Instability Phenomena in Multistage Compressors: Experimental Analysis and Dynamic Modeling

Flow instability conditions, in particular during surge and stall phenomena, have always influenced the operational reliability of turbo-compressors and have attracted significant interest resulting in extensive literature. Nowadays, this subject is still one of the most investigated because of its high relevance on centrifugal and axial compressor operating flow range, performance and efficiency. However, there is another fundamental aspect to be considered; which is the magnitude of the unsteady forces generated in the compressor during these unstable operations. These forces can become highly dangerous for the mechanical and aerodynamic structure of the compressor. Many researchers approach this important issue by developing numerical models, whereas others approach it through experimental studies specifically carried out in order to better comprehend this phenomenon. The aim of this work is: (i) to experimentally analyze the stable and unstable operating conditions of an aeronautic turbo-shaft gas turbine axial-centrifugal compressor installed on a brand new test-rig properly designed for this purpose; and (ii) to develop a nonlinear model for simulating the dynamic behavior of compression systems. The test facility is set up in order to obtain (i) the compressor performance maps at rotational speeds up to 25,000 rpm and (ii) the compressor transient behavior during surge. By using two different test rig layouts, instabilities occurring in the compressor, beyond the peak of the characteristic curve, are identified and investigated. These two types of analysis are carried out thanks to pressure, temperature and mass flow sensors located in strategic positions along the circuit. These measurement sensors are part of a proper control and acquisition system, characterized by an adjustable sampling frequency. Thus, the desired operating conditions of the compressor, in terms of mass flow and rotational speed, and transient of these two parameters, are regulated by this dedicated control system. Successively, a vibro-acoustic analysis, is carried out in order to demonstrate the efficaciousness of accelerometers and microphones in detecting rotating stall and surge and their inception. The dynamic model is implemented in Matlab®/Simulink® environment and developed by means of a general bond graph approach which leads to a highly modular lumped parameter structure. The thermodynamics of the model was validated by using the experimental data provided by the test rig cited above, showing high reliability in simulating the dynamics of the compressor operating point in both the stable field of the characteristic curve and unstable field, reproducing with high fidelity the surge cycle generated. The simulator, is also provided with a supplementary tool to estimate the axial force frequency and amplitude, taking into consideration all the contributions to the axial fluid-dynamic thrust generation, and to the resultant axial mechanical force which acts on the thrust bearing. The test case facility layout, which was simulated by the model, is located at SouthWest Research Institute laboratory in which a 522 kW industrial air centrifugal compressor was performed in surge conditions. The model was tuned and validated by using the test case axial force data showing a good agreement with the experimental results and demonstrating to well predict the amplitude and frequency of the net axial thrust. From these results and analyses some final remarks and conclusions can be drawn, which are presented at the end of this Thesis.Le condizioni di instabilità fluidodinamica, in particolare durante fenomeni come stallo e pompaggio, hanno sempre influenzato l'affidabilità operativa dei compressori dinamici e hanno attirato un considerevole interesse che ha portato ad un notevole numero di lavori in letteratura. Oggi, questo argomento è ancora uno dei più studiati a causa della sua elevata rilevanza nell’ambito del funzionamento dei compressori centrifughi ed assiali, e delle loro prestazioni anche in termini di efficienza. Tuttavia, vi è un altro aspetto fondamentale da considerare; che è la grandezza delle forze generate nel compressore durante questi fenomeni di instabilità. Queste forze possono diventare molto pericolose per la struttura meccanica ed aerodinamica del compressore. Molti ricercatori affrontano questo importante problema attraverso lo sviluppo di modelli numerici, mentre altri, attraverso studi sperimentali, al fine di comprendere meglio questi fenomeni. Lo scopo di questo lavoro è: (i) analizzare sperimentalmente le condizioni operative di stabilità ed instabilità di un compressore assial-centrifugo, appartenente ad una turbina a gas di tipo turbo-albero di derivazione aeronautica, installato su un nuovo banco prova adeguatamente progettato per questo scopo; e (ii) sviluppare un modello non lineare per la simulazione del comportamento dinamico dei sistemi di compressione. L'impianto di prova è costruito in modo da ottenere (i) le mappe di prestazione del compressore a velocità di rotazione fino a 25,000 rpm e (ii) il comportamento transitorio del compressore in stallo e pompaggio. Utilizzando due diverse configurazioni del banco, vengono individuate ed esaminate le instabilità che si verificano nel compressore una volta superato il picco della curva caratteristica. Questi due tipi di analisi sono effettuati grazie all’utilizzo di sensori di pressione, temperatura e portata in massa situati in posizioni strategiche lungo il circuito. Questi sensori di misura costituiscono parte di un adeguato sistema di controllo e acquisizione, caratterizzato da una frequenza di campionamento regolabile. Pertanto, le condizioni operative del compressore, in termini di portata in massa e velocità di rotazione, e i transitori di questi due parametri, sono regolati da questo sistema di controllo dedicato. Un’analisi vibro-acustica, è stata effettuata successivamente, al fine di dimostrare l'efficacia di accelerometri e microfoni nel rilevare lo stallo rotante ed il pompaggio. Un modello dinamico è implementato in ambiente Matlab® / Simulink® e sviluppato mediante l’uso dei bond-graph, che porta ad una struttura a parametri concentrati altamente modulare. La termodinamica implementata nel modello ed i risultati sono stati validati utilizzando i dati sperimentali forniti dal banco prova realizzato. Il modello mostra elevata affidabilità nel simulare la dinamica del punto di funzionamento del compressore, sia nel campo stabile della curva caratteristica, sia in campo instabile, riuscendo ad ottenere anche un’ottima corrispondenza con i dati sperimentali in pompaggio. Il modello è inoltre dotato di uno strumento supplementare per stimare l’ ampiezza e la frequenza delle forze assiali, prendendo in considerazione tutti i contributi che producono la spinta fluidodinamica assiale, e la conseguente forza meccanica assiale che si scarica sul cuscinetto reggispinta. Il test case, è il banco prova situato presso il laboratorio del Southwest Research Institute, nel quale è installato un compressore centrifugo industriale da 522 kW che è stato fatto operare in condizioni di pompaggio. Il modello è calibrato e validato utilizzando i dati di tale banco prova e mostra una buona correlazione con i risultati sperimentali riferiti ad ampiezza e frequenza della spinta assiale. Da questi risultati e analisi, alcune importanti osservazioni e conclusioni finali possono essere tratte; queste sono presentate alla fine di questa Tesi