eller några få punkter utanför design på kompressorkartan. Medan aeroakustisk forskning har undersökt överfört brus i stor utsträckning, finns det jämförelsevis lite fokus på källkarakterisering. Kvantifiering av tonalt (BPF) brus kräver generellt kostsam prototypframställning, omfattande experimentella mätningar och arbetsintensiv dataanalys. Högpresterande simuleringar, såsom Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) eller Large Eddy Simulations (LES), kan användas för att kvantifiera BPF-brusnivåer, men dessa metoder är opraktiska under kompressorns designfas. Syftet med denna forskning är att identifiera metoder och parametrar, baserade på fysiken bakom tonalbrusgenerering, för att rangordna kompressorkonstruktioner utifrån BPF-brus under bladdesignfasen. 

Den experimentella uppställningen som används för detta arbete omfattar en aero-termodynamisk layout, inklusive en serie tryck- och temperaturmätningar på turboladdarkompressorn vid hetgasanläggningen i Traton AB. Detaljerade tryckmätningar erhölls med hjälp av Kiel-sonder, som korsades för att kvantifiera aero-termodynamisk prestanda på komponentnivå. Den akustiska experimentella metoden utvecklades i gasanläggningen, vilken inkluderar instabila trycksensorer och mikrofoner för att kvantifiera ljudtrycksnivåer (SPL) och ljudintensitetsnivåer (SWL) för både splitter- och fullbladskompressorkonfigurationer.   Detta arbete inkluderar även numeriska simuleringar med RANS-metoder (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) för att karakterisera aeroakustiska signaturer. 

Resultat från aerotermodynamiska tester och simuleringar möjliggör riktade designinsatser på specifika komponenter, såsom impeller, diffusor eller volut, och etablerar en robust grund för att undersöka de akustiska signaturerna hos kompressorkomponenter. Acoustic Crest Factor (ACF) visade en korrelation med SPL i experimentella mätningar, eftersom den kvantifierar signalimpulsivitet, den primära tvångsfunktionen för BPF-ljud vid impellers utgång. ACF kan användas för att akustiskt rangordna design för de flesta driftspunkter, förutom den positiva incidensregionen för Splitter-blade-pumphjulet, redan under designfasen, med hjälp av data från RANS-simuleringar. För att hantera begränsningarna med ACF, särskilt i den positiva incidensregionen av kompressorkartan för splitterbladsarrangemang, utvecklades nya faktorer: OSAI och QuIET. Dessa faktorer uppvisar förbättrade korrelationstrender för både splitter- och fullbladskonfigurationer. OSAI och QuIET kan användas för att rangordna nya och befintliga konstruktioner för akustisk prestanda och kan också fungera som kostnadsfunktioner i optimeringsstudier inom aerodynamik och akustik i turbomaskiner som används för olika applikationer. 

Link to DiVA